海上风电机组基础结构设计标准

海上风电机组基础结构设计 Guidelines for Designing Offshore Wind Turbine Foundation Structures DRAFT 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第i页 目 录 前 言 ...........................................................................................................................I 1. 引言 ............................................................................................................................ 1 1.1 总则 ....................................................................................................................... 1 1.2 参考标准 ................................................................................................................ 1 1.3. 支撑结构 ............................................................................................................... 2 1.4 结构型式的选取 ...................................................................................................... 3 2. 环境条件 ..................................................................................................................... 5 2.1 总则 ....................................................................................................................... 5 2.2 风 ........................................................................................................................... 5 2.3 波浪 ....................................................................................................................... 5 2.4 海流 ....................................................................................................................... 6 2.5 水位 ....................................................................................................................... 7 2.6 冰 ........................................................................................................................... 7 2.7 土壤调查和岩土资料 ............................................................................................... 8 2.8 其它环境条件 ......................................................................................................... 8 3. 荷载及荷载组合......................................................................................................... 10 3.1 总则 ..................................................................................................................... 10 3.2 固定荷载 .............................................................................................................. 10 3.3 活荷载 .................................................................................................................. 10 3.4 环境荷载 ...............................................................................................................11 3.5 荷载组合 .............................................................................................................. 17 4. 钢结构设计................................................................................................................ 20 4.1 总则 ..................................................................................................................... 20 4.2 许用应力 .............................................................................................................. 20 4.3 组合应力 .............................................................................................................. 21 4.4 圆管构件的强度 .................................................................................................... 21 4.5 构件的稳定性 ....................................................................................................... 22 5. 桩基础设计................................................................................................................ 27 5.1 一般规定 ............................................................................................................. 27 5.2 桩体壁厚的确定 .................................................................................................... 27 5.3 桩体分段的确定 .................................................................................................... 27 5.4 桩体的构造要求 .................................................................................................... 27 5.5 横向荷载下桩基计算 ............................................................................................. 28 5.6 P-Y曲线 .............................................................................................................. 