（机械电子工程专业论文）海上风机单桩基础扶正导向装置研究.pdf

哈尔滨t 秤久学硕十学伊论文 摘要 扶正导向装置是海上风机单桩基础打桩专用机具，主要功能是对打桩时 的桩基进行导向和纠偏扶正。 本课题源自中国海洋石油总公司项目“海上大型风力发电机组安装工艺 研发”，目的是研制具有自主知识产权的海上风机单桩基础扶正导向机具以及 其相关工艺。 论文主要针对直径4 米的海上风机单桩基础的扶正导向装置关键技术进 行研究，介绍了扶正导向装置国内外发展概况，并详细分析了单桩基础的安 装过程、扶正导向装置工作过程和作业环境。 纠偏扶正是一个复杂的过程，涉及到动力学、结构力学、土力学、海洋 工程等多学科领域，本文将结合海上风电场单桩基础安装过程，针对实际中 出现的偏斜现象，分析桩基偏斜的原因以及对桩基内力和承载力的影响，建 立波浪模型和桩土模型，通过对模型的分析，确定扶正导向装置的最大扶正 力，为结构设计和分析提供必要的依据。 论文提出了扶正导向装置可行性方案，通过方案的对比确定最终方案， 利用p r o e 设计软件完成装置的结构设计，通过有限元分析软件a n s y s 对重 要零部件进行强度分析，验证了结构的合理性。 论文对扶正导向装置的液压系统进行了设计，包括执行机构参数计算、 液压回路的设计、液压元件和液压泵的选型以及液压系统工作原理的分析。 关键词：海上风机；单桩基础；扶正导向装置；纠偏扶正：结构设计 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t d e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c ed e v i c ei sas p e c i a lt o o lw h i c hi su s e d i no f f s h o r ew i n dt u r b i n em o n o p i l ed r i v e na n dp r i m a r i l yf o rm o n o p i l ed e c l i n a t i o n r e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c e t h i si s s u e o r i g i n a t e sf r o mt h ep r o g r a mf o rc n o o c ss c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o j e c t s ，r & do fl a r g e s c a l eo f f s h o r ew i n dt u r b i n ei n s t a l l a t i o np r o c e s s ，w i t h t h ea i mo fd e v e l o p i n gt h ed e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c ed e v i c ew i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gi t sr e l a t e d t e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g yo ft h ed e c l i n a t i o n r e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c ed e v i c eo fo f f s h o r ew i n dt u r b i n em o n o p i l ef o u n d a t i o n w i t ht h ed i a m e t e ro f4m e t e r t h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cd e v e l o p m e n to f d e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c ed e v i c ei si n t r o d u c e d t h ei n s t a l l a t i o n p r o c e s s o fm o n o p i l e ，t h eo p e r a t i o n p r o c e s sa n dw o r k i n ge n v i r o n m e n to f d e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c ed e v i c ea r ea n a l y z e di nd e t a i l d e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o ni sac o m p l e xp r o c e s s ，w h i c hm a k e sr e f