（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）mw级吸力筒式海上风车结构设计研究.pdf

中文摘要 风能作为一种清洁的可再生能源，经济可行性很高，是当前世界上成长最快 的能源产业，海上风电场又以自身更多优势备受欢迎。但是，由于海上自然环境 条件复杂，初期投资相对较高。风机基础被认为是造成海上风电成本较高的主要 因素。在国外对于沿海浅水域采用了一种吸力简式的海上风车结构，但在国内对 此类风机结构设计研究尚不多见。 本文以吸力筒式m w 级海上风车塔架结构的初始设计为研究内容，针对此 类结构基础设计的特殊性，在对不同性质土壤中筒基的载荷效应、失效模式以及 受力特性分析的基础上，通过1 m w 海上风车筒基参数设计和各因素的敏度分析， 提出适合各m w 级海上风车筒基设计参数选择的基本方法和方案评价体系。基 于海上风车结构及工作环境特点，提出计算风车整体结构极限载荷作用下的静力 响应分析模型，常规及偶然性动力载荷作用下的动力响应模型，从而建立了吸力 筒式m w 级海上风车塔架结构设计基本流程。 以一海上风车设计为实例，进行了筒基设计以及整体结构在风、浪、流、冰 载荷极限条件作用下的静力响应分析，并对塔架在脉动风载、地震载荷作用下进 行动力响应分析，进行结构受力特点和位移、加速度响应的研究。 本文研究为吸力筒式m w 级海上风车结构的设计提供合理建议和数据支持， 研究成果对于筒基式海上风车的设计研究应用有着现实意义。 关键词：海上风车；结构设计；吸力筒式；风载仿真；动力响应； a b s t r a c t a so n ek i n do fc l e a nr e n e w a b l ee n e r g y , t h ew i n de n e r g yw h i c hh a sv e r yh i g h e c o n o m i c a lf e a s i b i l i t yi st h ee n e r g yi n d u s t r yt h a td e v e l o p sf a s t e s ti nt h ew o r l dt o d a y i na d d i t i o n ，d u et ot h ee n o r m o u ss u p e r i o r i t y , t h em a r i t i m ew i n dp o w e rs t a t i o ni s w a r m l yw e l c o m e d h o w e v e r , t h ea i rb l o w e rf o u n d a t i o ni sc o n s i d e r e da st h ep r i m a r y f a c t o rt h a tl e a dt ot h eh i g h - c o s te n e r g yb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo f m a r i n en a t u r a l e n v i r o n m e n ta n dr e l a t i v eh i g h e ri n v e s t m e n t i no v e r s e a s ，o n ek i n do fs u c t i o nb a r r e l t y p em a r i n ew i n d m i l lh a sb e e nu s e di nt h ec o a s t a ls h a l l o wr e g i o n b u tv e r yl i t t l e r e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e di nt h i sk i n do fs t r u c t u r ei nt h eh o m e t h i sp a p e rt a k e st h ei n i t i a ld e s i g no ft h es u c t i o nb a r r e lt y p em wl e v e lm a r i n e w i n d m i l lt o w e ra st h ep r i m a r yc o n t e n t i nd e t a i l ，i nv i e wo ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft h i s s t r u