28 5.7 桩的轴向承载力 .................................................................................................... 29 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第ii页 5.8 群桩效应 .............................................................................................................. 31 6. 钢材料....................................................................................................................... 32 6.1总则 ...................................................................................................................... 32 6.2设计温度 ............................................................................................................... 32 6.3结构分类 ............................................................................................................... 32 6.4结构用钢 ............................................................................................................... 33 7. 结构分析计算 ............................................................................................................ 34 7.1 总则 ..................................................................................................................... 34 7.2 结构建模 .............................................................................................................. 34 7.3 静强度分析 ........................................................................................................... 35 7.4 动力分析 .............................................................................................................. 36 7.5 地震响应分析 ....................................................................................................... 37 7.6 疲劳分析 .............................................................................................................. 37 8. 防腐 .......................................................................................................................... 38 8.1 总则 ..................................................................................................................... 38 8.2涂层与镀层保护 .................................................................................................... 38 8.3 阴极保护 .............................................................................................................. 39 8.4 防腐系统的检查与维护 ......................................................................................... 41 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第i页 前 言 大规模的海上风电场建设即将在我国拉开帷幕，为此，在渤海海上风电示范项目的基础上，海油(北京)能源投资有限公司组织开展了海上风电机组基础结构研究。在借鉴国外海上风电场建设经验和相关的基础上，经过项目研究起草了本标准(初稿)。 在本标准各章节的编制过程中，通用部分以API为主，并参考了部分其它相关规范、资料，具体 各部分参考的规范如下: (1)结构形式主要参考DNV规范和欧洲海上风电场建设经验，并结合我国 海上固定式采油的设计建造经验提出; (2)环境条件、荷载计算(除风机静荷载和动冰力荷载)、钢结构设计、桩 基础设计和结构分析计算主要参考API规范确定; (3)风机荷载根据中国机械行业标准: 风力发电机组设计要求 (JB/T10300-2001)确定; (4)动冰力荷载采用了DNV-OS-J101建议的冰力计算方法。 本标准(初稿)仅作为海上风电机组基础结构设计的建议。 本标准(初稿)主要起草人:李华军、黄维平、王树青、张兆德、孟珣、石湘 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第1页 1. 引言 1.1 总则 1.1.1 一般要求 1、本标准提供海上风力发电结构的设计原则和技术要求。 2、本标准用于海上风电机基础结构的设计。 3、本标准不包括机舱、转子、发电机、变速箱等风电机构件的设计。 1.1.2 目标 本标准给出了海上风电场结构设计的一般原则和指南。 1.1.3 范围和应用 1、本标准适用于所有类型的海上风力发电机的基础和支撑结构。 2、本标准适用于整体结构设计，包括水下结构和基础，但不包括风机部件，如 风机吊舱和转子等。 3、本标准提供了下列内容: ——环境条件 ——荷载与荷载组合 ——钢结构设计 ——桩基础设计 ——钢材料 ——结构数值计算与分析 ——腐蚀防护 1.2 参考标准 1.2.1 一般要求 表1.2.1中的标准包括了本标准中的一些参考标准，它们构成了本标准的部分条款。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第2页 表1.2.1 参考的标准和规范 参考标准 标 DNV-OS-J101 DNV规范: 海上风电机组基础结构设计标准 JB/T10300-2001 中国机械行业标准: 风力发电机组设计要求 SY/T 10030-2004 中国石油天然气行业标准: 海上固定平台的规划、设计 和建造的推荐作法-工作应力设计法 SY/T 10049-2004 中国石油天然气行业标准: 海上钢结构疲劳强度分析 推荐作法 SY/T 10008-2000 中国石油天然气行业标准: 海上固定式钢质石油生产 平台的腐蚀控制 SY/T 10050-2004 中国石油天然气行业标准: 环境条件和环境荷载标准 DNV-OS-B101 DNV规范: 金属材料 DNV-OS-C101 DNV规范: 海洋钢结构设计——荷载抗力法 DNV-OS-C201 DNV规范: 移动式海洋平台结构设计—— 工作应立法 DNV-OS-C401 DNV规范: 海洋结构装配和检测 DNV-OS-C502 DNV规范: 海洋工程混凝土结构 1.3. 支撑结构 1.3.1 引言 1、大型海上风电场开发的基础结构可以根据它们基础类型、安装方法划分成: ——桩基结构 ——重力基础结构 ——桶基结构 ——浮式结构 2、根据基础之上的结构型式可分为3种基本结构: ——单立柱结构 ——导管架结构 ——浮式结构 3、将不同基础与上部结构组合可以产生具有不同类型的混合基础结构。 1.3.2 单立柱基础 1、单立柱单桩结构是桩承结构中最简单的一种结构形式，基础采用打桩或 钻孔方法。单立柱结构一般为钢质，塔架通过单桩支撑，塔架与桩之间可以 直接连接，或者通过过渡段连接。桩和立柱均为圆柱形结构。 2、桩的贯入深度取决于环境和土壤条件。单桩结构在海床活动海域和冲刷海床 海域是非常有利的，因为，它对水深有较大的灵活性。这种结构的一个弱点 是倾斜和振动，因此，对设计和施工的要求较高。 3、这种类型的结构受到海底地质条件和水深的制约，适合于水深从0米到25 米的海域。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第3页 1.3.3 单立柱三桩结构 1、单立柱三桩结构有三条桩腿埋入海床，其上部连接一个单立柱，单立柱是圆 柱形钢管。基础宽度和桩的贯入深度取决于实际的环境和土壤条件。 2、海上风电机组的单立柱三桩结构与边际油田开发的简易平台相似，三根桩通 过一个三角形刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结 构整体。 3、三脚架的中心立柱与塔架连接，三脚架的桩可以是竖直的，也可以是倾斜的。 