e r e n c et o k i n e t i c s ，s t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，s o i lm e c h a n i c s ，m a r i n ee n g i n e e r i n ge t c c o m b i n e d w i t ht h ei n s t a l l a t i o n p r o c e s s o f m o n o p o l e ，a i m i n g a tt h ea c t u a ld e f l e c t i o n p h e n o m e n o n ，t h i sa r t i c l ew i l la n a l y z et h er e a s o no fd e c l i n a t i o na n dt h ei m p a c to f t h ep i l ei n t e r n a lf o r c e sa n db e a r i n gc a p a c i t yi sp u tf o r w a r d ，a n de s t a b l i s ht h ew a v e a n dt h ep i l e - s o i lm o d e l t h r o u g hm o d e la n a l y s i s ，t h em a x i m u mf o r c eo fm o d e li s b em a d e ，w h i c hp r e p a r e sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g na n da n a l y s i s t h ef e a s i b l ep r o j e c to ft h ed e v i c ei s p u tf o r w a r d ，t h e f i n a ls o l u t i o ni s d e t e r m i n eb yc o m p a r i n gt ot w op r o g r a m t h es t r u c t u r ed e s i g ni sp e r f o r m e dw i t h p r o e ，w h i l et h es t r e n g t ha n a l y s i so f e a c hs p a r ep a r tw h i c hi si m p o r t a n tf o rd e v i c e i sp e r f o r m e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h er a t i o n a l i t yo f 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 d e v i c ei sv e r i f l e d h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ed e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o na n dg u i d a n c ed e v i c ei s d e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e dd e s i g no fh y d r a u l i cc i r c u i t ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i o no ft h e h y d r a u l i ca c t u a t o r , h y d r a u l i cp u m ps e l e c t i o na n da n a l y s e s o ft h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs y s t e m k e y w o r d s ：o f f s h o r ew i n d t u r b i n e ；m o n o p i l ef o u n d a t i o n ；d e c l i n a t i o n r e c t i f i c a t i o na n d g u i d a n c ed e v i c e ；d e c l i n a t i o nr e c t i f i c a t i o n ； s t r u c t u r ed e s i g n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：多厂倭 日期：砰年岁月，o 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：爹7 ，锈导师( 签字) ：刁，“u 日期：斫年罗月，口日卯年岁月厂7 日 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发 展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、 噪音污染等问题。