导管架式海上风电基础结构分析

山 西建筑SHANXI ARCHITECTURE第47卷第2期・56・4 0 0 1年6月Vol. 07 No. 2Jus. 2001DOI ：2. 13719/j. oki. 209-6525.2022 2.022强震作用下导管架基础结构特性分析沈骏1上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061）摘要:海上风电导管架基础结构作为应用广泛的固定式海上风机基础之一,具有能适应较大水深、稳定性好的优点。

采用时程 分析法输入Northridge 地震波，研究导管架基础结构的动力响应，结果表明塔筒顶端位移最大，位移随时间变化呈先增加后来减弱直至平稳的规律，与地震波加速度峰值相比，结构响应峰值存在一定的滞后,结构动力响应加速度不仅仅只与地震动峰值加速 度有关，还与地震波波频谱特性有着很大的关系。

越靠近桩底，结构等效应力越大，桩底处出现最大等效应力137 MPe 。

关键词:导管架基础,强震荷载，动力分析,ANSYS 中图分类号:TU312 3 文献标识码:A文章编号:209-3525 （2021） 2P056-040引言导管架作为一种钢结构,能较好地发挥其自重轻、塑性 变形能力强和延性好的优点。

由于钢材的延展性,导管架 基础结构曾被认为能够抵抗强烈的地震荷载。

然而, 294年1月1 2日美国加州San Fersanko Valley 北岭地震 中，陆域及附近海域大约有200多幢钢框架结构出现破坏, 1295年1月2日日本兵库县南部地区阪神地震中出现不 同程度破坏的钢结构建筑也高达985幢。

本研究针对海上 风电导管架基础，运用大型通用有限元软件ANSYS ,对受 到地震作用的导管架基础进行强度校核,得到基础的转角、 位移、强度，判断结构的安全性和稳定性。

1工程概况本文以渤海某海上风电导管架平台为例，上部结构采用NREL5 MW 风力发电机，风机高度为66 m,下部为四桩 型导管架基础结构,桩基础为直桩,导管架基础结构全部采 用的DH36钢圆管，整个工程处于水深为5。

海上风电机组导管架基础水下灌浆技术应用分析我国是一个资源消耗大国，对于电力资源需求极为庞大。

在资源需求和环境保护的压力下，寻找电力资源的目光瞄向了风力发电。

我国的海上风力资源充足，建立起了海上风电机组，进行风力发电已是一种必然趋势。

在海上建立发电机组需要用到导管架基础水下灌浆技术，导管架基础需要能够承受风电机组设备的长期动力荷载，这就要求导管架基础灌浆具备高强度、高抗疲劳、高抗离析等性能。

面对不同的海域情况，又要进行区别对待，我们因此对海上风电机组导管架基础水下灌浆技术进行研究分析。

标签：海上风电机组；导管架基础；水下灌浆技术0 引言随着科技的不断发展，人们对于能源的需求也是越来越大。

在使用水力、燃煤和核能发电的同时，风力发电也相对应用而生。

我国的辽阔海域上风力资源充足，建立起海上发电机组，可以为沿海城市提供电能。

海上风力发电机组建立在海上，基础形式大多为桩式基础，桩式基础又可以分为单桩基础，多桩导管架基础等形式。

这些基础都建立在海水中，我们使用的是先进的水下灌浆技术，然而不同的海域条件还会对技术有不同的要求。

一些复杂的海域条件，会导致水下灌浆难度提升，对海上风电机组基础的支撑结构安装起到不良影响。

在这里我们对导管架基础水下灌浆技术进行研究。

1 导管架基础结构导管架基础是一种应用较为广泛的海上风电机组，具有重量轻、地理条件适应性好和稳定性极佳等优点，在较深海域也可以广泛应用。

导管架结构是一种钢制框架结构，主要分为过渡段和导管架基础。

导管架基础一般分为先打桩导管架和后打桩导管架两种结构形式。

先打桩导管架是在海底先做出固定模架，然后打入四根呈正方形分布的钢管桩，然后再进行整体吊装，之后进行水下灌浆，连接并固定钢管桩和导管架基础。

另外的后打桩导管架则是在导管架的支腿底部安置桩靴，在导管架吊装结束后，钢管桩通过桩靴打入海底，在进行水下灌浆连接起来。

2 导管架基础水下灌浆材料灌浆使用的灌浆材料可以是普通混凝土浆，也可以是高强灌浆料。

海上风电机组导管架基础水下灌浆施工技术卓豪海摘要：文章以海上风电导管结构及桩基灌浆连接施工技术为研究对象，首先对海上风电导管架结构进行了阐述分析，随后分析探讨导管架基础灌浆连接段与导管架施工难点，最后结合实际案例对海上风电导管桩基灌浆连接施工技术进行了探讨，以供参考。