当结构采用自升式钻塔安装时要使用倾斜桩。 4、单立柱三桩结构的刚度大于单立柱结构，因此，适用水深为20m~50m。 1.3.4 三腿或四腿导管架结构 1、海上风电机组的三腿或四腿导管架结构完全借鉴于海洋石油平台的概念，采 用了比单立柱三桩结构刚度更大的结构形式。因此，其适用水深和可支撑的 风机规格大于单立柱三桩结构。 2、四腿导管架的适用水深为20~50m。 1.4 结构型式的选取 1.4.1 一般要求 1、风电机组基础结构为高耸结构形式，结构受荷载影响很大，尤其要认真考虑 风机荷载和地震荷载的影响。 2、结构型式的选取不仅要考虑静强度，还必须充分考虑结构的动力特性和动力 响应，使结构的固有频率避开外荷载频率，尤其是风荷载，从而不致产生过 大的动力响应。 3、风电机组基础结构还必须进行疲劳分析和屈曲分析，以及腐蚀疲劳问题。 4、风电机组基础结构可以是刚性结构，也可以是柔性结构。柔性结构的设计要 保证平稳地度过穿越频率。 1.4.2 不同结构型式适用的水深范围 表1.4.1中列出了推荐的不同基础结构形式适用的水深范围。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第4页 表1.4..1 不同基础结构形式适用水深范围 基础类型 水深(m) 重力式基础 0~10 桶基单立柱结构 0~25 单立柱结构 0~30 三腿/四腿导管架 >20 浮式结构 >50 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第5页 2. 环境条件 2.1 总则 1、海上风电平台设计应考虑与特定海域和操作有关的各种环境条件，主要包括 风、浪、流、潮、冰和地震等。 2、环境条件应根据长期的统计数据来分析得到，并根据最新的海况统计资料确 认，包括极端海况和正常操作海况。 2.2 风 1、 风速可以分成两种:(1)持续风速:平均持续时间大于1分钟的风速;(2) 阵风风速:平均持续时间小于1分钟的风速; 2、 一般来说，持续风速用于计算平台上部的总风力，而阵风风速用于局部构件 的作用力计算 3、 详见SY/T 10030-2004的有关条款; 2.3 波浪 1、波浪使用有效波高Hs和谱峰周期Tp来表示。 2、波浪统计资料是长期和短期波浪状态表示的基础。用于设计的经验统计资料 必须经过足够长的时间周期。 3、波浪和风是有联系的，因为波浪通常是由风导致产生的。在设计中需要考虑 波浪和风的联系。 、当地的海面运动的谱密度可以由已有的波浪资料确定。 4 5、在没有实测资料的情况下，海浪的谱密度函数可以用JONSWAP谱来表示， 2,,,,ff,p4,,,exp0.5,,,,,2,,,,,,,f,,,gf5p,,5,,,,, Sexpff,,,，，,,4,,4f,,2，，,p,,,, 其中:f——波浪频率，f=1/T; T——波浪周期; fp——谱峰频率，fp=1/Tp; Tp——谱峰周期; g——重力加速度; 2424,,,,,5/10.287lnHfgα——归纳的Phillips常数， ，，，，Sp σ——谱宽参数，f?fp时，σ=0.07;f>fp时，σ=0.09; γ——谱峰升高因子; 上跨零点周期Tz取决于谱峰周期Tp，由下面的关系来确定， ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第6页 5，,TT, zp11，, 谱峰升高因子 T,p5............................................3.6若,,Hs, ,,,TT,pp,exp5.751.15...........3.65,,,,若 ,,,,,HHss,,, ,Tp,1.............................................5若,,Hs, 其中:Tp单位是秒，Hs单位是米。 6、从当地已有资料获得的波浪参数Hs和Tp的长期概率分布可以用一般分布形 式或者散点图的形式表示。典型的一般分布包括有效波高的Weibull分布和 与Hs有关的Tp的对数分布。散点图给出的是点对(Hs,Tp)在给定的(Hs,Tp) 区间里发生的频率。 7、有效波高服从Weibull分布 ,,,h,,1expFh,,,，，,, H,,S,,,,,,, Fh当表示任意t小时有效波高的分布时，每年最大有效波高的分布可以，，HS 取为: N FhFh,，，，， ，，,max,1HyearHSS 其中:N是一年中t小时海浪间隔的个数，t=3时，N=2920。 8、以年为单位的重现期为T的有效波高，在每年最大有效波高的分布中定义为R H(1-1/T)分位数。用表示，表达式为: RST,r ,,1,1HF,,1,, STHyear,,max,1rST,,R 其中 TR大于一年。 2.4 海流 1、海流对海洋平台有作用力，此外海洋考虑流对波浪的Dopple效应。 2、流速一般按照表层、中层、底层给出。 3、海流主要有风成流、潮流和环流。 4、海流统计数据是表示长期和短期海流环境的基础。用作设计基础的经验统计 数据必须有足够长的时间周期。 5、必须相应地考虑海流随水深的变化。 6、风电基础结构底部容易腐蚀的地方，需要特别研究接近海底处的海流环境。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第7页 7、没有详细的现场测量资料时，海流速度随水深的变化认为是 vzvzvz,，，，，，，， tidewind 17hz，,,其中 z?0时， vzvz,，，，，tidetide0,,h,, 1 7,,hz，0vzvz,时， ,,,hz0，，，，,,windwind00h,,0 v(z)——水深z处海流的总速度; z——到静水面的距离，向上为正; v——静水面的潮流速度; tide0 v——静水面的风成流速度; wind0 h——水深(取正); ho——风成流的参考深度，ho=50m。 2.5 水位 1 水位由平均水位、潮位和风、压力导致的风暴潮构成。潮差定义为最高天文 潮和最低天文潮之差。 2 水位统计资料可以用长期和短期水位环境表示。用作设计基础的经验统计数 据必须有足够长的时间周期。 3、水位和风是有相关的，因为水位成分里有风成因素。设计中要考虑水位资料 和风资料之间的这种联系。 2.6 冰 1、如果风电场所在海区可能形成冰或是可能有流冰，冰环境必须适当考虑。 2、对于下面的海冰环境和性质要考虑相应的统计资料: ——冰的特性和几何形状; ——冰区密度和分布; ——冰的类型(浮冰、狭长的冰、冰排); ——冰的机械性能(抗压强度r，抗弯强度r); uf ——流冰的速度和方向; ——冰厚。 3、冰的增长来源于海浪飞溅、雪、雨和潮湿的空气，在不同的海区这些因素要 相应地考虑。 4、如果有除去冰雪的设备，由于雪和冰的积累导致的雪和冰荷载可以减小或是 忽略。 5、当风荷载和水动力荷载确定之后，要相应考虑冰引起的横截面积的增加和表 面粗糙度的改变。 6、冰厚是计算冰荷载的重要参数。冰厚的确定应该基于当地的冰数据， ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第8页 2.7 土壤调查和岩土资料 1、土壤调查应该给详细设计提供所有需要的土壤资料。土壤调查分为地质研究、 地球物理测量和岩土调查。 2、土壤调查的范围和土壤调查方法的选择要考虑风机的类型、大小、重要性、 土壤的复杂性和海床环境、实际土壤沉淀物的类型。土壤调查覆盖的区域要 看场地布置和安装的容许误差。 3、对于风场中的多重地基，土壤的岩石组成和土壤强度特性范围要在每一层地 基或者每个地基的位置进行相应的评估。 4、土壤调查必须提供达到某一深度土壤的相关信息，在此深度以下的薄弱基础 不再会影响到风机和支撑结构及基础的安全性和性能。 5、土壤调查通常由下面的调查类型组成: ——该点的地质调查 ——海床的地形调查 ——地球物理调查，土壤钻孔并进行现场测试 ——土壤取样并进行随后的实验室测试 ——在采样处进行测试，例如锥形穿透试验(CPT) 6、现场的岩土调查包括取样做实验室分析和现场测试两部分，调查应该提供下 面所有重要土层的岩土资料类型: ——土壤分类和描述的资料; ——实施要求的分析类型之后提供剪切强度和变形特性; ——现场应力环境。 提供的土壤参数，应该覆盖所有的基础设计和细节要求，包括重要土层 的横向范围和这些土层中土壤特性的横向变化。 7、确定土壤的强度和变形特性的实验室测试，应该包括一系列不同类型的实验， 每种实验要重复多次，这样才能满足基础详细设计的需要。 2.8 其它环境条件 2.8.1 地震 1、风电场海域的地震活跃程度必须根据地震活动的历史记录，如地震发生的次 数和量级，以此来进行评定。 2、如果能够得到该地区地震活动的详细信息，那么该地区的地震条件由这些信 息来确定。 3、如果没有该地区地震活动的详细信息，那么地震条件的确定要根据详细的调 查，这包括地质历史的研究和该地区发生的地震。 4、如果某地区被定为地震活跃区并且风机受地震的影响，就需要做当地和该地 区地质评估以确定缺陷的位置和排列、震中和震源的距离、能量释放的机制 和震源到该地的衰减特征。应该考虑当地的土壤条件，某种程度上地震能够 影响到地面的运动。地震设计包括形成该地的地震设计标准，应该与认可的 工业操作相符合。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第9页 2.8.2 盐度 应该考虑海水的盐度对腐蚀的影响。 2.8.3 温度 1、高、低温度的极值表示成可能的最高值和最低值，各自有相应的重现期。 2、当描述温度环境时，空气和海水的温度都要考虑。 2.8.4 海生物的生长 1、海底的植物、动物和细菌引起水下和潮间带的结构部件上的海生物生长。潜 在的海生物生长必须得到重视。海生物增加结构构件的重量，还可能增加构 件上水的作用力。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第10页 3. 荷载及荷载组合 3.1 总则 1、该部分定义并详细叙述了在总体强度分析和局部设计中需考虑的荷载及荷载 组合情况。 2、风机和支撑结构至少要满足IEC61400-1(风涡轮发电机系统规范——第一部 分:安全要求)中给出的特定风工况的要求。 