我国东部沿海水深5 0 m 以内的海域面积辽阔，而且距离电 力负荷中心( 沿海经济发达电力紧缺区) 很近。随着海上风电场技术的发展和 成熟，风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源。相对于欧 洲等国的海上风力发电而言，我国海上风力发电发展以及海上风电场的建设， 尤其是较大规模的海上风电场的建造还处于起步阶段。在国外已大规模开发 海上风电场的今天国内在开展陆上风电场建设的同时，也开始或拟开展海上 风电场的前期工作仁1 。 与陆上风机不同，海上风机主要由叶片、机舱、过渡段、基础等组成， 为了海上施工方便，目前海上风电场主要采用单桩基础。单桩基础通过起吊、 翻转到达安装地点，然后垂直下放，并且通过扶正导向装置控制基础，使它 与海床保持垂直，打桩过程中桩基一旦发生偏斜，就要通过扶正导向装置进 行纠偏。 1 2 课题来源及意义 本课题来源于中国海洋石油总公司。 随着中国海洋石油总公司中国首座海上风力发电站2 0 0 7 年1 1 月2 8 日正 式投入运营，海洋石油总公司海上风电场的研究建设也正式纳入计划。我国 海上风电起步比较晚，一些海上风电场安装专用机具基本属于空白，虽然国 外这些专用机具已经很成熟，但是由于技术垄断等因素，使我们不得不靠租 赁或购置国外的设备，这对我们刚刚起步的海上风电业来说非常不利，同时 购置或租赁这些机具存在以下问题：租用费用高、需雇佣外方操作人员，费 用高而且工期不容易控制。而使用自主知识产权研制的产品，大大降低了海 哈尔滨t 稃人学硕十学伊论文 上风电场安装成本p 1 。 随着我国海上风电场研究和建造的开始，对海上风机安装专用机具的需 求也将很快增加，为降低海上安装成本，保证工程顺利进行，研制具有自主 知识产权的扶正导向装置具有重要的现实意义。 本课题的研究意义如下： ( 1 ) 降低了施工费用和安装成本，为叶轮、机舱等的安装带来方便。 ( 2 ) 形成海上安装配套系列设备，可以有效缩短施工周期。 ( 3 ) 在国家安全利益上，可以有效避免和防止其它国家对我国关键设施 建设的过度参与。海洋施工不仅仅是单纯的工程问题，在某种程度上还直接 关系到国家利益，采用国产设备可以有效地保证国家的安全利益。 1 3 海上单桩基础扶正导向装置国内外发展概况 海上风机一般安装在水深2 0 米左右的浅水域，单桩基础的长度一般都在 3 0 5 0 米之间，由于海上的作业环境不同于陆上，受到诸如海浪、海流、潮 汐等的可变因素影响比较多，而且海床土壤一般都比较松软，打桩时桩基很 容易发生偏斜。根据海上安装技术规格书的要求，桩基安装到一定的深度后， 要求具有一定的垂直精度，桩基的倾斜度一般不大于o 5 。，要达到这样的精 度，仅仅依靠海底整平和调整打桩顺序都难以达到精度要求，而采用导向正 导向装置就能解决这一难题。目前国外在该领域还处于垄断地位。 1 3 1 国外扶正导向装置发展概况 国外扶正导向装置研究比较成熟主要有丹麦的m th e j g a a r d 承包公司一 t h ep i l eg r i p p e r ；丹麦m a m m o e tv a no o r d 承包公司a d j u s t a b l eg r i p p e r ； 荷兰g u s t o m s c 公司m o n o - p i l eu p e n d i n ga n dg u i d a n c es y s t e m 。 l 、m th e j g a a r d 导向扶正装置 m th o j g a a r d 导向扶正装置吼ep i l eg r i p p e r ，如图1 1 所示，特点是 独立可拆装，该装置通过地脚螺栓与船体固定，当桩基安装完成后可整体拆 卸，节约了船上的作业空间；其次该扶正导向装置还可适合不同的桩基直径， 2 桩基直径变化范围在35 5 米之间。 图1 im t i - l o j g a a r d 导向扶正装置 此类扶j f 导向装置的工作原理类似机械手，通过控制前面两个液压缸的 伸缩可以控制两个央子的开合，以适应不同直径的桩基同时将桩基夹住，整 个扶正导向装置的中间还有两个液压缸，主要是防止夹持体的左右移动，装 置后面的液压缸丰要用来调整夹持体的位置，当桩基由起吊装置移动到接近 扶正装置时，可通过控制后面的液压缸使扶正导向装置的夹持体靠近桩基。 2 、m a r n m o e tv a no o r d 导向扶币装置 m a r n m o e tv a no o r d 导向扶正装置a d j u s t a b l eg r i p p e r ，和m t h o j g a a r d 结构、功能有点类似，如图i2 所示，不同的是两个夹子上安有滚 轮，如图13 所示，由丁滚轮的存在，使得桩基与扶正导向装置之制的摩擦 由滑动摩擦变为滚动摩擦，另外，这种扶正导向装置是焊接在船体上，不能 随意拆卸，同时由于夹子上的滚轮存在( 滚轮焊接在夹子上，位置是固定的) ， 使得桩基的管径也受到了一定的限制，桩基直径不能太小，否则滚轮不能与 桩基接触。 