c t u r ef o u n d a t i o ni nd e s i g n ，t h ee s s e n t i a ls d e c t e dm e t h o do fd e s i g nv a r i a b l ei s r a i s e da b o u tm a r i n ew i n d m i l lb a s e do nt h et u b eb a s e sl o a de f f e c t , t h ef a i l u r em o d ea s w e l la st h ef o r c ea n a l y s i s ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r si sa l s oa n a l y z e d w h a t sm o r e ，i nv i e wo ft h ep a r t i c u l a r i t yo f m a r i n ew i n d m i l lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h i s p a p e ra l s op r o p o s e dt h em e c h a n i c a lm o d e lt oc a l c u l a t e st h ew i n d m i l lc o n s t r u c t i o n u n d e rt h ea c t i o no ft h ew i n d ，t h ew a v e ，t h ec l a s sa sw e l la st h ei c el o a da n de s t a b l i s h e d t h eb a s i cd e s i g np r o c e s so fs u c t i o nb a r r e lt y p em wc l a s so f f s h o r ew i n dt u r b i n e t a k ead e s i g no f m a r i n ew i n d m i l la sa l le x a m p l e ，t h i sp a p e rh a sc a r r i e do nt h ed e s i g n o ft u b eb a s ea n dt h eu l t i m a t es t r e n g t ha n a l y s i su n d e rt h ea c t i o no ft h ew i n d ，t h ew a v e ， t h ec l a s sa sw e l la st h ei c el o a d f u r t h e r m o r e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i su n d e rt h e p u l s a t i o nw i n dl o a d ，t h ee a r t h q u a k el o a di sa l s oc a r r i e do na c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho f f o r c ec h a r a c t e r i s t i ca n dd i s p l a c e m e n t ，a c c e l e r a t i o nr e s p o n s e t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dr e a s o n a b l ea d v i c ea n ds u p p o r t e dd a t u mf o rt h ed e s i g no f s u c t i o nb a r r e lt y p em wl e v e lm a r i n ew i n d m i l lt o w e r , a n dt h er e s u l t sh a v ec e r t a i n p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：o f f s h o r ew i n dt u r b i n e ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；s u c t i o nb u