3.2 固定荷载 固定荷载是指平台适用期间，大小、位置或方向不会发生改变的荷载，如: ——平台结构在空气中的重量 ——永久安装在平台上的设备和附属结构 ——作用在结构上的静水力 3.3 活荷载 1、活荷载是指在与平台使用和正常操作有关的荷载，其大小、位置和方向会发 生改变。例如: ——人员的变化 ——起重机操作荷载 ——船舶撞击 ——与设备运行有关的荷载 ——可变的压舱物和设备荷载 ——存储的材料、设备、气体、液体和流体 ——救生艇 2、对于海上风机结构，活荷载包括: ——运动荷载(actuation loads) ——服务船只的撞击荷载 ——起重机操作荷载 3、运动载荷 运行载荷是由于风力发电机组的运行和控制产生的，可将它们分成若干 类。每一类都与风轮转数的控制有关，例如通过叶片或其他气动装置的变距 进行扭矩控制。运行载荷包括由风轮停转和启动，发电机接通和脱开引起的 传动链机械刹车和瞬态载荷，以及偏转载荷。 4、运行载荷通常认为是风荷载作用在风涡轮机上产生的荷载中一种。因此，在 该标准中，驱动荷载认为是环境风机荷载，不以独立的功能荷载出现在荷载 组合中。 5、船舶撞击荷载用于主要的支撑结构和基础的设计以及次重要结构物的设计中。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第11页 3.4 环境荷载 3.4.1 总则 1、环境荷载是指平台使用期间，大小、位置和方向会发生改变的自然因素引起 的荷载。包括: ——风机荷载 ——由波浪和流产生的水动力荷载，包括拖曳力和惯性力 ——地震荷载 ——流致涡激荷载 ——潮汐效应 ——海生物生长 ——雪、冰荷载 2、更加详细的信息请参考中华人民共和国石油天然气行业标准，“环境条件和环 境荷载标准”，SY/T 10050-2004。 3.4.2 风机荷载 1、风机运行荷载 风力发电机组运行时，其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结 构和传动机构作用在塔架顶端，因此，DNV规范规定，海上风电机组基础结 构设计应考虑风电机组的荷载。这部分荷载包括:风轮上的静风压引起的荷 载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组的 重力荷载等。 中华人民共和国机械工业部标准(JB/T10300-2001)对风力发电机组的荷 载计算做出了具体的规定: A.1 正常运行荷载 (1) 作用在风轮上的平均压力 p作用在风轮扫掠面积A上的平均压力由下式计算: H 12pCV,, rHFB2 式中:C=8/9; FB ρ——空气密度; V——额定风速。 r 代入系数值并经量纲转换后得: 2V2rp,(kN/m) H1800 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第12页 式中:V 的量纲为m/s。 r (2) 作用在塔架顶部的力为: FpA,XHH (3) 湍流、风斜流和塔尾流的影响 利用气动力距风轮中心的偏心距e 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的w 影响: 2wR e,w2Vr 式中:R——风轮半径; msw——任一方向风的极端风梯度，取w=0.25或风速梯度的1.5 倍m (二值中取较小值)。由于此偏心距而产生最大附加力矩为: MpAe,YHHw 或 MpAe,ZHHw MXH (4) 扭矩由最大输出功率P 确定: e1 Pe1 ,MXH,, 式中:ω——风轮转动角速度; η——发电机和增速器的总效率系数。 若无输出功率或总效率系数实际值时，则可假定单位风轮扫掠面积的输出功率为500W/m2及总效率系数η=0.7。 将η=0.7 及P(kW)代入得: e1 Pe1M,14 XHn 式中:n——风轮转速，r/min。 A.2 风机偏航荷载 风机偏航运动时，由于陀螺效应，偏航运转将引起作用在塔架顶部的陀螺力，这就是偏航荷载，对于偏航运动的不同阶段，该荷载分为启动荷载和匀速转动荷载。 (1)启转 当风机偏航时，偏航启动作用在塔架上的扭矩为: MpAe, ZTHw 在偏转运动开始时，除扭矩外，还作用有塔架顶端的横向力: ，Fme,,YTMM ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第13页 式中:——发电机和风轮的总质量; mM ——总质量的质心位置距塔架的距离; eM ，——偏航角加速度。 , (2)匀速偏转运动 如果装被动偏航系统的风力发电机组无合理加速时间数据可用，则可假定加速持续时间为1s。此外，要使用偏航系统的角速度。对于装主动偏航系统的风力发电机组，角速度通常很小，可不考虑此荷载情况。 在这些情况下，将作用下述荷载: 2 FZme,,,XTMM ， MZI,,,,YTB 式中:Z —— 叶片数量; —— 叶片相对风轮轴的惯性矩; IB ,——偏航角速度 、风在转子和塔架上产生的荷载应当加以考虑。风生荷载包括风直接产生的荷2 载以及由风机的运转和风激运动产生的间接荷载。直接风激荷载包括: ——空气动力轮机叶片荷载(在运转，停止、空闲，制动和启动时); ——塔架和发电机舱的气动阻力。 根据标准，在结构设计中，以下风荷载包括由风间接产生的荷载和风机工作产生的荷载。 ——叶片上的动力荷载。随着叶片的转动，该荷载随时间不断变化; ——由转动产生的地心引力和科里奥利力; ——偏转引起的回转力; ——风机的制动力。 3、以下因素在风荷载的定义中应当予以考虑: ——塔架的遮蔽、塔架的填塞物和漩涡脱落，即塔架的存在而产生的风紊流; ——一个风力涡轮机在另一个的后面产生的伴流效应，例如在风力发电场 中; ——与回转轴有关的风流方向偏离，例如偏航误差; ——转动样本，例如，由于轮机叶片切割漩涡，低频的气体紊乱将会变成高 频荷载; ——气体弹性效应，例如，涡轮机在一面的运动和与另一面的风场的相互作 用; ——叶片螺距的不同导致的空气动力的不平衡和转子质量的不平衡; ——风力涡轮机上控制系统的影响，例如，限制穿过叶片螺距上的极限荷载; ——气体的紊流和阵风; ——由停止导致的桨叶和边缘振动所引起的不稳定性应当避免; ——阻尼; ——风力涡轮机控制器。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第14页 3.4.3 风荷载 1、风速的选取 参考SY/T 10030,2004 2.3.2条款。 2、风力的计算 计算公式如下 12 FCAV ,,s2 式中:F——风力(N); 3,——空气的密度(kg/m); 2A——物体的迎风面积(m); V——风速(m/s); Cs——形状系数。 3、形状系数和遮蔽效应 参考SY/T 10030,2004 2.3.2e和2.3.2f条款。 3.4.4 波浪荷载 1、在波浪荷载的计算中，应根据水深、环境条件级结构形式采用合适的波浪理 论; 2、对于细长结构，如导管架结构构件和单桩结构，可用Morison方程求解波浪 力。 3、对于大尺度结构物，波浪运动因结构物的存在受到干扰，应当进行波浪绕射 分析以确定局部(压力)及整体波浪荷载。 4、作用在诸如浸没在水中的圆柱体等细长结构部分上的波浪力，可通过Morison 方程预测得到。在该方程中，作用在水深z处的竖直单元dz上的水平力表达 如下: 第一项是惯性力，第二项是拖曳力。C和C是拖曳力和惯性力系数，DDM ，x是圆柱体直径，ρ是水的密度，是水质点的水平速度，z由静水面处测量，z 轴向上。因此，在海底处，z=-d，水深为d。 5、作用于圆柱体上总的水平波浪力可由Morison方程沿高度z从-d到波浪顶端 的积分得到。 6、当结构物的尺寸接近波长时，如D>0.2λ，那么Morison方程不适用。惯性力 将占主导地位，可由绕射理论计算得到。 7、波浪容易在结构物所在地或其周围发生破碎，那么在结构设计中应当考虑破 碎波的波浪荷载。破碎波的波浪荷载取决于破碎波的类型。崩破波、卷破波 和激破波之间有区别。三种类型波浪的动力学不同。 8、在波浪荷载的计算中，可用增加结构构件外径的方法来考虑海生物的生长。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第15页 3.4.5 流荷载 1、单独流力的计算 1 , F,CDVVd2 2、与波浪同时出现 流速应与波浪的水质点速度矢量迭加，然后计算。 3、流致涡激振动 对暴露于流中的细长构件，应考虑周期性的漩涡脱落引起的涡激振动的影响。 3.4.6冰荷载 1、静冰力计算 海冰对结构的作用力取决于海冰的破坏形式，海冰的挤压破坏强度为弯曲破坏强度的3-4倍，因此，一般采用挤压破坏时的冰力作为设计冰荷载。各国学者提出了不同的静冰力计算公式，其中被普遍认可而且在海洋平台结构设计中广泛采用的冰力计算公式为Korzhavin-Afanasev公式(简称K-A公式)。 K-A公式表达的静冰力为 Fkdt,Im,sc tI,，51I式中:-嵌入系数，取值为 d , 桩柱形状系数，圆截面柱取0.9; m k , 桩柱与冰层的接触系数，一般取0.3; ,c, 冰块试样的极限抗压强度，Pa; d , 桩柱直径，; m , 冰层计算厚度，m。 t 2、动冰力的计算 动冰力的计算根据DNV规范DnV-OS-J101中建议的动冰力曲线，如下图所 TFF示。其中取的是静力计算得到的，为冰作用的周期，其影响条件是冰的0,10s LTLU,/U破坏长度和冰的漂移速度， 0,1iceice ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第16页 图3.1 DNV-J101建议的动冰力时程 图示动冰力时程的表达式如下: ,8F0,,，,,0.200.7FT,0.17T0.1, ,7F0,,,,,FFTTT(0.7)0.70.8 ,,,00.10.10.1T0.1, ,F00.3(0.8)0.8FTTT,,,,,00.10.10.1,,2T0.1, L DNV规范推荐了两种确定破坏长度的模型: 21D,,,,Dt/()LD (1)，其中是桩的外径，,是的函数，由图3.2中Wf2 ,确定，其中，是冰的弯曲强度，,是水的重度，为冰的计算厚度。 tfW ,图3.2 冰的破坏长度确定参数的确定 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第17页 0.2531,,Et2,, (2)，其中是冰的弹性模量，是冰的泊松比。 