关键词：海上风电；导管架构；桩基灌浆连接施工技术前言我国沿海风能资源丰富，有着非常高的有效利用小时数，并且用电负荷中心也比较近，因此在海上风电发展上有着得天独厚的地利优势。

随着国家越来越重视绿色可持续能源开发利用，为海上风电发展带来了空前的机遇。

风机导管架基础是海上风电建设的重要组成部分，做好海上风电导管结构及桩基灌浆连接施工技术分析，对于促进我国海上风电产业发展具有重要的意义。

一、海上风电导管架结构分析导管架结构形式一般包括两种，一种是先桩法导管架，另一种是后桩法导管架。

两种导管架有着相同的主体结构，即都是框架对称结构，结构材料均为钢制材料。

但在结构细节部分有着明显的差异。

对于先打桩导管架而言，在自身支撑腿末端不需要进行桩靴设置，而后打桩导管架则需要设置桩靴。

导管架结构一般分为两部分，一部分是导管架结构基础，一部分是过渡段，过渡段主要包括平台甲板、主斜撑、主筒体等。

在实际开展灌浆施工作业时，一般地点会选择专业灌浆船上，并在完成打桩、下部导管架施工等工序后，正式开始进行桩基灌浆作业。

在具体进行灌浆施工时，需要遵循如下施工流程，首先稳步停靠灌浆船，保证船体在有灌浆终端面板的导管架一侧，方便灌浆管连接，然后连接好灌浆管，并向环形空间内进行淡水压注；接着在正式灌浆前，需要做好环形空间气密性检查，并向灌浆管进行润管料压注，使得灌浆管道处于湿润状态，随后将拌制好的灌浆料由灌浆泵灌入灌浆区域，一般完成单桩灌浆的标志是在溢浆口处有浓浆溢出，然后将灌浆管拔出，连接导管架同侧的另一根导管线，继续进行灌浆，在完成导管架同侧灌浆后，移动灌浆管到导管架另一侧，重复上述步骤，对另外两个单桩进行灌浆，全面完成灌浆工作。

海上风电风机基础结构形式及安装技术摘要：海上风力发电是未来主要风能趋势，且海岸滩涂风力储量丰富，具有巨大开发潜力。

但是海上存在复杂区域条件和不稳定地形，直接开发很容易引起海底土壤侵蚀和液化，这直接影响到海上风力发电机基础安全性和稳定性。

针对现有风力发电机基础，本文分析现有海上风力发电机基础结构形成，探讨其施工安装技术。

关键词：风机基础；单桩基础；安装技术前言：随着传统热能发展停滞，新能源增长会成为全球趋势。

由于热力和煤炭资源不足，清洁能源成为全球能源领域的热门话题。

风力发电作为清洁、无污染的可再生能源，越来越受到人们关注，本文将对海上风电风机进行分析探讨。

1 现状风能具有可持续发展，是一种清洁无污染能源，是未来能源发展方向。

面对我国当前环境污染现实和环境保护以及节能减排的迫切需要，海上风电将进入发展黄金时代。

故此，近年来将是海上风电发展爆发阶段。

海上风电机组安装，现已建成许多套，在基础上对风力发电机进行综合提升[1]。

2 基础结构形式通常，海上风力发电机形态基础结构主要包括重力基础、单桩基础、高桩承台基础、多桩基础及导管架式基础、吸力锚基础，详见下表。

2.3 高桩承台基础高桩承台基础需要根据实际地质条件和施工难度施工，其外围桩通常从一定角度向内倾斜。

地基应用于风电设备建造前，它是由基桩和上部承载平台组成，是沿海码头常见结构。

优点是对水平位移受力和阻力有利；缺点是基底较长，整体结构较重，因此适合于深度小于20米浅海海域。

2.4 多桩基础多桩基础使用多个钢堆，管道方向上部连接在钢桁架基础部分，基础上部连接在塔筒上。

多桩基础主要用于大规模风力发电园区和水深海域，在许多国家都有使用。

适合水深300米内海洋地区，不适合海底岩石多发地区情况。

多桩基础在海上石油和生产平台建设上非常成熟，可以应用于大众化和海上风能。

其优点包括质量轻、基础强度高、安装技术成熟，适用于深海；缺点是需要大量钢材，生产时间长，成本相对高，安装易受到天气影响[3]。

海上风电导管架基础建造方法探讨摘要：海上风电开发力度在不断增大，发电规模的增大对施工建造技术提出了更高的要求，面对复杂的施工环境，必须要有适应性更强的技术工艺作为支持，更灵活的应对各种施工问题，提高导管架基础建造质量。