此类扶正导向装置结构比较简单，重量也比m th o j g a a r d 扶正导向装置 轻了很多。 哈尔滨_ l = 群火学硕士学位论文 图1 , 2m a m m o e t v a n o o r d 导向扶止技置 图13 m a m m o e t v a n o o r d 导向扶止装置的滚轮 3 、g u s t o m s c 导向扶f 装置 g u s i o m s c 是荷兰一家深水设计专业公司，2 0 0 5 年4 月丌始为国际海洋 工程项目设计m o n o - p i l e u p e n d i n ga n d g u i d a n c es y s t e m ，如图1 4 所示，从开 始设计到安装完成历时5 个月，创下了该公司的历史记录”。 这种扶正导向装置主要适用于大型桩基，桩基的重量一般都超过了3 0 0 吨，晟大重量达n 6 0 0 吨。桩基重量越大，对起重设备和翻转装置的要求也就 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 越高，这无疑加大了这些设备设计难度，g u s t o m s c 公司扶证导向装置的设计 解决了这一难题，它既能实现桩基的翻转又能完成桩基的导向扶讵，而且它 安装在船体的一侧，能有效的节约船上的作业空自j 。它的主要技术参数为： 最大桩基重揖：6 0 0 吨 桩皋直径：4 - 6 m 倾斜角度：0 9 0 。 倾斜速度：9 。m i n 重量：1 4 0 0 吨 r k 圈l4 g u s t o m s c 导向扶止装置 该装置的有两个相互独立的部分组成，翻转装置和导向扶正装置，翻转 装置能实现桩基从水平位置到垂直位置的翻转，导向扶正装置用来完成桩基 的导向扶正。该装置的工作原理如图15 所示，首先船体侧面的扶正导向装 雹打开，桩基插入翻转装置通过控制绞盘使翻转装置翻转，当桩基到达海 床底部时扶正导向装置关闭，然后翻转装置打丌，同时绞盘控制使翻转装置 回到初始位置。出于翻转和扶正导向装置是两个独立的部分，他们能各自单 独使用，而且扶f 导向装冠安装在船体的一侧，这和以往导向扶正装置有很 大的不同，同时也是主要的优点所在。 捌螬l 圆圈 三型型 1 导向装置2 翻转装置3 绞 j 【4 桩基 图15g u s t o m s c 导向扶正装置的上作原理凹 4 、其它扶正导向装置 如图1 6 所示，这种扶j 下导向装置和g u s t o m s c 导向扶正装置结构上有 点类似，区别在于，它的夹持部分在下面而导向装置在上面，而且桩基的形 式也和前面所提到的桩基形式不一样，它是一种重力基础，靠自身的重力固 定在海床上，不需要打桩工具，风机的塔柱直接插进该基础内。 图16 重力基础导向扶止装置 如图17 所示，这是一种单桩用扶正导向装置，它的结构比较复杂，后 来逐渐被前面的几种导向扶正装置所取代，但是在欧洲海上风电场建设的初 期，它还是发挥了巨大的作用，而且为丹麦第一座大型海上风电场t h e e g m o n da a nz e eo f f s h o r ew i n df a r m ( o w e z ) f 或功安装立下了汗马功劳 l 液压锤2 桩基3 扶正导向装置 幽17 0 w e z 风电场扶正导向装置 图1 8o w e z 风电场扶正导向装置俯视图 1 3 2 国内扶正扶正导向装置发展概况 国内海上风电才刚刚起步，e l 前尚无自主生产的各种海上风机基础的导 向扶正装置。2 0 0 7 年1 1 月8 同，中海油的第一座海上风电站正式并网发电”1 ， 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 这是世界上首个向海上作业平台供电的海上风电项目，也标志着我国海上风 电有了一个新开始。与此同时，有关海上风机相关机具的研发也进入了一个 新的阶段。目前由哈尔滨工程大学海洋智能研究所承担的海上大型风力发电 机组安装工艺项目，开始负责研发海上风电场安装的相关机具，其中包括导 向扶正装置。 1 4 本文的主要工作 本论文主要是依据海上风机单桩基础进行导向扶正装置研究任务，设计 适合直径4 - - - 6 米的单桩基础的导向扶正装置，并完成液压系统的设计，同时 进行有关扶正导向装置纠偏扶正方面的研究分析。 本论文主要研究内容包括以下几个方面： 1 、介绍海上单桩基础扶正导向装置的国外发展概况，阐述国内目前有关 该装置的研究和发展情况。 2 、海洋风电场基础结构形式不同决定了安装方法的不同，通过各种基础 形式的介绍，选择单桩基础作为设计扶正导向装置的载体，并且结合单桩基 础的安装过程，对海上风机单桩基础扶正导向装置实际作业状况环境进行分 析。 3 、依据扶正导向装置的作业环境，建立扶正纠偏的数学模型，主要包括 波浪和桩土模型，通过这两个模型的分析，确定了整个装置的最大扶正力， 为扶正导向装置的结构设计和强度校核提供了必要依据。 4 、根据海上风机单桩基础的安装过程，确定总体设计方案，并对对扶正 导向装置的结构进行具体设计，选取材料，完成主要零部件的有限元分析。 