EvL,2,,,v12(1),W,, 以上两种模型都表明冰的破坏长度和冰的漂移速度是相互独立的。冰LUice的漂移速度根据所给环境资料取值。冰的破坏长度取值相对来说比较不确定，L 因此，在动力响应计算中要考虑范围相对比较广泛的冰周期，以保证结构在T0,1冰载荷作用下有足够的强度。 3、群桩上的冰力 但大面积冰层挤向平台时，应适当考虑群桩的遮蔽效应，后面的桩排应 乘以折减系数。 4、对在寒冷地区的平台，应参考API RP2N确定冰荷载。 3.4.7 地震荷载 1、当风机设计的场所可能发生地震时，结构应当设计成具有抵抗地震荷载的能 力。 2、当风机建在易发生地震引发海啸的地带，那么海啸对结构的荷载效应也应当 加以考虑。 3.5 荷载组合 3.5.1 荷载组合的原则 1. 根据应用海域的具体环境条件，对实际有可能出现的各种荷载，应按照最不 利情况进行组合。 2. 在荷载组合过程中，应考虑荷载组合的合理性和可能性。 3. 对受水位影响的荷载，必须把水位作为一个组合条件考虑。 3.5.2 荷载组合 1. DNV-OS-J101推荐的荷载组合 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第18页 表3.1 DNV荷载组合 定义相关荷载效应特征荷载值的环境荷载类型和重现期 极限荷载 风 浪 流 冰 水位 荷载联合 50年一遇 5年一遇 5年一遇 50年一遇 1 5年一遇 50年一遇 5年一遇 50年一遇 2 最终极 限状态 5年一遇 5年一遇 50年一遇 50年一遇 3 50年一遇 5年一遇 50年一遇 平均水位 4 注:最终极限状态下，风机处于停转状态。 2 我国海域的荷载组合 针对我国渤海和南海海域，极端环境条件下的荷载组合工况见表3.2。 表3.2 渤海和南海极端工况荷载组合 组合工况 风 浪 流 冰 50年一遇 50年一遇 50年一遇 1 渤海 10年一遇 10年一遇 50年一遇 2 南海 100年一遇 100年一遇 100年一遇 对于风机正常运转的情况下，在我国渤海和南海海域，可以采用以下的荷载组合形式，如表3.3所示。 表3.3 渤海和南海操作工况荷载组合 组合工况 风 浪 流 冰 风机运转 10年一遇 10年一遇 1 渤海 风机运转 10年一遇 10年一遇 2 南海 风机运转 10年一遇 10年一遇 3、每次对包含风荷载效应贡献的荷载联合进行研究时，应当根据风机的两种不同状况假定来分析: ——运转中的风机; ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第19页 ——停止状态(空转和静止)。 设计时应当使用相应两种分析结果的最大荷载效应。 3.5.3 瞬态荷载情况 1、来自风机运转和控制产生的激励荷载会产生瞬态风荷载。以下情况会产生瞬 态荷载，应当加以考虑: ——从停止或闲置状态下的启动; ——正常关闭; ——紧急关闭; ——正常故障事件:控制系统的故障及电力网络连接的损失; ——非正常故障事件:保护系统和电力系统故障; ——偏航。 2、特征瞬态风荷载效应计算为10分钟周期的最大荷载效应，在该周期内，风强 度取在切入和切出风速范围内最不利10分钟平均风速。为了确定临界风速， 例如，在瞬态荷载中产生最严重荷载的风速，则应当考虑阵风、湍流、风向 变化、风剪切、故障时间和梯度损失等因素。 3、特征瞬态风荷载效应应当与10年一遇的波浪荷载效应联系起来。该联合可根 据线性联合模式起作用，线性联合值可通过独立计算的特征波浪荷载效应和 风荷载效应计算设计荷载效应。该联合可通过时间域内结构分析的特征联合 荷载效应的模拟来实现，该时间域同时适用于风荷载和波浪荷载的模拟时间 列。当瞬时风荷载与波浪荷载相联合时，应当考虑它们之间的不一致性。对 于非轴对称支撑结构，应当假定最不利风荷载方向和波浪荷载方向。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第20页 4. 钢结构设计 4.1 总则 1、本章对风电机组基础结构中钢质圆管构件的设计作了规定，适用于钢材屈服2强度σ<420N/mm，构件径厚比D/t<120的圆管构件，局部屈曲公式的有效s 范围是D/t<300，但厚度t?6mm。许用应力应按照本章规定。 2、风电机组基础结构应安全可靠，防止施工及使用的各个阶段(建造、运输、安 装、调试、作业、检修、改造和回收等)由于结构破坏而造成生命、财产损失 和环境污染。 3、结构设计时应满足构件的强度、稳定和疲劳要求，同时还应避免构件产生过 大的变形和振动。 4、钢结构采用许用应力法设计。 4.2 许用应力 4.2.1 许用应力的规定 1、在工作环境条件及施工条件下，构件材料的许用应力应按表4.2.1规定。 表4.2.1 许用应力 应力种类 许用应力符号 2N/mm 抗拉、抗压、抗弯 [σ] 0.6σ s 抗剪 [τ] 0.4σ s 承压面(磨平) [σ] 0.9σ ds 2注: σ钢材屈服强度,N/mm。 s- 2、在工作环境条件下，对接焊缝的许用应力等于母材的许用应力。填角焊缝的 抗拉、抗压、抗剪的许用应力均取0.4σs。 4.2.2 许用应力值的提高 在极端环境条件下，各种荷载组合后的构件许用应力可在表4.2.1的规定值基础上提高1/3;但计算所得截面，不得小于按照工作环境条件计算的截面。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第21页 4.3 组合应力 1、对于风电机组基础结构尤其是塔架，由于风机荷载的存在，其应力组合不同 于一般的平台，需要考虑以下不同应力的组合: (1)双向弯曲 (2)轴向压缩与双向弯曲 2、在水深较大时还要考虑静水压力的影响，应力组合为: (1)双向弯曲与静水压力 (2)轴向压缩、双向弯曲与静水压力 4.4 圆管构件的强度 风电机组基础结构的构件在设计荷载作用下，应具有足够的强度。圆管构件的强度要求和计算公式见表4.4.1。 表4.4.1 计算应力种类 构件受力情况 计算公式(MPa) N ,,,,,,轴向受拉或受压 xA M ,,,,,1.1,在一个平面内受弯 xW 轴向受拉或受压并在一个平面内NM ,,,,,0.9,,轴向应力σ xxAW受弯 22M，MXY 在两个平面内受弯 ,,,,,1.1,xW 22轴向受拉或受压并在两个平面内M，MNXY ,,,,,0.9,,x受弯 AW pD5 ,,,,,,环向应力σ 周围静水压力 yy2t6 2Q ,,,,,,受剪 Dt, 2T ,,,,,,剪应力τ 受扭 2Dt, 2T,,22 ,,,,Q，Q，,,受剪和受扭 ,,xyDtD,,, 22,,,,,，3,,,轴向应力和剪应力 x 折算应力σ 222 ,,,,,，,,,,，3,,,轴向应力、环向应力和剪应力 xyxy 表中:N——计算截面的轴向力，N; ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第22页 M——计算截面的弯矩,N?mm; Mx、My——计算截面分别绕x轴和y轴的弯矩，N?mm; Q——计算截面的剪力，N; Q、Q——计算截面沿x轴和y轴的剪力，N; xy T——计算截面的扭矩,N?mm; p——设计静水压力，MPa; D——圆管平均直径，mm; t——圆管壁厚，mm; 2A——圆管截面积，mm; 3W——圆管截面的剖面模数，mm; 2Q——计算截面最大轴向应力，N/mm; x2Q——计算截面环向应力，N/mm; y2τ——计算截面剪应力， N/mm。 4.5构件的稳定性 4.5.1 一般要求 1、风电机组基础结构的每个构件，在工作及极端环境条件的荷载作用下，都应 具有整体和局部稳定性。 2、无加筋圆管,其几何参数应符合下式规定: L/D,1.13D/t 式中:L——结点或加强环之间的圆管长度,mm; D——圆管平均直径,mm; T——圆管壁厚,mm。 Ir起加强环作用的环筋,其剖面惯性矩应满足下式要求: 2tLD4,,I mm rhe8E 4.5.2 圆管构件的许用长细比 ,1、长细比由下式确定: Kl,, r 式中:K——计算长度系数，按下表确定; l——构件长度,定为结点中心间距离,mm; r——构件的回转半径，mm;对于圆管取0.35D。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第23页 表4.5.1 构件 计算长度 导管架腿柱与桩 灌水泥浆的组合截面 1 不灌水泥浆的导管架腿柱 1 垫片间不灌浆的桩 1 导管架撑杆 主斜撑 0.8 K型斜撑 0.8 X型斜撑 0.9 次要水平撑杆 0.7 注:对于K型和X型撑杆,如平面无支撑,在结点上至少要有一对构件受拉,否则取K=1 2、导管架受压构件的长细比,一般应不超过200。 4.5.3 无加筋圆管构件的轴向曲线 1、局部屈曲临界应力 无加筋圆管当其径厚比D/t>60时，在轴向压力或弯矩作用下，应考虑管 壁的局部屈曲而引起的失稳。 当圆管的径厚比D/t>300，且t?6mm时,通常为非弹性局部屈曲，而在残 余应力及初始缺陷影响较大时，特别是对于高强度钢,也可能在弹性范围内产 生局部屈曲。 (1)弹性屈曲时，其弹性局部屈曲临界应力为: ,xe 2，， N/mm ,,0.6Et/Dxe 2式中:E——弹性模量，N/mm。 (2)非弹性屈曲时，其非弹性局部屈曲临界应力,为: xc 2,,k,,, N/mm xcsxe 式中:k——局部稳定系数，按下式计算: 4k,1.64,0.23D/t 式中:D——圆管公称直径，mm; t——圆管壁厚，mm。 2、整体临界应力 无加筋圆管构件,在轴向压力作用下，其稳定性由整体屈曲临界应力控制， 可按下式验算整体稳定性: N2,,,,,,,,, N/mm scA 式中:N——轴向压力，N; 2A——圆管截面积，N/mm; ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第24页 ——钢材屈服强度，在本式中当圆管D/t>60时，应以局部屈曲临界应力,s2(或,取小者)替代，N/mm; ,,,xexcs2——许用屈曲临界应力，N/mm。 ,,,c ——整体稳定系数，由下式决定: , 2,1,0.250,当时, ,,,2031.67，0.265,,0.044,00 1,当时, ,,,2021.92,0 ,,式中: ,0,s ,——构件的长细比; ——构件整体屈曲的临界应力等于钢材屈服强度的长细比,按下式计算: ,s 2,E,,s,s Kl,0.9s,对于圆管，可取。 ,0DE 4.5.4 无加筋圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲 无加筋圆管构件在弯矩作用下，当D/t〉60时，可能产生局部屈曲，应按下 式验算其弯曲应力: M2,, N/mm ,,,1.1k,W 式中:M——构件的最大弯矩，N?mm; 3W——截面的剖面模数，mm;对于圆管可取: 2D,W,t 4 k——局部稳定系数。 4.5.5 轴向压力和弯矩联合作用的稳定性 1、无加筋圆管受轴向压力和弯矩的联合作用时,应满足下式要求: 22,MM，N2xy N/mm ,,,,，1.5,,cAW 式中:N——轴向应力，N; M、M——计算截面绕x轴和y轴的弯矩，N?mm; xy2A——圆管截面积，mm; 3W——圆管截面的剖面模数，mm; ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第25页 ——整体稳定系数。 , 2、钢管桩一般可不进行整体稳定性计算，但受横向荷载作用的桩，同时又有很 大的轴向力作用时，在计算中要考虑荷载位移(P—)效应，可将桩模拟为非, 线性弹性基础上梁进行内力分析。 当D/t〉60时，应按下式验算局部稳定性: 22M，M2Nxy N/mm ,,,,,0.9,,xAW 4.5.6 静水中无加筋圆管构件的稳定性计算 1、圆管在外水压力作用下产生的环向压应力,应不超过环向的许用应力: ,,,,hh ,pD2hc N/mm ,,,,,,,hh2tkh 式中:p——设计静水压力，MPa; ——环向屈曲安全系数;工作环境条件，=2.0;极端环境条件，kkhh =1.5; kh 2——环向屈曲临界应力，N/mm。 ,hc 无加筋圆管构件如满足规定的圆度公差，环向屈曲临界应力可由下列,hc 步骤确定: ,he?按下式计算弹性环向屈曲应力: 2t,,2 N/mm ,,0.9E,,heD,, ,hc?确定环向屈曲临界应力: 2,,0.5,,,当时，= N/mm hehhche 20.5,,,,2,,,0.4,，0.2,当时， N/mm sheshcshe 2、当轴向拉力和外水压力共同作用时，圆管构件应满足下列公式: 22,,,,,,,,xhxh,,，，0.6,,1.0,, ,,,,,,,,,,,,,,,,hh,, ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第26页 2式中:，N/mm; ,,,，,,0.5,xabh 2其中:——轴向应力的绝对值，N/mm; ,a 2——弯曲应力的绝对值，N/mm; ,b 2——环向应力的绝对值，N/mm。 ,h 3、承受轴向压力和外水压力共同作用的无加筋圆管构件，在下述两个环境条件 下，应同时满足公式要求: (1)工作环境条件: 2,,,,,4,2xheh ,,，,1.0,,2,,,,xehehe,, ,2x ,1.0,xc ,2h ,1.0,hc 2式中:，N/mm。 ,,,，,,0.5,xabh (2)极端环境条件: 2,,,,,3,1.5xheh,, ，,1.0,,2,,,,xehehe,, ,1.5x ,1.0,xc ,1.5h ,1.0,hc ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第27页 5. 桩基础设计 5.1 一般规定 1、为确保风电机组基础结构在工作环境条件下能正常工作，在极端环境条件下 具有一定的安全度，应对桩体结构的强度和稳定性以及桩基承载力进行分析 验算。此外，桩基础设计还应包括打桩过程中的桩体强度校核，以及桩可打 入性分析。桩基础应能承受静力的、循环的和瞬时的荷载而不致产生过大的 变形或振动。应特别注意循环荷载对支撑土壤强度的影响以及对桩结构动力 响应的影响。 2、应调查海底相对于基础构件产生位移的可能性，应预估此位移引起的作用力， 并在基础设计中加以考虑。 3、由于海流和波浪作用引起的海床冲刷可能严重影响桩基轴向和横向支承能力， 应对风电机组基础结构所在海域的海床冲刷情况进行调查,如有冲刷现象，则 设计时应加以考虑。 4、在基础施工过程中，由于达不到设计要求需要采取的可能补救措施应在施工 前进行研究并做出规定。 5.2 桩体壁厚的确定 钢管桩壁厚是由桩体强度和稳定性要求与腐蚀裕量所决定，同时尚应考虑施工方面的要求，并不得小于规定的最小厚度t。 钢管桩的最小壁厚t按下式计算: t=6.35+D/100 mm 式中:D---桩径，mm。 5.3 桩体分段的确定 确定桩体的分段长度时，应考虑起吊能力、打桩工艺、打桩时桩体强度、刚度和稳定性、现场焊接条件以及土质情况等因素。 5.4 桩体的构造要求 1、在桩顶和桩尖处,一个桩径长度范围内的桩壁厚度,必要时应加厚最小壁厚的 1.5倍。 2、钢管桩在泥面处厚壁段的上下均应留有适当富裕长度，以适应桩体实际入土 的深度的变化。每一桩段应留有1m左右的余量，以备因锤击损伤后，将此 长度割去。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第28页 3、桩体与导管(或套管)之间的环形空间，一般宜用水泥浆充填，以实现钢桩 与导管(或套管)之间的荷载传递。应该设置定位块在桩和其周围结构之间 保持一个均匀的环行空间。为封闭水泥浆应使用封隔器，并提供正确地将水 泥浆灌入环行空间的方法。在具有软弱的海底泥土的地方，应考虑采用封闭 器或其它方法尽量避免泥土侵入环行空间。 5.5 横向荷载下桩基计算 1、横向荷载作用下桩的内力及变形，一般可以通过求解桩轴挠曲的微分方程或 用有限元法得到。计算中宜考虑土的非线性特性及泥面冲刷、滑移和沉桩对 土体扰动的影响等因素。 2、桩侧土抗力P应按下式计算求得: 2P=-Ey N/mm s3式中:E——计算点的土抗力模量,MN/m，其值随土质、深度和位移而变; s y——计算点的桩侧位移，mm。 3、土抗力模量 桩在横向荷载作用下，其侧向位移较小时可不考虑土的非线性特性，按 一般公认的线性假定确定土抗力模量。 横向荷载下桩的计算，考虑土的非线性时，宜以计算点的P-y曲线为依 据，取其割线斜率作为土抗力模量。 5.6 P-y曲线 1、P-y曲线的线型与土质、深度及荷载性质等有关。一般应根据现场或室内试 验资料的分析结果绘制。缺乏资料时，可以参考使用本节所附P-y曲线。 2、砂性土的P-y曲线 砂性土分为浅层土和深层土，浅层土和深层土的极限土抗力转折点深度 X按下式计算: R CCD，，,32 mm X,RC1 式中:C、C、C——系数，以为参数; ,123 ——砂性土内摩擦角，deg; , D——外径，mm。 当x96KPa)比软粘土脆性更大，工程中应以实际试验资料绘制P-y 曲线为准，文献中的P-y曲线经验证后方可采用。 5.7 桩的轴向承载力 5.7.1 一般要求 确定桩的轴向承载力有下列几种方法: (1) 现场试桩; (2) 静力公式; (3) 桩的动力公式(基于波传播理论的公式); (4) 地区性的半经验公式。 桩基设计可用上述方法确定承载力，但动力公式不能单独使用，最好是用几种方法综合确定。 5.7.2 受压桩的极限承载力 1、受压桩的极限承载力Q可用下式计算: d Q,Q，Q,fA，qAKN ,dfpisip 式中:Q——桩侧摩阻力，kN; f Q——总的桩尖阻力(应不大于土塞承载力)，kN; p f——第i层土的单位面积侧摩阻力，KPa; i2A——第i层土中的桩侧面积，m; si Q——单位面积桩尖阻力，KPa; 2A——桩尖毛面积，m。 p 2、粘性土中桩的单位面积侧摩阻力f和单位面积桩尖阻力q按下列选取: (1) 粘性土中桩的单位面积侧摩阻力f可按下式计算: f=ac KPa 式中:a——系数，a?1.0; c——不排水抗剪强度，KPa。 系数a可按下式计算: 当,,1.0时，a,0.5,,0.5 当,,1.0时，a,0.5,,0.25 ,,c/p式中: 0 p——有效上复压力，KPa。 0 (2) 粘性土中桩的单位面积桩尖阻力q取桩尖处土的不排水抗剪强度c的9 倍。 3、砂性土中的单位面积侧摩阻力f和单位面积桩尖阻力q按下列选取: ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第30页 (1) 砂性土中的单位面积侧摩阻力f可按下式计算: f,kptg,00 式中:k——土层的侧压力系数，一般为0.5~1.0; 0 p——有效上复压力，Kpa; 0 ,——桩土间摩擦角(度)。 (2) 砂性土中的单位面积桩尖阻力q可按下式计算: q,pN0q 式中:N——阻力系数，可参考表5.7.1选用。 q 表5.7.1 砂土类型 内摩擦角Φ 桩土摩擦角δ N q 砂 35º 30º 40 粉质砂土 30º 25º 20 砂质粉土 25º 20º 12 粉土 20º 15º 8 注:此表值用于中密——密实的砂性土。 (3) 计算砂性土中的单位面积侧摩阻力f和单位面积桩尖阻力q时，应考虑 土质及埋深等情况，并应符合下列条件: f?100KPa及q?10MPa 4、用静力公式确定桩的极限承载力时，尚应考虑桩和土塞的重量及浮力的影响。 5、在分层土中,当与桩尖所处土层相邻近的土层是松土层时，则桩尖在所处土层 中的贯入深度应为2~3倍桩径，并且桩尖离该土层底线约3倍桩径，以防桩 尖刺入软土层。如果达不到上述距离要求，则对桩尖阻力应作修正。 5.7.3 受拉桩的极限抗拔力计算 1、计算受拉桩的极限抗拔力时，一般假定桩尖阻力为零，且可考虑桩体有效重 量的影响。 2、粘性土中抗拔桩的单位面积侧摩阻力。 3、砂性土中抗拔桩的单位面积侧摩阻力小于受压桩的值。 5.7.4 安全系数 1、桩基的容许承载力为极限承载力除以安全系数。所用安全系数应符合表5.7.2 规定。 表5.7.2 设计环境条件 荷载情况 安全系数K 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最大工作环境条件 2.0 活荷载 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第31页 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最小 活荷载 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最大 活荷载 极端环境条件 1.5 风电机组基础结构上固定荷载加相应的最小 活荷载 5.8 群桩效应 5.8.1 一般要求 当桩间距小于8倍桩径时，应考虑群桩效应。 