目前海上风电多数应用的是桩基结构，应用灌浆技术来进行导管架与基础的连接处理，为避免各种质量病害的发生，必须要基于现场情况编制科学的施工方案，确定技术要点，达到与预期一致的施工效果。

关键词：海上风电；导管架；基础建造；施工技术风能是一种可再生的清洁能源，近年来我国海上风力发电机组容量在不断增加，在丰富的海上风能资源支持下，风电效益在持续上升。

面对复杂的海上环境，在建造风电导管架基础时，需要基于实际情况来选择适应性更强的技术工艺，确保所选基础形式适应水深条件，建设后保持较高的安全性与稳定性，满足风电机组运行需求。

一、海上风电机组基础形式我国拥有丰富的海上风能资源，且相比近海远海风能储备更高，具有非常广阔的开发空间。

当前大部分的海上风电项目均集中在潮间带以及近海浅水区，重力式基础、单桩基础、导管架基础以及新型吸力桶基础是常见的基础形式，不同基础形式所适用的条件不同，可根据施工环境以及建造需求来灵活选择。

例如单桩基础可根据水深大小来设计直径，主要用于0~30m水深环境，相比来讲导管架可适用不同水深环境，且深度越大经济效益越高。

单桩基础在海上风电机组建设中应用十分广泛，一般钢管桩直径设计为3~7m，多被用于水深低于25m且海床浅层土体良好的海域[1]。

但是随着我国海上风电开发逐渐向远海以及深水开发，导管架基础的适应性就大大提高。

导管架基础主要包括导管架基础结构以及基础桩两部分，具有重量小、强度高、受海流作用小以及水深适用性强等特点，尤其是超过30m以上的水深海域经济性更高。

随着导管架结构基础在更深海域中的应用，为更好的适应复杂的海况条件，导管架基础规模越来越大，施工难度也更高，需要不断的对施工技术进行更新优化，以便达到与设计一致的建造效果，满足海上风电机组安全稳定运行的要求。

海上风电深水导管架基础过渡段有限元模拟分析摘要：海上风电导管架过渡段主要连接下部结构和上部塔筒，起到承上启下的关键作用，因此对其的设计及校核尤为重要。

本文应用非线性有限元分析软件ABAQUS，采用静力学方法对海上风电深水导管架基础斜箱梁式过渡段进行了数值模拟分析，分析结果表明，该过渡段形式能适用于深远海导管架支撑结构上，为我国深远海海上风电支撑结构设计提供借鉴和参考。

0引言由于海上风电场风速高、风况优、湍流强度低、有稳定的主导风向，不消耗陆地资源等优势，世界范围内（包括我国）都对近海风电场进行了大规模的开发，目前国内已适宜开发的近海风电资源日益减少，风电开发走向深远海是必然的趋势。

海上风电机基础的成本是海上风电成本的重要因素，在中深水区域，导管架基础比单桩基础有更好的安全性和经济性。

虽然导管架基础在国内应用处于起步阶段，但是我国在石油平台设计、施工领域经验丰富，可以借鉴使用。

目前导管架基础过渡段形式主要有斜撑式过渡段和箱梁式过渡段两种，不同过渡段形式的传力方式不同，结构用钢量不同，本文选取具备优势的斜箱梁式过渡段为研究对象，为以后后续海上风电场导管架过渡段设计提供一定借鉴意义。

1计算模型及结果目前海上风电领域导管架基础主要采用两种过渡段型式，一种为平箱梁式过渡段，一种为斜箱梁式过渡段。

本文以四桩导管架基础为例，针对斜箱梁式过渡段方案开展设计，斜箱梁式模型主要由主钢管、斜顶板、底板、腹板、支撑管、过渡段内加强板等6部分组成，如图1.1所示。

图1.1 过渡段模型1.1有限元模型设置模型采用的单元类型为四节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元（S4R单元），钢材弹性模量为2.1× 1011 Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg /m3。