c k e t ；w i n dl o a d s i m u l a t i o n ；d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：廊勿贫 签字日期：护吖年c ，月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 锄爱 签字日期：加岬年r 月 日 导师签名： 宅他 签字日期：) 年户月 日 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 风力发电特点及国内外发展现状 风能被称为“蓝天白煤”，是一种清洁的可再生能源，具有取之不尽、无污 染、不需要燃料等优点【1 】【2 】。目前，风能技术发展很快，经济可行性比较高，是 一种理想的发展能源。积极开发利用风电对于改善能源系统结构，保护生态环境 具有深远意义。在这种情况下，我国“十一五”规划中强调要加快建设资源节约 型、环境友好型社会，指出要加快发展风能、太阳能等可再生能源。将开发利用 新能源和可再生能源放到了国家能源发展战略的优先地位，中华人民共和国可 再生能源法与2 0 0 6 年1 月1 日颁布实施，为新能源开发利用提供了政策支持。 风能是当前世界上成长最快的能源产业，根据世界风能协会统计【3 1 ，从1 9 9 8 年至2 0 0 8 年的近十年中，风能以2 4 的复合速率高速增长。截止到2 0 0 8 年底， 装机容量已达到1 1 2 1 5 g w ，在未来几年将成倍增长，到2 0 1 2 年，预测将达到 2 4 0 g w 。欧洲风电产业正在向海洋进军，走在世界前列，全球已经建成和计划 兴建的海上风电场，绝大部分分布在欧洲。欧洲很多国家为海上风电场的发展进 行了规划，制订了中长期计划。根据欧洲风能协会统计【4 】，从1 9 9 2 年至2 0 0 6 年， 欧洲海上风力发电装机容量每年以3 3 4 的速度增长，截止到2 0 0 7 年底，总容 量已有1 1 g w ，都是在浅水( 0 - - 3 0 m ) 海域，预计到2 0 1 0 年将达到3 5 g w 左右。 与陆地风电相比，海上风电场以它更多的优势，备受欢迎，优点主要体现在 下面这些方面【5 】： 高风速、低风切变。 低湍流。 高产出。 不受陆地土地使用的限制。 不过，与陆上风电场相比，由于海上的自然环境的影响，海上风电场的建设 环境条件复杂，包括海底固定、海洋风、波浪( 或者冰) 载荷作用、架设风电机 的天气状况以及电力输送等，在海上架设风电机比陆地上架设困难了许多，对风 电机本身的技术要求也高，技术难度相对较大。海上风机的支撑结构由塔架、基 础以及两者之间的连接件构成，基础与塔架连成一体，组成固定与海底的风机塔。 塔上依次安装机舱、轮毂、叶片等设备。由于风机特殊基础结构的建造和海底电 第一章绪论 缆的使用，海上风电的初期投资费用比较高，使海上风能开发投资比陆地上高。 现有海上风电机组基本上是由陆地风电机组改装而来的。正在向大型化方向 发展，主要采用m w 级以上大型机组。中国具有很长的海岸线，邻近海域具有 丰富的风资源，东部沿海水深o 1 5 米的海域面积辽阔，按照与陆上风能资源同 样的方法估测，1 0 米高度可利用的风能资源约是陆上的3 倍，即7 0 0 g w ，资源 潜力巨大，而且距离电力负荷中心( 沿海经济发达电力精确紧缺区) 很近，有利 于降低风电传输成本，开发利用市场条件良好。 1 2 海上风能开发及发展趋势 据统计f 6 】，陆地风电场建设投资中，风机成本占6 5 7 5 ，基础结构及其安 装施工费用不超过1 5 ，而对于海上风电场，风机成本仅占3 0 5 0 ，基础结构 及其安装施工费用可达到5 5 。海上风电机组的基础被认为是造成海上风电成本 较高的主要因素之一，大力发展比较经济的基础结构是海上风电场研究的主要课 题 7 】。海上风电机组基础结构的设计要考虑海床的地质结构情况、离岸距离、海 上风和浪的载荷特性以及海流、冰等的影响。 基础的结构将直接影响到风电机的稳定性和可靠性，浅海海上风机一般采用 底部固定支撑方式，就目前已经投入使用的情况来看，风机基础从结构形式上可 分为： 单桩基础( m o n o p i l e ) 单桩基础是一种简单的结构，由一个直径在3 5 米到4 5 米之间的钢桩构成， 钢桩安装在海床下1 0 米到2 0 米的地方，其深度由海床地面的类型决定。优点是 结构简单，便于制造，节省材料，不需整理海床。缺点是它需要大型重力打桩设 备，安装施工费用比较高，对风暴的承受能力较低，而且对于海床内有很多大漂 石的位置不适合采用这种基础类型，并且要防止海流对海床的冲刷。 