5 、对海上单桩基础扶正导向装置的液压系统进行设计。海上单桩基础扶 正导向装置液压系统设计与研究主要包括液压缸的选型与计算、液压回路的 设计与分析、液压元件的选择等。 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 第2 章海上风机单桩基础扶正导向装置作业工况 分析 2 1 引言 扶正导向装置是单桩基础打桩过程中不可缺少的设备。在打桩过程中， 由于桩基比较长，海床比较软，再加上海上作业的环境不同于陆上，会受到 海浪、海流、潮汐、海风等的作用，使得桩基很容易发生偏斜( 桩基允许的 倾斜度不大于0 5 。) ，因此，为了保证桩基的倾斜度在允许的范围内，扶正 导向装置是非常必要的。 鉴于扶正导向装置的特殊用途，想要深刻认识和了解这种机具，就必须 先分析其实际工作过程和作业环境。本章将结合海上风机单桩基础安装和扶 正导向过程，具体介绍和分析扶正导向装置的实际作业工况，为后续的设计 工作提供必要的参考和依据。 2 2 基础安装过程分析 2 2 1 海上风机基础 海上风力发电机重量大、建造位置高，整个上部结构所受风荷载大，要 求风机基础除了能承受竖直向下的压力外，还能承受巨大的水平力和提拔力。 现在已经运行的海上风电场的基础有常用混凝土基础、重力基础、三脚架基 础和单桩基础川。 ( 1 ) 常用的混凝土基础 丹麦的第一个引航工程采用混凝土引力沉箱基础如图2 o 所示。顾名思 义，引力基础主要依靠地球引力使涡轮机保持在垂直的位置。v i n d e b y 和t u n o e k n o b 海上风电场基础就采用了这种传统技术。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，这个原理更像传统的桥梁建筑。 两个风场的基础呈圆锥形，可以起到拦截海上浮冰的作用。这项工作很 9 。i 一；坠：i 鎏：；耋銮耋塑圭茎竺鎏兰 有必要，因为在寒冷的冬天，在波罗的海 和卡程 的冰封 在 资大婪 t u n o c 之间， 1 0 5 0 n 的这些 混凝 种投瓷 ( 2 卸 图22 i 重力汀 凝土， ( 3 了石涮 重量辐 塔下面 些框葬 压力。 这三叶 米的地方。 | 耋| 2 3 三脚架基础 f 4 l 单桩基础 单桩基础是一种比较简单的结构，由一个直径在35 米一5 米之间的钢桩构 1 0 成。如图2 4 所示，钢桩安装在海床下1 0 米2 0 米的地 方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地 将风塔伸到水下及海床内。这种基础一个重要的优点 是不需整理海床。但是，它需要重型打桩设备，而且 对于海床内有很多大漂石的位置采用这种基础类型不 太适合。如果在打桩过程中遇到一块大漂石，一般可 能在石头上钻孔，然后用爆破物将之炸开，继而打成 小石头。 单桩基础目前已经成为安装风力发电机的“半标 准”方法，已经被广泛地应用于h o m sr e v ，s a m s o ， u t g u n d c a ，a a l d o wb a n k ，s e r o b ys a n d s 及k e n t i s hf l a t s 风电场。单桩基础特别适于浅水及中等水深水域，目前晟 图2 4 单桩基础 大的直径为5 米，但直径6 8 米大基础有望很快面世。 单桩基础因其结构简单而得到广泛应用，从1 9 9 0 年蛩j 2 0 0 8 年1 1 月，世界 范围内共建设了3 7 座海上风电场，其中使用单桩基础的1 8 座“1 ，这是因为现 在海上风电场建设最多的区域是在欧洲的北海、波罗的海等浅海海域，而在 浅海区域采用单桩的造价最低，且施工简便。 单桩基础的优点决定了海上风机基础的主导地位，而且随着各国海上风 电场的不断建造，单桩基础仍具有很大的优越性，因此基于单桩基础的扶正 导向装置的研究和设计具有重大的现实意义。 2 2 2 单桩基础安装过程 单桩基础不同于其他的海上风机基础，它结构简单由壁厚5 0 l o o m m 的钢板卷曲焊接而成，直径一般都在4 m 以卜长度一般y o s o 米左右，平均质 量约为2 0 0 t 左右，如图25 所示。 单桩基础的安装过程丰要包括起吊、翻桩、撤吊、置位、打桩、纠偏等 步骤，如图26 所示，其中纠偏和打桩是交替进行的，当桩基插入海床足够深， 土壤力能够维持桩基自由稳定的站立时，扶正导向装置才不再起作用，纠偏 也就没有必要了。 图2 5 单桩基础 纠偏打桩 五位 图26 单桩基础安装过程 下面具体介绍一下海上风机单桩基础安装过程”1 ： 1 、起吊 单桩基础先由驳船将其运到预定区域，再由主作业船上的主吊装置将翻 转吊具置于单桩基础上，此时起吊的准备工作完成，准备就绪后就可以进行 觯 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 翻转了。 2 、翻桩 起吊工作准备好了后就要进行翻桩，翻桩过程需要翻转吊具和主吊装置 配合来完成，随着主吊装置的不断提升，翻转吊具夹紧桩基，直至桩基由水 平变化到竖直方向。 