海上风电吸力式导管架基础连接段加强形式及其应力数值分析.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:高志康男工程师主要从事海上风电工程、海洋工程等研究海上风电吸力式导管架基础连接段加强形式及其应力数值分析高志康张 平张永飞周 芳李 平(山东电力工程咨询院有限公司山东 济南)摘要:基于某海上平台吸力式导管架基础的结构特征采用 软件建立其有限元模型探讨两种典型加强形式对基础连接段受力性能的影响 结果表明设置加强段可以使导管架与吸力筒形成更合理的受力作用体系通过增加板厚的方式两种加强段的整体受力性能均可得到有效改善 相同板厚条件下平箱式加强段具有更优的受力性能但需要的钢材较多实际设计时需综合考虑实用性和经济性选择最优方案关键词:海上风电吸力筒导管架加强形式数值分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:海上风电作为一种可再生能源具有绿色环保、不占用陆地面积等的特点正越来越受到人们的重视 吸力筒导管架基础是一种底部开口顶部闭口的大直径筒型结构其具有施工功效高、可重复利用、安装过程振动噪音小、产生悬浮泥沙少、经济效益好等优点 导管架与吸力筒通过加强结构进行连接通过合理的设置肋板等细部结构分摊立管与负压筒连接段的集中荷载使导管架与负压筒形成合理的受力作用体系可以充分发挥负压筒和导管架的优势 因此对连接段加强结构进行强度分析是保证设计可靠的重要环节吸力式导管架基础连接段处于应力复杂区域通用的 不能对连接段节点区域进行准确的应力应变计算 有鉴于此通常采用有限元软件 对吸力式导管架基础局部连接段节点进行强度分析 本文选取某海上平台吸力式导管架基础基于其结构特征建立 有限元模型对比研究两种典型加强形式对连接段受力性能的影响为吸力式导管架基础沉贯设计和连接段结构设计提供参考 过渡段加强形式数值模拟筒顶连接段主要由中心筒以及多块周向均布的肋高志康等:海上风电吸力式导管架基础连接段加强形式及其应力数值分析 年 月板组成两者通过顶部的环板连接固定 目前连接段主要包括 型梁式和平箱式两种加强形式 本文基于某海上平台吸力式导管架基础连接段建立相连主导管和负压筒的局部基础连接段有限元模型分别对两种典型过渡段进行强度分析 在分析模型里为方便计算只在负压筒筒壁中间处施加铰接约束在主导管拐脖处设置实常数为小数的虚质量单元用于把导管架在 中在位状态整体强度分析计算所得的荷载传递到负压筒上有限元模型采用 单元进行模拟 两种过渡段加强形式如图 所示建模过程不再进行赘述图 典型加强段有限元模型.型梁式加强段局部节点计算 型梁式加强段模型详见图()主要由中心筒以及 块 型梁组成 在位工况下吸力筒上部结构受到自重、以及风、浪、流等环境荷载因此需要对吸力筒基础进行强度校核 计算强度的输入荷载由平台整体在位强度分析提供按照极端条件下最大水平力最大压力以及最大弯矩等工况分别进行计算首先设置加强段钢板厚度为 施加不同边界条件后的连接段的 应力云图 结果表明加强段的 应力最大值出现在环板与面板连接处按照海上风电场工程风电机组基础设计规范圆形杆件受拉受压的安全系数分别为.和.本文计算采用安全系数.