混凝土基础( c o n c r e t eg r a v i t yb a s e s ) 利用巨大的混凝土作为沉箱，依靠自身重力的作用，使风机处于垂直状态。 这种基础结构简单，在这两个风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基础建起来， 然后使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的重量，继而将其沉人海底。 两个风场的基础呈圆锥形，可以起到拦截海上浮冰的作用。但该技术比较落后， 在混凝土基础技术中，整个基础的投资大约与水深的平方成比例，所以仅适用于 1 0 米以下的情况。 2 第一章绪论 砰耻 羞阿i 圈l l 单桩基础圈1 也重力+ 钢筋基础 重力+ 钢筋基础( s t lg r a v i t yb a s e s ) 类似于钢麓混凝土重力沉箱，用圆柱钢管取代钢筋混凝土，将其嵌入到海 床的扁钢箱里，并在钢制基础上填充重矿物以增加重量，此种结构便于运输和安 装。但是，基础的重量也随水深的增加而增加所以随水深的增加建造费用也会 增加。 三脚架或多桩基础( t r i p o d0 1 m u l f i b l e p i l 哪 类似于海上钻井平台所采用的三腿或四腿固定的基础结构。三脚架基础吸取 了石油工业中的一些经验，采用了重量轻、价格合理的三脚钢套管，钢桩直径相 对单桩基础的小。风塔下面的钢桩分布着一些钢架这些框架分掉了塔架对于三 个钢桩的压力。由于土壤条件和冰冻负荷，这三个钢桩被埋置于海床下1 0 - 2 0 米的地方。 圈1 - 3 混凝土基础图1 4 三脚架基础 这种结构相对比较复杂，但承受能力十分强，特别适合海上恶劣的工作环境 第一章绪论 目前设计适用水深为2 0 3 0 米，但稍加延长可以应用于4 0 米的水深中。这种结 构的优点就是稳定性强，对风暴的承受能力也十分强；缺点就是底座本身比较重， 结构较复杂，制造成本较高，并且不便移动，吊装成本也比较高。 导管架式( j a c k e t ) 跟海上石油钻井台的结构类似，都是采用钢管和铸件焊接在一起而做成的支 撑塔。这种底座技术相对成熟，所有制造石油钻井台的公司也可以生产制造这种 底座，适用水深可达4 0 米。 优点是重量轻，技术成熟，有较多的供应商可以选择；缺点是结构比较复杂， 前期的力学分析以及对环境的考察要求比较高，尽管技术成熟可以带来成本的节 约，但总体上看，结构的价格仍然很高。 单吸力筒基础( m o n o s u c t i o nc a i s s o no rs u c t i o nb u c k e t ) 丹麦f r e d e r i k s h a v n 海上风电场的建设中首次使用了筒形基础，其工作机理和 结构特点相同于吸力桩。沉放就位时，先靠其自身以及所负的上部结构的重量插 入水下泥中一定的深度，形成封闭空间，然后用泵抽汲，在筒内形成负压，最终 依靠简体内与外界环境的压力差，将简体压入泥中直到预定的深度，采用开口向 下的圆筒作为基础，不需要桩基固定。 吸力筒基础适用于砂性土及软粘土地区，而且考虑到地震对土壤的液化作 用，需要地质构造相对稳定，所以缺点是受安装海域的海床地质条件限制，需要 充分考虑基础安装时的沉贯力和稳定性，以及工作时外载荷作用下基础的稳定性 问题，并且要防止海流对海床的冲刷。 多吸力筒基础 类似与单吸力筒基础，采用多个筒基础，在水深较深的海底有优势。多吸力 筒基础的制造、安装施工费用较单吸力筒基础的高，目前还处于设计研究阶段。 r _ 7 、 i l 图1 5 单吸力简基础 。么 l 了丫s 母 图1 - 6 多吸力筒基础 吸力筒技术正在引起海上风力发电的关注，相对其它基础的优点： 4 第一章绪论 吸力筒基础加工制造相对简单，在同等载荷作用下可以设计的比桩基础以 及重力式基础轻，制造费用较低； 吸力筒基础比其它基础的安装速度快地多，并且简单； 吸力筒基础的安装仅需要起重船把它拖到安装位置，而桩基础则需要大型 起重船和打桩船，能节省大量的安装费用； 在风车组寿命结束时，吸力筒基础可以整体从海底移走，桩基础则很难做 到。 最早吸力筒技术在浅海海洋石油平台上得到业界人士的重视。由于已建成的 吸力式基础平台少，针对不同的海域地质情况和环境载荷，各国海洋石油部门及 科研机构投入大量的人力和物力，开展了吸力式基础平台的相关技术的研究。在 筒形基础的研制发展过程中，挪威土工技术研究所( n g i ) 做了大量的工作，进 行了大量的室内外实验，主要得到了静载和动载( 主要是地震和波浪载荷) 作用 下的砂土地基上基础的沉陷、极限承载力、负压下的沉贯阻力等，这些工作为该 基础平台的设计和安装提供了丰富的经验及数据哺】。 