3 、撤吊 当桩基由翻转吊具翻转到达竖直位置时，此时需要将翻转吊具撤去，以 便打桩锤能安装在桩基上进行打桩，由于桩基比较长，翻转吊具会在液压系 统的作用下自行解除夹紧状态，然后主吊将其吊离桩基。 4 、置位 翻转吊具撤去以后就要把液压锤放置到桩基的顶部，这主要靠主吊装置 来完成，当液压锤固定好以后就能进行打桩了。 5 、打桩和纠偏 当桩基撤去吊具后，在桩基自重的作用下，桩基插入海床一段距离，根 据海床土壤条件和桩基重量的不同桩基插入海床的深度也会不同，一般是 4 5 m ，当液压锤放置在桩基顶部时，由于液压锤的重量桩基还会在向下插入 海床一段距离，同时扶正导向装置夹紧桩基，检查桩基的垂直度是否满足要 求，一旦发现垂直度过大就要使用扶正导向装置进行纠偏，若垂直度满足要 求则继续进行打桩。第一次锤击后桩基一般会下沉0 3 m 左右，随着锤击次数 的不断增加，桩基入土深度也不断增加，但是每次锤击后桩基下沉距离将会 缩短。打桩过程中要不断对桩基的垂直度进行测量，打桩和纠偏是一个不断 重复和交替的过程。整个打桩过程大概需要2 5 小时左右，随着桩基入土深度 的增加，土壤与桩基之间的摩擦阻力不断增大，当到达一定的深度，桩基与 土壤之间的摩擦力足够大时，桩基便会牢牢地嵌在土壤里，此时导向扶正装 置便不再起作用，桩基能够自由站立，整个打桩过程也就完成了。 2 3 扶正导向装置作业环境分析 海上施工比陆地施工难度大，作业环境差，对工人和技术人员的技术和 哈尔滨丁程入学硕十学何论文 海上施工比陆地施工难度大，作业环境差，对工人和技术人员的技术和 身体要求都比较苛刻。因此，对扶正装置本身的要求也就比较高，不仅要能 进行正常的作业和施工，还要克服海上和海洋所有恶劣气候和环境的影响n 们： 海上气候的影响：海上气候主要是指海上的天气状况，包括可能出现 的大风或降雨。海上施工一般是不会在恶劣的天气下进行的，所以海上气候 的影响相对较小。 海洋环境的影响：海洋环境主要是指海况，包括海深、海流、海水状 况等。海洋环境对扶正装置以及桩基本身的影响最为严重，这不仅要求扶正 装置有一定的强度和刚度，还要求能适应海上作业环境，包括风、海浪、海 流等对桩基的冲击而引起的扶正装置的震动和碰撞等。由于海上环境载荷首 先作用到桩基上，下面将主要讨论环境载荷作用到桩基上的情况。 2 3 1 波浪 l 、波浪基本理论 水 厂n 、 l v 胛匕i i id z d l o ( a )【b ) 图2 7 作用在垂直柱上的波浪及波浪力 图2 7 ( a ) 表示在平坦、光滑的海底，静水深度为d 的海域向前传播的 波浪。一般假设：流体为理想流体，即无粘、无旋并且不可压缩；波浪在传 播过程中保持其形态不变，无下面海流，其运动是二维的1 。任一波浪都可由 波高h 、波长l ( 或周期r ) 和静水深度d 确定，并可按不同的波浪理论确 定水质点的运动。水质点的速度和加速度是波高日、波周期丁、静水深d 、 1 4 哈尔滨1 程大学硕十学伊论文 线性波理论( 又称a r i y 波理论) ，s t o k e s 五阶波理论，椭圆余弦波浪理论， c h a p p e l e a r 波浪理论，流函数波浪理论，扩展的速度势波浪理论，或修正孤 立波理论2 6 1 。在选择波浪理论时，对于有限波幅而言，在深水时一般用s t o k e s 高阶波( 三阶、五阶) ，在浅水时采用椭圆余弦波或孤立波；除此之外往往还 考虑到计算用途和计算精度要求等因素。下面仅介绍s t o k e s 五阶波理论。 s t o k e s 波理论的假设除与线性波一致外，还假定波幅不再是小量。考虑 了波陡日三的影响，证明波面不再是简单的余弦形式。l s k j e l b r e i a 和 h e n ( i 莉c k s o n 于1 9 6 0 年给出s t o k e s 五阶波的结果，即表示为前五阶各 项之和： 速度势 ： 丝= ( 施) s i i l ( 刀口) 1)c 5中cosh(2- 波浪传播的速度c ： i c 2 ：诅n y ) e l + 名：q + 2 4 c 2 ( 2 - 2 )鲥lj 波面升高r ： 切= 7 7 。c o s n ( n 8 ) ( 2 3 ) 质点水平速度匕： 睾= 胛( i ) , c o s ( ，z k s ) c o s ( 桕) ( 2 - 4 ) 质点垂向速度k ： = 立潭n ( n k s ) s i n ( 玎口) 质点水平加速度皇： 业：5 刀z n c o s ( 行k s ) c 。s ( 玎p ) oz下 质点垂向加速度华： ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) _ g v , - g t = 一窆刀z 。s i n ( 甩k s ) s i n ( 玎伊) ( 2 - 7 ) 纰午 ” 、7 巾的时间导数： 掣一一5n 2 0 ，一s ( 胛k s ) s i n ( 门口) ( 2 - 8 ) 纰乍 ” 、7 压 力p ： 面p 小王d g d 竽+ 艄2 村| 9 ， p c 22lc l c | l 以上各式中： o = k ( x - c t ) ， 17 - - 旯4 l + 名3 4 3 + 五5 4 5 ， 2 7 = 五2 a 2 2 + 名4 丸 ， 3 7 = 五3 4 3 + 名5 呜5 ，4 7 = 2 4 厶，5 7 = 力5 4 5 ，r 7 l = 名，r h 7 = 彳2 芝2 + 力4 气， r h 7 = 力3 岛3 + 五5 色5 ，r 4 7 = 旯4 ，r h7 = 名5 8 5 ，其中系数a o 、岛、c 与 相对水深圳，有关，可用有关表格确定。