5.8.2 对横向承载力的影响 1、当群桩中的桩距小于8倍桩径时，横向荷载作用下的荷载—变形关系应考虑 群桩效应的影响。 、对于埋置于粘性土或无粘性土中的桩，在正常情况下，群桩的变形要大于单2 桩承受群桩平均荷载时的变形。影响群桩变形和荷载分布的主要因素包括桩 的间距、桩的贯入深度与桩径之比、桩相对于土壤的柔性、群桩的尺寸以及 土壤的剪切强度、刚度模量等因素随深度的变化。 5.8.3 对轴向承载力的影响 对于粘性土中的群桩，当桩距小于8倍桩径时，应考虑群桩效应对承载力及变形特性的影响。在砂性土中，可不考虑群桩效应对承载力的影响。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第32页 6. 钢材料 6.1总则 本章主要介绍在海洋钢结构的设计和建造中钢材的选择和检验原则。 6.2设计温度 1、设计温度作为钢材等级选择依据的参考温度。设计温度应当根据最低日平均 温度确定。 2、所有局部低温冷藏或其他低温环境降低工作温度的地方，应当考虑这些因素 对最小设计温度的影响。 3、漂浮装置的设计温度不应超过不同结构部分定义的钢材最小工作温度。 4、最低水线以上的外部结构应按照与装置运行处的最低日平均温度相同的工作 温度进行设计。 5、对于不同结构构件，设计温度的详细规定将在结构标准中给出。 、最低水线以下的结构不需要按照0?以下的工作温度进行设计。如果有足够6 的依据可以表明最低平均温度适用于相应的实际水深，可采用较高的工作温 度。 7、位长期供暖房间的内部结构不需要按照0?以下的工作温度进行设计。 8、对于固定装置，最低天文潮以上的结构材料应按照低于最低日平均温度的工 作温度进行设计。 9、最低天文潮以下的结构材料不需要按照0?以下的工作温度进行设计。如果 有足够的依据可以表明最低平均温度适用于相应的实际水深，可采用较高的 工作温度。 6.3结构分类 1、结构分类的目的，是确保有足够的材料强度和合适的检验方法来避免脆性断 裂，检验的目的也是消除在结构服役内中可能造成疲劳裂纹的缺陷。 2、构件根据以下标准划分结构类别: ——根据破坏后果确定构件的重要性。 ——和可能存在的焊接缺陷或疲劳裂纹一起引起脆性断裂的构件应力状态。 3、用于材料选择的结构分类应当按照表6.3.1给出的原则确定。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第33页 1) 表6.3.1 材料选择的分类 结构分类 结构分类的原则 破坏后产生严重后果且处于可能增加脆性断裂的特殊结构 2) 应力状态的结构部分 主要结构 破坏后产生严重后果的结构部分 次要结构 破坏后不会产生严重后果的结构部分 1)结构分类的决定因素示例在第一章的表格B1所列结构标准中给出 2)复杂节点处于二维或三维应力状态，当存在缺陷、低断裂韧性的材料及拉应力时会造成脆性断裂 4、对应结构分类的相关检验分类列于表6.3.2。 表6.3.2检验分类 检验等级 结构等级 ? 特殊结构 ? 主要结构 III 次要结构 5、两构件之间的焊接应根据两构件中高等级的来确定焊接类别。对于加强板， 在加筋件，纵梁和与板连接的梁腹板之间的焊缝要按照检验分类中III检验。 6、如果通过试验可以评估建造的质量，或者如果根据已有经验保证好的质量， 则对于主要结构构件的检测内容可以减少，但检验内容不能少于III类检测 标准。 、在主要和次要结构类别中疲劳控制的构件要按照I级检测标准进行检验。 7 8、在施工期间，疲劳控制区域的焊缝如果检测与维修无法接近，应按照建设阶 段的I级检测标准进行检验。 6.4结构用钢 1、钢材等级的后续要求取决于板厚，这些要求以建造时的名义厚度为基础。 2、 结构构件的钢材等级的选择应当满足构件的计算应力和韧性要求。通过 Charpy的 V形缺口试验得到的韧性取决于设计温度、结构分类和构件厚度。 3、特殊情况下，材料的韧性也可以通过断裂力学试验进行确定。 4、在结构相交节点处，存在垂直板材平面的高拉应力，板材应通过试验证明有 抵抗层状撕裂的能力，Z向特性。 5、每一个强度分组都包含两种钢材等级: —普通焊接性钢材 —改良焊接性钢材 这两种钢材等级的应用是相同的。但是改良焊接性钢材的化学成分更低， 焊接性更好，焊接后可进一步降低韧性。这些等级的最小屈服应力为500 2N/mm 。 6、设计时选择钢材可以高于最低要求，但不应在施工时要求更严。 7、在任何情况下，采用厚度小于10mm或0?以上设计温度的钢材都需要特别 注意。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第34页 7. 结构分析计算 7.1 总则 1、结构总体分析应建立一个与实际结构等效的计算模型，要考虑结构与周围介 质之间的相互作用。并应注意海底冲刷的变化情况。 2、计算内力时通常采用三维计算模型。 3、总体分析包括静力分析和动力分析，以静力分析的结果为设计依据，如有下 列情况之一时要进行动力分析，作为静力分析的补充和校核。 2(1)当地面运动加速度大于或等于0.98m/s, 应作地震响应的总体分析。 (2)当风电基础结构受冰载时，要注意冰荷载的动力影响。 (3)凡冲击性荷载频率接近于风电基础结构固有频率，且使用结构产生重大 动力响应时，应作动力分析; (4)当风电基础结构的固有频率接近所在海域中具有主要能量的波分量频率 时，应作动力分析。 4、应考虑由交变应力引起的疲劳问题。 7.2 结构建模 7.2.1坐标系 一般采用右手直角坐标系建立模型，水平方向为X、Y轴，Z轴数值向上，坐标原点可以根据结构的对称性来选取。 7.2.2 材料特性 1、一个模型中要用到不同的材料，要检查以确保材料的分配正确。 2、建议统一用国际单位来设置材料的特性参数。 7.2.3 单元类型 1、应采用合适的单元来进行结构不同构件的模拟，一般选取梁单元来模拟桩腿、 导管架等，采用板壳单元模拟甲板，而实体单元用来模拟细部构件。 2、准确几何结构的实体单元可以模拟到想要的自由度。然而，这就意味着此种 单元含有大量的节点和单元数，计算时间将很长。大多数的实体单元每个节 点都有3个自由度，实体模型的网格化将划分的比梁或壳单元更密。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第35页 7.2.4桩土相互作用 1、模型应用的边界条件越接近实际越好。在建模时应采用合理的桩土相互作用 模型来模拟基础的作用，分析中可以采用P-Y、T-z等曲线来模拟侧向、轴向 承载力。 2、应考虑海底冲刷对结构承载力的影响。 7.3 静强度分析 7.3.1 目的 静力分析的目的是求得在静力作用下结构各结点的位移和构件的内力，用以校核风电基础结构的强度和刚度。 7.3.2 结构计算模型 1、风电基础结构通常可模拟为具有梁单元的空间结构。 2、凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横剖面性质突出点、桩与设计泥面交 接点一般应设结点，设计泥面以下如设若干弹簧支点也应为结点。 3、确定结构计算模型时，对结构总体刚度有重大影响的一切构件均应予以考虑。 4、附属件如立管、扶梯、靠船构件等在结构整体分析中通常不予考虑。 5、考虑导管架结构的边界条件时，应注意以下几点: (1)导管架下部的边界条件应考虑桩与土之间的相互作用，宜考虑土壤的非 线性影响。 )当桩的横向位移较小时，可按线性近似分析，即桩侧横向土抗力应按下(2 式计算: p,,E(x)y kPa s 式中:p——桩侧横向土抗力，mm; 3E(x) ——土抗力模量，MN/m, 为桩某点深度的函数。 xs (3)为简化计算，初步设计时，可将桩的下部模拟为一刚性固定端，刚性固 定端位于设计泥面垂直以下T(m)处。设计泥面的位置在自然泥面下的距离 应按地质条件决定。T值可按下列经验公式确定: 对淤泥 T=(7~8.5)D，m; 对硬粘土 T=(3.5~4.5)D，m; 缺乏土壤资料时 T=6D，m。 式中: D——桩外径，m。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第36页 7.3.3 静力分析评价 1、许用应力和稳定性要求可参照SY/T 10030-2004中的有关规定。 2、静力分析需要对管节点进行校核，以保证节点处构件的连接具有足够的强度。 7.4 动力分析 7.4.1 目的 动力分析的目的在于确定风电基础结构的振动特性和结构的动力响应，以校核风电基础结构在动力荷载作用下的强度和刚度。 7.4.2 计算模型 1、对结构总体动力分析有重大影响的一切构件均应予以考虑，并应注意非结构 构件(如隔水套管)所产生的影响。 、建立计算模型时，应考虑结构的复杂性和分析的目的与内容。如为确定构件2 的内力，需用与静力分析同样的计算模型。如为确定构件的运动(例如计算 地震响应时)，可用一个反映结构整体动力特性的简化模型。 3、总体动力分析时，结构的局部振动可以忽略。 4、计算动力荷载时，风电基础结构本身运动引起的阻力一般可以忽略。 5、冰的积聚和海生物的应予以考虑。 6、各构件的自身质量、构件内部可能有的质量以及附加质量可堆聚在各个结点 或几个关键结点上，具体计算时，一般可略去单元的转动惯量，有时也可略 去非主振方向的质量，以简化质量矩阵为对角阵。 7、甲板上荷载的质量分布可能在一定范围内变化，应对最不利条件予以考虑。 8、对风电基础结构的各个振型建议取0.020~0.050。 7.4.3 自由振动 在自由振动时，阻尼项可略去不计，求得的圆频率ω和相应的振型的个数应能保证振型分析中的精度需要。 7.4.4 结构响应的确定 1、结构响应的确定可用时域分析法和频域分析法。 2、随机荷载引起的结构响应可用频谱分析法，求得响应的统计值。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第37页 7.4.5 风机高耸结构的动力分析 1、对风电基础结构这样的高耸结构，必须进行动力分析，在分析时，要考虑阵 风的动力响应。 