a n d e r s e n 等【9 】对黏土中带裙的基础和锚在不同类型的平台及载荷条件下的 设计原则进行了描述，提出了沉贯阻力和承载力的计算方法。b y m e 1 0 】等对砂土 中吸力式沉箱在循环载荷作用下的响应进行了分析。t a k a t a n i 1 1 】等研究了波浪载 荷下软黏土地基上吸力式基础的动力响应，针对波浪作用于基础前方时的情况进 行了数值模拟。 对于吸力式基础海洋平台而言，要求“下得去、站得稳、起得来”【1 2 1 。即 能够平稳地、保持一定垂直度地沉下去；沉下去之后，能够在工作期间不会失稳 而导致整个平台倾覆、滑移或拔出等破坏；当在一个地方采完油之后，能够拔起 来拖到另外的油井处。人们的研究工作也是围绕这几个方面展开的。一是在负压 作用下的吸力式基础的沉贯阻力和安装稳定性；二是在各种内外载荷作用下的基 础稳定性、冲刷破坏等；三是能否拔出来以及拔出力大小。 对基础承载力的分析包括静力和动力，其中对静态载荷下基础承载力的研究 工作进行得较多，一般采用有限元方法，通过对单筒和多筒情况分析，并与实验 结果进行比较，从而得到一些简单的半经验计算公式，如天津大学的张伟【l3 1 、刘 振纹以及浙江大学的施晓春【1 5 】等。张伟基于改进的d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性本构 模型，利用m a r c 非线性有限元程序，经过二次开发，建立了筒形基础及周围 土体的三维有限元分析模型，用于承载能力的分析。动载荷包括地震、波浪、冰 载荷等，张伟16 】【1 7 1 研究了滩海筒形基础平台整体三维弹塑性有限元地震动力响 应。初新烈1 8 】等做了负压作用下大比尺单筒和四筒基础稳定性实验，研究了筒基 的抗拔能力，纵向、水平承载能力和筒基稳定性等。 第一章绪论 目前对于在动( 循环) 载荷作用下的平台基础设计问题，由于循环载荷作用 对地基土体的影响非常复杂，影响因素也比较多，目还是采用相对保守的静态经 验公式的方法来解决，采用影响系数的方法，对计算的静承载力进行修正。 风电机组基础结构的设计【1 9 】【2 0 】【2 1 】可以借鉴以往海洋石油平台工程方面的 研究成果。不过，风电机组基础与浅海海洋石油平台基础存在多个显著不同之处： 浅海石油平台的基础主要承受重力，垂向力载荷远大于相对水平力，而风 电机组基础上的水平力载荷和垂向力载荷数量级相当，并且水平倾覆力矩是一个 重要的外载荷形式。 塔架受到风、波浪( 或冰) 动载荷作用，同时基础结构也在动载荷作用下， 由于基础接以及塔架的刚度相对较小，结构动态响应会比较明显，于是结构设计 需要重点考虑动响应问题。 不同于海洋石油平台，通常要安装大量的风电机组基础结构，比如1 0 1 0 0 个，有必要采用相对经济的设计，节省费用。 所以，通过合理设计多吸力桶基础结构，承受自重以及各种环境载荷，考虑 在动载荷作用下基础和塔架结构的动响应，需要在结构的经济性和安全性前提 下，满足目前大型风机的要求。以及如何进行施工工艺流程优化，合理降低施工 费用，既经济又合理，这些都是急待解决的问题。 1 3 本文研究内容 本文从m w 级海上风车的设计研究出发，力图通过对土壤对筒基的作用机 理研究，以及海上风车各种外载计算，建立海上风车筒基参数设计的基本方法和 评估体系，并就影响筒基选择的各种参数进行敏度分析，此外，进行总体结构的 静力、动力响应分析，以期为海上风车的设计提供合理建议和数据支持。 本文主要研究内容： 通过土壤中筒基的受力机理、失效模式分析研究，计算筒基各种失效模式 的极限状态函数，在对函数中出现的各种参数进行敏度分析的基础上，提出海上 风车筒基参数设计的基本方法，建立初始阶段吸力筒式海上风车结构的评价体 系。 利用一实际海上风车上部结构基本参数和结构形式为基础，计算筒基尺 寸，建立总体结构有限元模型，对极限风、冰、浪、流载荷进行拟静耦合分析。 对风车模型进行简化，得到串联多自由度系统，分别对脉动风荷载和地震 载荷进行仿真模拟，得到各质量点一段时域下的载荷，从而对结构进行风振、地 震动力响应分析。 6 第二章筒基设计研究 第二章筒基设计研究 本章首先研究筒基的载荷效应，根据筒基的各种失效模式，及在不同性质土 壤中的承载特性分析，建立极限状态函数，再分析得到各i v l w 级海上风车的最 大工作载荷，通过极限状态函数和外载联合计算得到临界筒基参数，并就各种参 数进行敏度分析，以期定性和定量地得到各种因素及安全系数对筒基参数的影响 程度，确保能够全面反映实际情况，并在考虑各方面的基础上，建立了海上风车 筒基参数设计的评估体系。 