力、k d 由下面两式确定： 西1 = 力讽n ( b 3 5 + 色，) 名5 - 与( 2 - 1 0 ) k d t h ( k d ) ( 1 + c l , 彳, 2 - - c a 4 ) = 4 万素 q - 1 1 ) 显然求解五、捌时须进行迭代运算，后为波数，七：三芋，缈为波频，国：等。 2 、作用于圆柱构件的波浪载荷 作用于圆柱构件上的波浪荷载在性质上是动力，对目前所遇到的大多数 设计水深，这些载荷完全可以用它们的等效静力来表示。一般波浪诱导载荷 可分为拖曳力、惯性力和绕射力等三种，拖曳力是由物体造成水流的扰动引 起的；惯性力又分为两个分量组成，一是由于入射波压力场引起的作用力， 一是由于水的惯性引起的附加质量力；绕射力是由于考虑物体的作用，而使 波浪发生绕射时引起的作用力。上述波浪诱导载荷分量对于具体的结构对象 来讲，并不同等重要，这取决于结构的型式和尺度，以及海况特性。一般对 于小尺度结构( d l 0 2 ，d 为圆柱构件直径，为波长) ，波浪的拖曳力、 惯性力是主要的分量；对于大尺度结构波浪的惯性力和绕射力是主要的分量。 当构件尺寸足够大时，以致由于绕射或散射而影响入射波时，应使用绕射理 1 6 哈尔溟i ：程大学硕十学位论文 论来计算波浪力。绕射理论可确定由入射波和由入射波的绕射而作用在构件 上的压力。然后，将压力沿构件表面积分，以计算波浪力，这个力是仅与水 加速度有关的惯性部分【啦! 9 1 。 对于小尺度圆柱构件的波浪载荷通常可采用著名的莫里森m o r i s o n 公式 计算。m o r i s o n 于1 9 5 0 年在模型实验的基础上提出计算垂直于海底的刚性柱 体上波浪载荷的公式，即作用于垂直柱体( 如图2 7 ) 一微小长度d z 上的水 平力： 扭：p 孚c = 也a z + i 1p d c d v = l v = l d z ( 2 1 2 ) 上式中水平力由惯性力( 右边第一项) 和拖曳力( 右边第二项) 组成。 沿柱体全高的波浪载荷为： f ：f “d f ( 2 - 1 3 )= i( ) 式中： p d 海水密度，k g m 3 圆柱体直径，m 柱体的惯曳力系数或称阻力系数 柱体的惯性力系数或称质量系数 匕 中点处流体瞬时速度的水平分量，m s l 也i 匕的绝对值，m s v - = 中点处流体瞬时加速度的水平分量，m s 2 美国a p i 挪威d n v 波浪理论 s t o k e s 五阶波流函数s t o k e s 五阶波 曳力系数c d 0 “1 2 不小于0 6 0 5 1 2 惯性力系数c m 1 3 2 0 不小于1 3 2 c j 、c m 和选i j 备注 c b 、c m 和选用的波浪理论有关 的波浪理论有关 且高雷诺数时 c d o 7 1 7 哈尔滨r 稃人号：硕十学伊论文 运用m o r i s o n 公式计算海洋工程结构的波浪载荷，一个关键的问题是如何 针对具体问题确定曳力系数c n 与惯性力系数c - m 。因为水质点的速度和加速 度与所选用的波浪理论有关，所以选用的系数c n 、c m 应与相应的波浪理论 一致。对于一般形状的结构物，必须进行广泛的实验和分析。表2 1 列出了 美国和挪威有关规范的c d 、c m 取值范围口阳。 2 3 2 海流 海流一般包括潮流( 相应于天文潮) 、环流( 相应于大洋范围内的环流形 式) 及风暴生成的风成流。这三种流的矢量合成便是总的海流，在规定高程 上海流的速度和方向为流剖面。 在大陆架边缘外的深水海域，潮流一般是弱的。平缓的大陆架比陡的大 陆架潮流一般更强些，它沿任何开敞的海岸线很少超过0 3 m s 。潮流可能由 于海岸线或海底形状而被加强，以致于强潮流能在许多海湾和近岸区存在， 例如，在库克湾能发生约3 m s 的表层流速。环流相对来说要稳定些，是整个 海洋循环的大范围特征如大西洋中的g u l f 流和墨西哥湾的l 0 0 p 流，这些流 表层流速约在1 - 2 m s 范围内。在相对稳定同时，这些循环水体可能是慢漂的， 并可能从主循环水体内分离出断续流，而成为大范围的漩流或涡流，其速度 可能接近主环流的速度。这些环流和伴生的漩流发生在大陆架以外的深水中， 一般不会影响水深小于3 3 0 m 的海域。风成流是由风暴期间的风应力和大气 压力梯度引起的。流速是风暴强度和气象特征、水深和海岸形状以及水密度 剖面的复杂函数。在开敞海岸线以外的深水海域，估计表层风暴流速在热带 风暴和飓风期间可达到约2 3 的一小时持续风速，在冬季风暴或温带气旋 期间，可达到约1 的一小时持续风速。在风暴接近浅水和海岸线时可能增 加风暴涌和流。 影响海流力的大小的因素主要有：海流流速及其沿深度方向的分布规律； 海流流向；结构构件的形状与尺度等。