2、对风机结构，还应考虑甲板加速度的影响。 7.5 地震响应分析 1、地震响应分析可采用地震响应谱或时程法进行分析。 2、根据所给的地震荷载，对风电基础结构最不利的主轴方向取荷载的100%，对 与此主轴相垂直的水平方向取70%，对与水平面垂直的方向取50%，用这三 个方向的地震引起的惯性力与固定荷载和相应的活荷载相组合，同时作用在 结构上，作为静力问题对风电基础结构进行分析。 7.6 疲劳分析 7.6.1 一般要求 1、海上平台结构应考虑交变荷载作用下的疲劳效应。疲劳分析通常包括简化分 析和详细分析两种方法。 2、对于有海生物严重附着的导管架，必须考虑由于海生物所增大的波浪作用对 管结点的疲劳影响。 7.6.2 简化的疲劳分析 1、对于自振周期低于3s、水深小于122m、韧性钢材建造的超静定结构框架， 其管结点可用简化的疲劳分析方法。 2、具体计算方法和有关规定可以参考SY/T 10030-2004中的有关规定。 7.6.3 详细的疲劳分析 1、对于自振周期大于3s或水深大于122m，或结构类型的不同，或采用屈服强 度大于360N/mm2强度钢材的导管架平台，或者波浪循环荷载的长期分布较 严重海域内的平台都应进行详细的疲劳分析。 2、具体计算方法和有关规定可以参考SY/T 10030-2004中的有关规定。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第38页 8. 防腐 8.1 总则 8.1.1 适用范围 1、本章规定适用于风电基础结构内外表面的防腐。 8.1.2 定义 1、飞溅区:平台在潮汐和波浪作用下干湿交替的区间。飞溅区的范围为自最高 天文潮位以上波高(为50年一遇的平均波高)的2/3，至最低天文潮位以下波 高的1/3。 2、大气区:平台在飞溅区以上的部分。 、全浸区:平台在飞溅区以下包括插入土中的部分。 3 4、腐蚀裕量:在设计强度以外，为补偿腐蚀损耗而增加的构件厚度。 8.1.3 防腐系统 1、防腐系统应根据风电基础结构的环境条件、结构部位、使用年限、施工和维 护的可能以及技术经济效果等因素确定。 2、大气区的风电基础结构及有关设备外表面，应采用涂层保护;结构形状复杂， 难于采用涂层保护时，可采用镀层保护。 3、飞溅区的结构，应采用特种防腐系统加以保护。 4、全浸区的结构，应采用阴极保护，也可同时采用阴极保护和涂层保护。风电 基础结构对阴极保护的电流有屏蔽作用时，屏蔽区应采取专门的防腐措施。 5、飞溅区和全浸区的风电基础结构除采用上述防腐措施外，其结构设计还应考 虑适当的腐蚀裕量，结构腐蚀裕量应根据结构设计使用年限，钢材年平均腐 蚀量以及防腐系统的保护效率来确定。 6、在无法确定上述参数时，对于使用年限为n年的风电基础结构，建议其全浸区 结构的腐蚀裕量不小于n/15(mm)，飞溅区结构的腐蚀裕量不小于n/3(mm)。 8.2涂层与镀层保护 8.2.1 表面处理 1、所有采用涂层保护的钢结构，其表面在涂装前应进行抛(喷)丸(或其他磨____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第39页 料)除锈，抛(喷)丸除锈不到的部位，应进行手工除锈。 2、涂有保养底漆的钢材，在风电基础结构建造过程中，底漆损伤的部位，应重 新除锈。 8.2.2 涂料 1、风电基础结构的涂层应由底漆和面漆(包括中间层漆)组成。各层涂料之间 应能相互配套。 2、风电基础结构用的底漆可为富锌底漆、磷化底漆或高性能防锈底漆;大气区 风电基础结构或设备用的面漆可为环氧树脂、氯化橡胶、乙烯树脂、聚氯酯 或丙烯酸树脂涂料;飞溅区或全浸区结构用的面漆可为氯化橡胶、环氧树脂 或环氧沥青涂料，也可用其他类型的底漆和面漆。 3、全浸区结构用涂料，应进行涂膜耐阴极保护性能试验。 8.2.3 涂装 1、风电基础结构的涂装可采用高压无气喷涂，也可采用刷涂、滚涂、压缩空气 喷涂的涂装方式。 2、底漆应在表面处理之后尽快涂装。各道涂层的涂装间隔时间应符合产品使用 说明书的要求，以便既确保每道涂层有足够的固化、干燥时间，同时又保证 层次间具有良好的附着力。 8.2.4 镀层 1、用于保护风电基础结构或设备的镀层，可以为阴极性镀层或阳极性镀层。结 构或设备表面的镀覆可采用电镀、热浸镀、热喷镀的方法。 2、镀前表面处理、镀覆中和镀后处理应符合有关工艺技术条件的规定。 3、接触海水、水泥浆、钻井泥浆等侵蚀性介质的风电基础结构或设备表面，一 般不宜采用锌镀层保护。如采用锌镀层保护，则在镀层表面应涂装专门的底 漆和面漆。 8.3 阴极保护 8.3.1 一般要求 1、本节规定仅适用于风电基础结构全浸区结构(包括泥下部分)的外表面的防 腐。对于结构内部浸水表面阴极保护的设计，应根据具体的环境和结构参数 考虑。 2、风电基础结构的阴极保护可采用牺牲阳极法、外加电流法，或两种方法的组 合。 3、阴极保护可以和涂层联合使用，以降低保护电流密度和改善电流分布状况。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第40页 8.3.2 阴极保护的设计 1、风电基础结构阴极保护系统的设计，应考虑下列因素: (1)风电基础结构的几何形状; (2)相邻结构的情况; (3)修理和维护的可能; (4)风电基础结构使用年限; (5)涂层状况。 2、设计阴极保护时，应考虑风电基础结构所在海区环境条件的下列因素: (1)海水的化学成分; (2)电阻率; (3)水温范围; (4)含氧量; (5)流速; (6)淡水迳流特性; (7)污染情况; (8)生物作用。 3、通常有三个保护电流密度最小值要求，即初始值、平均值和最终值。初始电 流密度用来确定新阳极应有的电流输出量。最终电流密度是当阳极消耗至规 定的利用系数时，用来确定阳极应有的电流输出量。平均电流密度用来决定 阳极重量。 8.3.3 牺牲阳极保护 1、牺牲阳极材料可为锌、铝和镁基合金。镁基合金仅用于需要较高的驱动电压、 并且阳极易于更换的地方。 2、风电基础结构阴极保护所需的牺牲阳极总质量应不少于按下式计算所得的值: 8760I, ,Mkg Q, 式中:I——总的保护电流，A; t——保护年限，yr; Q——实际电流容量，A?h/kg; η——利用系数(由剩余阳极材料不能再输出要求的电流时已消耗的阳 极质量来确定)。各种形状的阳极材料利用系数可取为: 长条形阳极:0.90,0.95; 环形阳极:0.75,0.80; 其他形状:0.75,0.90。 3、牺牲阳极几何形状、尺寸和质量的选取，应确保阳极发生电流和使用年限达 到设计要求。 4、风电基础结构阴极保护所需的牺牲阳极数量N，应不少于按下列两式计算所 得值中的大者: ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第41页 IM , NN,,qma 式中:q——每块阳极的平均输出电流，A; a m——每块阳极的净质量，kg。 5、牺牲阳极的安装应符合下列规定: (1)阳极与风电基础结构之间的距离应有可靠的导电连接; (2)牺牲阳极与风电基础结构之间的距离应不小于30cm，如距离小于30cm或 牺牲阳极紧贴构件安装时，阳极背面应涂装阳极屏蔽层; (3)牺牲阳极应根据结构形状及其所需的保护电流大小，在横向和纵向上均衡 布置，以确保所有需要保护的风电基础结构均达到10.3.2.3规定的保护电 位; (4)阳极、阳极铁芯及阳极支架应具有足够的强度，以承受诸如波浪、潮流等 环境荷载以及风电基础结构在就位、打桩作业时的施工荷载。当阳极距离 风电基础结构较远时，或者阳极质量超过200kg时，阳极支架应予以加强; (5)阳极表面严禁涂漆和沾污。若表面沾有污物，安装之前应予以清除。 8.3.4 外加电流阴极保护 1、风电基础结构的外加电流阴极保护系统一般由直流电源、辅助阳极、参比电 极和测量仪表等组成。 、外加电流阴极保护的辅助阳极材料可为铅银合金、铅银铂复合材料、高硅铸2 铁和镀铂钛。 3、外加电流阴极保护辅助阳极的设计应符合下列规定: (1)辅助阳极的总质量m，应不少于按下式计算所得的值:m=jkIτ kg 式中:j——安全系数; k——阳极消耗率，kg/A?yr; I——总的保护电流，A; τ——保护年限，yr。 (2)辅助阳极的数量应根据风电基础结构的形状及电流分散能力确定; (3)辅助阳极的几何形状和尺寸的选取，应确保阳极工作电流密度不大于该阳极材料的额定值。 8.4 防腐系统的检查与维护 8.4.1 涂层 1、大气区的涂层应在风电基础结构年度检验时进行检查，并应根据损坏程度予 以局部修补、整新或全面重新涂装。 2、飞溅区结构如采用涂层保护时，则涂层应每年检查一次，损坏部分应尽快予 以修补。 ____________________________________________________________________________________________ 海上风电机组基础结构设计标准(初稿) 第42页 3、飞溅区结构采用特种防腐系统保护时，对其保护效果至少每年要进行一次直 观检查。防腐系统如有损坏，则应及时予以修复。 8.4.2 阴极保护 1、阴极保护系统投入运行之后，对阴极保护的效果应进行定期检查。对于牺牲 阳极保护的结构，应一年进行一次电位测量，对于外加电流保护的结构应一 个月进行一次电位测量。直观检查和腐蚀挂片的周期可根据需要确定。 2、用于测量被保护结构电位的参比电极可为Ag/AgCl电极、电极或Zn 电极。参比电位的准确度应定期检查。测量电位时，参比电极应尽可能靠近 待测的风电基础结构。 3、阴极保护系统交付使用后，应对其运行的可靠性进行定期检查: (1)对牺牲阳极保护系统，应检查阳极溶解状况、机械损伤情况等，这种检查 应在风电基础结构特别检验时进行; (2)对外加电流阴极保护系统、电源设备运行状况，如输出电流(包括各辅助 阳极分路的电流)、电压、功率消耗等，至少应每一个月检查一次;辅助 阳极、电缆和参比电极的工作状况，应在风电基础结构年度检验时进行检 查。 、阴极保护的效果达不到设计要求时，应及时采取相应的措施。 4 8.4.3 记录 检查结果及维护措施必须作出详细的记录。该记录应予以妥善保存，以备核查。 ____________________________________________________________________________________________