海上风电机组基础浪致疲劳分析.pdf

第31卷第5期
长江科学院院报
2014年5月
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
May 2 0 14
DOI:10.3969/j.is.1001-5485.2014.05.015
2014,31(05):74-78,83
海上风电机组基础浪致疲劳分析
靳军伟“ψ,杨敏,王伟,王其标
(1.同济大学a.地下建筑与工程系;b.岩土及地下工程教育部重点实验室,上海20002;
2.上海同济启明星科技发展有限公司,上海200092;3.中交上海三航科学研究院有限公司,上海200032
摘要:给出了海上风电机组基础波浪荷载导致的疲劳损伤计算方法。基于随机波浪理论,依据海浪谱将随机波
浪转换为一系列线性波的组合,由 Morison方程计算得到波浪荷载并进行线性化。根据线性波浪荷载作用下结构
的动力分析,求得结构响应并计算得到频域范围内的结构应力传递函数。根据海浪谱和应力传递函数,进而得到
结构的热点应力谱。岀某海域的海况分布,依据 Miner线性累计损伤准则,通过假定结构长期热点应力分布为短期
Rayleigh分布的组合,计算得到结构在设计周期内的累计疲劳损伤。以某单栟基础为例,验证了计算方法的可行
性。计算方法对海上风电机组基础的浪致疲劳设计具有参考价值。
关键词:海上风电机组基础;疲劳分析;传递函数;谱分析
中图分类号:TU473文献标志码:A
文章编号:1001-5485(2014)05-0074-05
本文以单桩基础为例进行分析,由海浪谱,采用
1研究背景
随机波浪理论,基于谱分析理论,通过对应力传递函
数的求解,得到结构的热点应力谱;根据 Miner线性
近年来,化石燃料的大量消耗,不仅带来了严重累计损伤准则,对单桩基础的浪致疲劳损伤进行估
的环境问题,而且其有限的存储量,逐渐成为限制经算。
济可持续发展最重要的因素之一。随着中国经济对
外界石油进口的依赖性增强,发展绿色环保的可持
续能源,成为亟待解决的问题。为此,海上风力发2海浪谱及随机波浪力
逐渐被人们所重视,并在国内迅速发展们。
计算釆用的随机波,根据海浪谱得到的。日前
作为海上风力发电的主要构件,风电机组基础常用的谱形式有 Pierson- Moskowitz(简称P-M)谱
是保证风力发电机正常工作、结构稳定、安全的重要 JONSWAP谱以及国内海港水文规范建议的海浪谱。
部分。海洋工程环境复杂,基础不仅仅受到上部发本文所采用的形式为PM谱4,即
电机的荷载、风荷载,还受到波浪荷载的影响2。
S(∩
作为承受随机波浪荷载的风机基础而言,疲劳分
析是钢结构基础十分关键的一个环节]。疲劳分析式中:S(の为波浪谱密度;H、为有效波高;为波浪
可以采用时域和频域2种方式,从计算精度上来讲,频率为谐峰频率。
时域计算结果是较为精确的。但是,其巨大规模的计
海浪可以看作是一个平稳的随机过程,理论上
算量都是难以接受。另外,由于海洋工程中,对海浪可由无限多个余弦波叠加而成的。因此,可以通过
的描述,都是采用海浪谱的形式,所以对于海洋结构将P-M谱写为多个线性波的叠加形式,以线性波理
而言,在频域范围内进行疲劳分析是合理的选择。
论为基础进行计算分析。
目前国外进行的海上风电机组基础疲劳损伤计
以图1所示坐标系,假定某线性波η()为
算主要采用基于应力-寿命(S-N)曲线的线性叠加
m(t)=acos(kx-wt
(2)
损伤原理( Miner准则)进行。如挪威规范(DNV)、美式中:为时间;a为波幅;k为波数;x为计算位置;0
国规范(API,ABS)等。国内关于此方面的研究还相为圆频率。
对有限
对于给定的海况,选取波幅a?为
收稿日期;2013-04-12;修回日期:2013-06-26
作者简介:靳军伟(1986-),男,河南林州人,博土研究生,主要从事岩土工程与海上风电机组基础方向研究,(电话)021-65983386(电子信
箱)201Ojinjunweio@tong],edu.cn。
第5期
军伟等海上风电机组基础浪致疲劳分析
S(0)
m值与单位长度桩体竖向
2°〈Sa(o)
截面的乘积得到。桩侧与
土之间竖向的相互作用也
桩
式中:S1(vn)为所选取
采用线性弹簧,桩土相互
泥
的0对应的谱值;
作用应力水平的发挥,采
法
r-z曲线
Sa(a)为峰值周期。图1波浪及波浪力
用美国石油协会(2007)所
Ωz曲线
所对应的谱值。
计算简图
推荐的桩侧荷载一位移
图2荷载及土体
有限水深为d时
Fig 1 Sketch of waves
(-2)曲线形式,如图3
简化示意图
nd wave force calculation
波长和周期的关系可
所示。其中t表示桩侧摩Fg.2 Simplified diagram
用下式近似表示”,即
阻力值发挥值,。表示柱 oad and soil spring
侧摩阻力值最大值,z表示桩与桩侧土体的相对位
L=7(g
if(
4)移、,为根据经验公式或工程实测得到的桩侧摩阻
式中:L为波长;7为周期;g为重力加速度
力最大值,m为桩侧摩阻力残余值,通常为(0.7
0.9)tm。需要注意的是,黏土中桩侧摩阻力的发挥
(i)=1+∑a,i;
(5)与桩的直径D。有关,即横坐标为D。而砂土中
の=(4rd)/(gT2)。
ax1=0.666,02=0.445,ax3=-0.105,a4=0.272。
坐标为长度单位,采用虚线表示。
在1时刻,单位长度平台桩腿上的随机波浪力
後。、(6)应カ水平的发挥仅与桩士之间的相对位移有关,横
黏土zimm
2°-929?22?12
由莫里森方程计算得到,即
1.0
ー-砂土、ブ
J(t1)=9pu(2,t)(x,)1+q9wi(x,2)。
0.8
0.6
黏土
式中:9D=Cpa,CD为拖曵系数,P为海水密
0.2
砂土
00.010.020.030.040.05
黏土x
度,D,为桩径;=4Cwpm,Cx为惯性力系数。
图3桩側荷載一位移{z)曲线1リ
水质点速度x(x,1)和加速度(z,1)可由
Fig3 Curve of t-x
式(8)、式(9)确定(以图1所示坐标为例):
load along pile shaft vs. displacement)
对于桩端弹簧,通过桩端荷载的大小与极限端
x,41)=Ta
s(んxー-の.t);(8)阻力之间的相互关系得到弹簧的力ー位移的对应关
i(z)2m2 a cosh kesin(-014)。(9)系。采用美国石油协会(2007)所推荐的柱端荷
T2 sinh h∥i
载一位移(Q-z)曲线形式得到,如图4所示,其中
为了便于后续的动力分析,可以将波浪力、进Q为桩端土体承载力发挥值,のっ为粧端承载力极
行线性化,即
限值,。为桩端土