风机荷载通过参考点施加至主钢管顶部位置，并全约束支撑管底部。

网格大小为300mm×300mm，网格总数量为16435个。

为使计算结果更为精确，通过3步加载荷载，分别是重力荷载加载、风机荷载的竖向力加载、风机荷载的扭矩、弯矩和竖向力加载，风机极限和疲劳荷载见下表1.1表1.1 风机荷载表1.2计算结果导管架基础过渡段设计时需重点考虑极限荷载下自身的强度问题和风机长期荷载作用下的疲劳问题，需要进行极限强度分析和疲劳分析导管架的极限强度分析的目的是为了校核上部过渡段板壳与主钢管的结构设计，为进一步的局部详细结构设计提供参数及建议。

第４期王懿等海上风机基础结构力学分析发电机组的海上风机基础结构的性能研究必将成为海上工程领域的研究热点。

中国海洋石油总公司将ＳＺ３６—１ＳＰＭ四腿导管架作为风电机组的基础，成功建立我国第一个自行设计、制造和海上运输安装的海上风电站。

这也是全世界第一个向海上油田供电的海上风力发电站。

海上风电开发和陆地的显著区别之一在于其基础的完全不同ｒ４］。

海上风机基础处在风、浪、流和冰共同作用的环境下，且海上风机必须装备单机容量大的机组以降低成本，因此海上风机基础的设计不仅关系到投资成本，而且关系到整个结构在服役期内的安全。

本文研究了海上风电机组基础结构与风机塔架的整体动力特征，分析了风机基础在风、浪、流、冰和风机运动等动力荷载作用下的动力耦合特征结构强度影响。

１海上风机基础结构形式及模拟１．１海上风机基础结构形式海上风机基础是造成海上风电成本高的因素之一，设计时要考虑海床的地质结构情况、离岸距离、海上风、浪载荷特性以及海流、冰等的影响【５］。

海上风机基础结构有重力式结构、桩基同定式结构，以及近年来开始应用的一种筒型基础结构［６］。

重力式基础结构为钢筋混凝土结构，靠自身质量和压载物的质量稳固海床上。

重力式基础体积庞大，质量需随着水深的增加而增加，基础建造的费用也会相应增加。

重力式基础的适用水深为ｏ～１０ｍ。

桩基固定式结构包括单立柱、单立柱三桩结构、四腿导管架结构等。

已建成的大部分海上风电场都采用了单立柱基础。

单立柱基础桩体与塔架可直接相连，或通过过渡段连接，其对振动和不直度较为敏感，设计和施工的要求较高；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钢架与中心立柱连接，风机塔架连接到立柱上形成一个结构整体；四腿导管架基础完全借鉴于固定式平台的概念，采用了刚度更大的结构形式，桩基固定式结构适用水深为０～５０ｍ。

筒型基础结构由一个中心立柱与钢制圆筒通过带有加强筋的剪切板相连，剪切板将中心立柱载荷分配到筒壁并传人基础。

浅析海上风机基础导管架的夹桩器结构分析和导管架的安装研究摘要：海上风力发电是目前最经济高效的方式，如何开发好海上风力发电，成为全球不断研究努力的方向，本文将讨论海上风机基础导管架的夹桩器结构，以及导管架的安装研究。

关键词：海上风机基础导管架夹桩器结构分析导管架安装研究近年来随着全球不可再生能源如煤炭、石油的日益减少，利用可再生能源呈现方兴未艾之势，风力发电在我国发展迅速，我国的海岸及沙漠边缘的风力发电规模也是越来越大，但海上风电开发还处于起步阶段，海上风力发电比陆上风力发电更具有不占用陆地面积、风速比陆地大、风的方向较稳定等优点。

风机基础是海上风电建设的重要环节。

海上风电场风机基础是将风机稳固在海上的重要建筑物，风机基础处在海洋环境，不仅要承受结构、风荷载，还要承受波浪、水流力等；同时风机自重本身对基础刚度、基础倾角和振动频率等均有非常严格的要求。