2 1 筒基载荷效应 荷载效应一般指的是载荷作用下结构的内力、应力、位移、变形等量值。对 筒形基础，考虑其在外载响应和土壤作用下所受的力。结构抗力指的是结构抵抗 破坏或变形的能力，如极限内力、极限强度、刚度以及抗滑力、抗倾力矩等。对 筒形基础，抗力主要考虑为它的抗滑力、抗倾力矩以及地基的极限承载力。 2 1 1 土壤对筒基作用力 土抗力p p 因为筒形基础所在地域一般均为c 一矽土，很少是纯净的砂土或粘土，而一 般规范上所采用的各种土压力公式，如b r o m s 法，彳法等要么适用粘土，要么 适用于砂土，没有综合考虑c 和矽对土压力的影响。在各种理论中朗肯理论概念 明确、方法简单，公式中综合考虑了凝聚力和内摩擦角的作用，且经多年的实践 应用表明，符合工程实际需要。朗肯理论的适用条件如墙背竖直光滑、填土表面 水平对筒形基础也适用，所以在本文中，筒形基础在荷载作用下所受的被动土压 力r 采用朗肯理论的粘性土被动土压力公式计算，即： p 尸= r z t a l l 2 ( 4 5 0 + 詈) 化t 趾( 4 5 。+ 訇 p ， 式中： y ：土壤容重，k n m 3 ； ：土的摩擦角，。； z ：泥面以下任一点的深度，m ； 第二章筒基设计研究 c ：土的凝聚力，k p a 。 筒形基础的桩侧摩阻力q ， 对垂向荷载，筒形基础受力情况与传统短桩中的开口钢管桩相同，依据 a p 卜一i 冲2 a ，短桩的侧摩阻力为： 粘土中： q i = z 4 ( 2 2 ) i = 1 式中： 4 ：筒形基础的表面面积，m 2 ； z = 口c ：单位面积侧摩阻力，k p a ； 口= 1 0c 2 4k p a a = 0 5 c7 7 2k p a 内插 2 4 e o 又因为风轮机的输出功率尸： p = c j p u 3 2 ( 2 - 4 1 ) 式中：c 。为功率系数； p 为空气密度，正常情况下为1 2 9 妇肌3 ； 第二章筒基设计研究 a 为风轮旋转圆面积一： u 为风速，m s ： p 为风轮机输出功率，k w 。 结合已有的国内外一些现有数据风车参数 表2 0 一些风车直径与功率数据 项目数值 风轮直径d m 3 04 04 5 6 0 7 5 输出功率p k w 2 5 0 5 0 0 6 0 0 1 0 0 02 0 0 05 0 0 0 可推导风轮机的输出功率可以用经验公式表达： p 0 3 d 2 图2 - 1 轮径、功率实际与公式对照图 由上式可得： d j 去 即：d = l8 2 6 i 所以，可推出m w 级风轮机的直径如表所示 表2 4 m w 级h 轮对应的轮径 功率p m w l2 345 计算直径d m 5 808 2o1 0 001 1 5o1 3 00 所毗，在前期计算时可认为：，：耐一一d 2 一p 霉 第二章筒基设计研究 对于海波载荷： 实际情况中的吸力式基础，在浅海中的负压筒实际上是传统桩基和重力式基 础的结合，在深海海域作为张力腿浮体支撑的锚固系统。本文主要研究浅海中的 吸力式基础，所以在浅海筒基设计中，将筒基只保留必要高度，而用导管架和筒 形结构将其连接起来，以大大减小海波载荷，所以这里计算时假设水下部分完全 是筒基结构，是保留和趋于安全的。 对于海冰载荷： 由于冰载荷，在不同纬度之间差距很大，且可以通过破冰装置予以减低，所 以此处暂不做考虑，在后面实例计算中予以详细计算。 竖向载荷 对于竖向载荷，这里主要是参考一些陆上的数据，并乘以安全系数，做简单 估算。 由上面的分析得到各m w 级的主要载荷如下表所示： 表2 5 各m w 级风车主要载荷 功率水平载荷埘竖向载荷柳 ( 单位：m w )风载荷海波载荷耦合值重力 18 1 0 1 0 z8 1 0 + 1 0 z 5 4 0 0 21 6 1 01 4 z1 6 1 0 + 1 4 z7 6 0 0 3 2 4 0 0 1 7 z2 4 0 0 + 1 7 z 9 3 0 0 4 3 2 2 0 2 0 z 3 2 2 0 + 2 0 z1 0 8 0 0 5 4 0 3 02 2 z 4 0 3 0 + 2 2 z 1 2 1 5 0 在后面计算弯矩时，需用到轮毂高度，这里结合已有一些风车估算m w 级 海上风车轮毂高度： h t 4 0 + 罢m ( 2 - 4 3 ) 2 表2 - 6 各m w 级风车轮毂高度 l 功率m wl2345 l 轮毂高度m6 98 l9 09 81 0 5 第二章筒基设计研究 所以可计算弯矩值如下表所示： 表2 7 各m w 级风车弯矩值 功率风载荷高度弯矩值海波载荷高度弯矩值 似形)( k