海流力对结构的作用在波浪力计算中 通常是以海流流速与水质点速度矢量叠加的形式加以考虑。考虑海流对结构 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 物的惯性力，海流与波浪水质点的联合作用将使拖曳力大为增加。设海流的 速度为，水质点的速度为屹，则在极端情况下稳定海流流向与波浪行进方 向一致时，处于波峰位置的垂直圆柱构件所受到单位长度的最大拖曳力可由 m o r i s o n 公式计算： 羽名= 去p ( v w + 匕) 2d d , ( 2 1 4 ) 式中：p 海水密度，k g m 3 d 圆柱体直径，m c d 柱体的惯曳力系数或称阻力系数 c m 柱体的惯性力系数或称质量系数 u 中点处流体瞬时速度的水平分量，m s 当仅有海流单独作用时，即可令( 2 1 4 ) 式中v = 0 来计算单独海流 2 3 3 风载荷 风载荷作用到水面以上的结构部分。风载荷与风速成正比，因此风速的 取值显得特别重要。从风速的原始资料来，风速具有很大的脉动性，在一天 的风速记录中出现的某一瞬间的最大风速，称为该天的瞬间风速。在海洋平 台设计中常用的是两种设计风速，即持续风速和阵风速持续风速。一般是几 分钟( 例如l ，3 m i n ) 时距的平均风速，而阵风速是几秒钟( 如3 s ) 时距的 平均风速。持续风速用于整个平台风载荷计算，阵风用于单个结构构件的设 计圆。 基本风速的参考高度一般取海水平面以上1 0 m ，其它高度处的风速可用 下式换算： 匕= m 。 ( 2 - 1 5 ) 式中，k 为离海面的高度为z ( m ) 的风速，v l 。为离海面1 0 m 高处的风 速，n 值与测量风速的时距及离岸的距离有关，一般在7 1 3 之间变化。美国 a p i 规范建议，在开敞的海域，对于持续风速刀等于8 ，对于阵风甩等于1 3 f = 0 0 4 7 3 ( v ) 2 e 么 ( 2 1 6 ) 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 式中tf 风载荷，n 1 ， 风速，m b e 物体形状系数 a 物体面积，m 2 形状系数c 严格来说是构件形状、构件表面粗糙度及雷诺数的函数。为 便于工程应用，一般都根据构件的形状定出e 值，如表2 2 所示。 形状e 梁 1 5 建筑物侧面 1 5 圆柱形 o 5 平台总投影面积 1 0 2 4 本章小结 本章论述了扶正导向装置实际作业过程和工作环境，介绍了海上风机基 础的不同结构形式，并对它们做了比较。对单桩基础的打桩过程进行了详细 的说明，讨论了作用在桩基上的环境载荷，对扶正导向装置的作业环境有了 一个初步的认识，本章是扶正导向装置设计前必备的条件和材料，为结构设 计与纠偏扶正的分析工作提供了必要依据。 2 0 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 第3 章海上风机单桩基础纠偏扶正模型 3 1 引言 单桩基础已经成为了海上风力发电机主要采用的形式，由于单桩基础在 海上安装，施工过程和陆上安装相比有很大的难度，变幻莫测的环境载荷、 复杂的海床土壤状况以及桩锤等因素使得桩基发生偏斜的机率也随之增大， 因此海上风机单桩基础的纠偏扶正的研究与分析也就变得尤为重要。 纠偏扶正分析是一个相当复杂的过程，涉及到动力学、结构力学、土力 学、海洋工程等多学科领域，本章将结合海上风电场单桩基础安装过程，针 对实际安装过程中出现的偏斜现象，从动力学、结构力学、土壤力学、海洋 工程等方面建立数学模型进行分析计算，确定扶正导向装置的最大扶正力。 3 2 桩基偏斜原因及影响 3 2 1 桩基偏斜原因 海上风机基础在打入海床的过程中发生倾斜主要有以下几方面原因： 1 、地质因素。在桩基桩打入过程中，遇到软、硬土层，且层面与水平的 夹角较大( 一般 3 5 。) 时，在此层位易产生倾斜，如遇到较小卵石、块石，还 会发生沿其缝隙偏斜球那。 2 、操作因素。主要是打入速度的控制，对易产生偏斜的地层和部位，如 不控制打入速度，会造成偏斜趋势加快，对后面的施工和纠偏带来困难；垂 直度控制信号员与吊机手，在信息传送过程中，应注意力集中，传送视线无 障碍，手势明确，达到动态调整。其次，当稳桩时桩身不垂直或受到来自于 打桩锤的偏转力矩或偏心载荷的作用，打桩锤的桩帽与桩基的桩顶接触发生 错位，桩帽轴线和桩基轴线不在同一条直线上会产生偏心载荷或偏转力矩时 桩基也会发生偏斜。 3 、环境因素。在海上打桩过程中不可避免的要受到环境载荷的影响，当 遇到水平方向的力或力矩等，如海浪、潮汐或海流等引起的水平作用力或转 哈尔溟t 稃大学硕十学伊论文 矩，这些都会使得桩基发生偏斜。 随着桩基不断打入海床内部，土壤产生的摩擦推力也不断增加，桩基发 生偏斜的机率也会随之降低，这时扶正导向装置的作用也就不那么明显了， 但是，在打桩初期它还是非常必要的，一方面它为桩基提供必要的导向，由 于桩基比较长，而且重量大，即使桩基在自重的作用下插入海床，但这个深 度土壤提供的摩擦力还不足以维持桩基沿着竖直方向向下运动；另一方面， 当在打桩过程中遇到偏转力矩或偏心力桩基发生倾斜时，通过扶正导向装置 进行纠偏。 3 2 2 倾斜桩内