进行考虑即计算许用应力为 在压力最大和弯矩最大的工况下加强段最大应力值大于 超过了 钢材许用应力值因此有必要通过增加钢板厚度改善受力 不同钢材厚度下加强段最大应力值结果汇总见表 表 不同钢材厚度下加强段最大应力值汇总钢材厚度/极端工况最大压力/最大水平力/最大弯矩从图 和图 可以看出极端工况最大压力下加强段出现最大的应力值结合云图分析最大应力值出现在环板和面板的交接处 随着钢板的加厚最大应力值得到有效降低当板厚为 时候加强段的设计已可满足规范要求图 不同钢板厚度下加强段最大应力值图 不同钢材厚度下应力变化折线.箱型梁式加强段局部节点计算当加强段应力较大时也可考虑在筒顶设置箱梁以改善局部连接段的受力性能 箱型梁式加强段模型见图()主要由中心筒以及 块箱型梁组成其余条件与 型梁的局部加强段模型相同 设置加强段钢板厚度为 施加相应边界条件后的连接段的 应力云图如图 图 所示水 电 与 新 能 源 年第 期图 最大压力条件下基础整体云图图 最大压力条件下加强段详图图 最大水平力条件下加强段详图图 最大弯矩条件下加强段详图在极端工况下最大应力值均小于 为探究平箱式加强段的受力性能计算不同钢材厚度下的应力值(见表)从图 和图 可以看出对于箱式加强段钢板厚度为 时最大应力值即小于许用应力满足规范要求 随着钢板的加厚最大应力也会随之降低表 不同钢材厚度下加强段最大应力值汇总钢材厚度/极端工况最大压力/最大水平力/最大弯矩图 不同钢板厚度下加强段最大应力值图 不同钢材厚度下应力变化折线 结果比较与分析为了更清晰的对比研究不同工况不同厚度下两种典型加强段受力情况引入无量纲系数 为局部高志康等:海上风电吸力式导管架基础连接段加强形式及其应力数值分析 年 月节点 应力最大值与钢材许用应力 的百分比即:应力最大值/图 为两种加强段都采用 厚度钢材时节点 值 从图中可以看出板材相同时平箱式加强段具有更好的受力性能图 为满足规范要求的前提下两种加强段能够选取的临界板厚此时两种加强段的受力性能接近 型梁式加强段选取 板厚所需总钢材为.箱型梁式过渡段选取 板厚所用加强段所需总钢材为.图 厚度下不同形式加强段节点 值图 临界条件下加强段节点 值 结 语本文基于某海上平台吸力式导管架基础连接段对比研究两种典型加强布置方案的受力性能得到以下结论:)设置加强段可以有效分摊立管与负压筒连接段的集中荷载使导管架与负压筒形成更合理的受力作用体系)通过增加板厚的方式两种加强段的整体受力性能会能得到有效改善)相同板厚条件下平箱式加强段具有更优的受力性能但是相应的需要更多的钢材 实际设计时需综合考虑实用性和经济性选择最优方案)接下来将持续关注导管架基础连接段实际使用效果以验证有限元法计算结果参考文献:焦方骞 张庆河 张金凤.新型海上风电复合筒型基础波浪荷载研究.水道港口 ():雒德宏.我国海上风电发展现状及对策建议.水电与新能源 ():李大勇 张景睿 张雨坤 等.饱和砂土中裙式吸力基础水平循环特性和累积转角变化规律.岩土力学():张浦阳 黄宣旭.海上风电吸力式筒型基础应用研究.南方能源建设 ():潘宏冠 陈超核.不同边界条件下吸力筒导管架式海上风电振动特性分析.南方能源建设 ():(伊法).吸力筒多筒基础优化设计数值模拟研究.南京:东南大学 朱焰.吸力式筒型基础承载力研究.天津:天津大学刘沙 王大龙 杨旭 等.海上风电大直径宽浅型筒型基础屈曲分析.水道港口 ():闫琛 周全智 王雨 等.海上风电吸力筒 导管架风机基础筒顶连接结构研究.建筑结构 ():徐志伟.海上风电升压站平台设计及有限元计算分析.内蒙古电力技术 ():潘宏冠.海上风电吸力筒导管架结构主参数设计与基础稳定性研究.广州:华南理工大学 田振亚 朱嵘华 张美阳 等.不同有限元单元建模下的海上风电导管架基础支撑结构整体模态对比分析研究.机电工程技术 ():