n )似)( k n m )( k n )b )( k n m ) 18 1 0 6 9 + z 5 5 8 9 0 + 8 1 0 z 1 0 z 0 5 z 5 2 2 21 6 1 08 l + z1 3 0 4 1 0 + 1 6 1 0 z 1 4 z 0 5 z7 2 2 32 4 0 0 9 0 + z 2 1 6 0 0 0 + 2 4 0 0 z1 7 z0 5 z 8 5 2 2 43 2 2 09 8 + z3 1 5 5 6 0 + 3 2 2 0 z2 0 z0 5 z1 0 2 2 54 0 3 0 1 0 5 + z4 2 3 1 5 0 + 4 0 3 0 z 2 2 z0 5 z1l z 2 这样可以得到风载荷和海波载荷的最大耦合值，即最危险情况下的弯矩值： 表2 8 各v l w 级风车最大弯矩耦合值 功率最危险情况弯矩值 15 5 8 9 0 + 8 1 0 z + 5 2 2k n 肌 21 3 0 4 1 0 + 1 6 1 0 z + 7 2 2k n m 32 1 6 0 0 0 + 2 4 0 0 z + 8 5 2 2k n m 43 1 5 5 6 0 + 3 2 2 0 z + 1 0 2 2k n m 54 2 3 1 5 0 4 - 4 0 3 0 z + 1 l z 2k n m 2 4 筒基主尺度选择基本方法 筒基的主尺度参数主要包括：筒基个数、筒间距、筒基直径、长径比、筒基 壁厚。对于筒基壁厚参考有关规定：筒形基础壁厚是由简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需要，即简体壁厚应足以承受筒的轴 向和横向载荷，以及下压过程中产生的压力。并不得小于以下规定的最小厚度t ： t = 6 3 5 + d 1 0 0m m ( 2 4 4 ) 2 4 11 m w 级海上风车极限载荷作用下极限状态分析 当水深h = 5 、1 0 m 时，1 m w 海上风车各项载荷如表所示： 2 1 第二章筒基设计研究 表2 - 9 各1 m w 级风车外载 水深聊水平载荷k n竖向载荷州弯矩埘m 58 6 0 5 4 0 0 6 0 0 0 0 1 09 1 05 6 0 06 4 5 0 0 表2 1 0 水深5 m 单筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类 d | zm占= 0 5占= 1占= 2占= 3 d l 4 0 7 2 2 03 5 2 3 0 52 9 8 4 6 02 6 6 5 9 7 砂 d 2 z 23 7 0 2 0 73 1 8 2 8 42 6 8 4 2 32 4 1 5 4 7 土 d 33 9 42 6 21 7 01 3 1 d2 0 31 7 51 4 21 2 1 d i z ：5 1 0 2 4 34 3 6 3 4 23 6 6 5 2 33 2 9 6 8 7 粘 d ；z ：4 5 1 1 8 33 8 4 2 8l3 2 4 4 512 9 2 6 0 2 土 叫2 7 92 1 01 4 91 2 0 d 3 0 82 7 l2 2 11 8 9 表中：占= d h ：长径比，参考一些实验处理方法，这里分别取占= 0 5 、1 、2 、 3 予以对照： d z ：倾覆破坏i 模式下临界筒径值和相应的旋转中心： d z ，：倾覆破坏i i 模式下临界筒径值和相应的旋转中心； d ，：滑动破坏模式下临界筒径值； d ：地基失稳破坏模式下临界筒径值。 表2 1 l 水深1 0 m 单筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类 d | zfm占= 0 5占= 1占= 2占= 3 d l 4 1 5 2 2 4 3 5 9 3 1 13 0 3 4 6 92 71 6 0 8 砂 d 2 fz 2 3 7 7 2 1 13 2 4 2 9 02 7 3 4 3 12 4 5 5 5 8 土 d 34 0 32 6 71 7 3 1 3 4 d2 0 51 7 81 4 41 2 3 d ： z ：5 2 0 2 4 84 4 4 3 4 83 7 3 5 3 43 4 5 7 0 l 粘 d ；z ；4 6 0 1 8 7 3 9 1 2 8 7 3 3 0 4 6 02 9 7 6 1 4 土d ； 2 8 72 1 51 5 31 2 3 d 3 1 3 2 7 52 2 5 1 9 2 第二章筒基设计研究 表2 1 2 水深5 m 双筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类d|z|m占= 0 5占= 1占= 2占= 3 d l 3 4 1 1 7 72 9 6 2 4 92 5 0 3 8 02 2 4 4 9 5 砂d 2 iz 23 1 1 1 6 22 6 7 2 2 92 2 5 3 4 82 0 2 4 5 3 土 d 3 3 0 22 0 31 3 31 0 3 d3 d 5 d2 4 3 2 2 42 1 6 1 9 91 8 2 1 6 71 6 0 1 4 8 d ： z ：4 2 6 1 9 63 6 4 2 7 73 0 6 4 2 82 7 5 5 6 4 粘叫z ：3 7 7 1 4 13 2 2 2 2 32 7 2 3 6 52 4 5 4 9 2 土 叫2 0 1 1 5 31 1 00 8 9 d 3 d 5 d3 4 5 3 1 93 11 2 8 72 6 4 2 4 32 3 2 2 1 3 表中：d3 d 5 d 表示分别在筒间距3 d 5 d 时，地基失稳破坏模式下临界筒径值。 表2 1 3 水深1 0 m 双筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类 d | zm占= 0 5占= 1 占= 2s = 3 d l z l3 4 8 1 8 03 0 2 2 5 42 5 5 3 8 82 2 8 5 0 5 砂 d 2 z 23 1 7 1 6 62 7 2 2 3 42 3 0 3 5 52 0 6 4 6 2 土 d 3 3 0 92 0 81 3 51 0 5 d3 d 5 d2 4 7 2 2 92 2 0 2 0 31 8 5 1 7 11 6 3 1 5 0 d ：iz ：4 3 5 2 0 03 7 2 2 8 33 1 2 4 3 7 2 8 0 5 7 6 粘 叫z ：3 8 5 1 4 43 2 8 2 2 82 7 7 3 7 42 5 0 5 0 3 土 叫2 0 61 5 71 1 30 9 1 d 3 d 5 d3 5 2 3 2 53 1 7 2 9 32 6 9 2 4 72 3 6 2 1 7 表2 1 4 水深5 m 三筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类d z | m 占= 0 5占= 1占= 2占= 3 d i z l1 0 1 1 8 10 8 9 2 0 20 7 6 2 3 60 6 8 2 6 5 砂 d 2 z 20 9 3 1 8 60 81 2 0 70 6 9 2 3 90 6 2 2 6 6 土 d 32 5 91 7 51 4 9o 8 9 d3 d 5 d2 4 4 2 2 3 2 1 7 1 9 81 8 4 1 6 81 6 2 1 4 8 d ；z ：1 2 2 1 2 91 0 6 1 5 70 8 9 2 0 20 8 0 2 4 0 粘 叫z ： 1 0 9 1 2 00 9 5 1 4 90 8 1 1 9 40 7 4 2 3 0 土 叫 1 6 61 2 7o 9 20 7 4 d 3 d 5 d 3 4 l 3 1 13 0 9 2 8 22 6 3 2 4 02 3 3 2 1 2 第二章筒基设计研究 表2 1 5 水深1 0 m 三筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类d | zms = 0 5s = 1占= 2占= 3 d 、| zl1 0 3 1 8 50 9 0 2 0 6 0 7 7 2 4 1 0 6 9 2 7 1 砂d 2 | z lo 9 4 1 9 00 8 2 2 1 l0 7 0 2 4 40 6 3 2 7 2 土 d 32 6 51 7 91 1 7o 9 1 d3 d 5 d2 4 8 2 2 72 21 2 0 21 8 7 1 7 11 6 5 1 5 l d ：z ：1 2 4 1 3 21 0 7 1 6 1 0 9 0 2 0 70 8 1 2 4 6 粘叫z ；1 1 1 1 2 40 9 6 1 5 30 8 2 1 9 9o 7 5 2 3 6 土 叫1 7 01 3 00 9 4o 7 7 d 3 d 5 d3 4 9 3 1 73 1 5 2 8 72 6 8 2 4 52 3 7 2 1 5 表2 1 6 水深5 m 四筒1 m w 级风车各种破坏模式下最小筒径 土类 d | zms = 0 5占= l占= 2占= 3 d l 0 9 4 1 6 20 8 2 1 8 00 7 0 2 1 20 6 3 2