由于我国海上风力发电发展还在起步阶段，海上风机基础将会是以多桩承台型式为主。

桩基、导管架组合结构作为海上风机基础的一种型式，通过对桩基础与导管架腿柱之间的环形空间进行灌浆，将导管架与桩基础连接成一个有机整体。

本文将对海上风机基础导管架的夹桩器结构分析和导管架的安装探讨。

一、风机基础结构认识海上风电场风机基础是将风机稳固在海上的重要建筑物，风机基础结构有单桩基础、多桩基础、三脚桩基础、导管架基础等，单桩基础是最简单的基础结构，它由焊接钢管组成，桩与塔筒之间的连接可以是焊接法兰连接，也可以是套管法兰连接。

单桩基础通过侧面土壤的压力传输风机荷载，插入深度取决于海床地质类型，一般深至海床下 40 ～ 60 m，直径根据负荷的大小而定，一般在3 ～ 5 m，壁厚约为桩直径的 1 % 。

多桩基础形式是根据实际的地质条件和施工难易程度，做成不同根数的桩，外围桩一般呈正多边形分布。

本文主要针对导管架基础认识。

导管架基础如图所示，它是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，桩基础为六腿或五腿结构，由圆柱钢管构成。

海上风电多桩导管架式基础导管架优化研究摘要:我国沿海地区有着十分丰富的风能资源，属于绿色清洁能源。

为高效落实海上风电相关新能源项目的建设实施，积极落实导管架相关建造优化研究工作较为必要且重要，对此，本文主要围绕着海上风电当中多桩导管架式的基础导管架科学优化开展深入研究及探讨。

本次课题研究可谓是运用到各种学科方法、基础理论及成果，并从整体入手综合研究本课题，以保证本次课题研究的客观性及精准性，期望可以为后续更多技术工作者和研究学者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

关键词:多桩导管架；海上风电；基础；导管架；优化；前言海上风电项目工程当中，导管架的建造从属重要内容，对项目总体建设质量及效果有着直接影响。

因而，综合分析海上风电当中多桩导管架式的基础导管架科学优化，有着一定的现实意义和价值。

1.海上风电类型概述海上风电当中基础一般情况下是以过渡段部分、基础及其子结构等。

基础的子结构在类型上以单桩式、漂浮式、重力式、导管架式、三脚架式为主。

针对单桩式的基础，即陆上的风机塔架有效延长至海面下部分，且插入海床内部。

为确保刚度足够，单桩的基础直径应相对较大，以至于所产生波浪载荷较大。

深海环境当中，满足于固有频率及刚度单桩直径制造难度系数较高[1]；针对三脚架式的基础，其基础下部分内含较细几个结构连接至中间主管桩部分三脚架的基础，其所表现出优势优点为强抗倾覆力、小海水阻力，可穿过其基础下部。

但上部分主管桩不具备这些优势特点，下部焊接位置会有疲劳载荷的敏感性产生，需仔细实施设计制造操作；针对导管架式的基础，内含支撑杆细框架有效连接三桩或者是四桩，其对于海水流动一般无阻力产生。

通常情况下，载荷经支撑杆的轴向实现传递。

基础面积若相对较大，则呈较强的抗倾覆力，总体框架结构呈轻重量，便于加工制造。

但接头均需高标准加工制造，相对耗时；针对重力式的基础，其主要依靠着大直径的抗倾覆及低重心，由砼加工制造，可直接放置海床上，过渡段安装可得以减少；针对漂浮式的基础，其是依靠着浮力致使风机处于海面上，可适应于不同水深，大批量加工制造可实现。

浅谈导管架式海上风电基础结构分析风能是清洁性能源，具有可再生性以及独特的优越性，随着社会和科技的不断进步，推动了海上风能的开发以及利用。

在海上风电产业发展的背景下，我国对新型能源的需求量在不断增加，从而促使海上风机发展成海洋工程结构物，目前，我国已经建成的具有代表性的海上风电场有山东的荣成项目、上海的东海大桥项目等。

标签：导管架式；海上风电；基础结构风能是一种清洁性能源，具有可再生性、可利用性、长期性、周期性等特点。

风能与煤炭、石油等化石能源的特性不同，不存在能源勘探、能源挖掘、能源加工等问题，在其使用过程中，不会因为使用量的增加而减少，其中风能的应用主要是风力机发电，而海上风力机会受到海洋环境以及桩基结构的影响。

一、海上风电基础结构型式目前，针对海上风电的开发阶段，降低海上风电场建设的经济投资是海上风电开发和利用的关键，其中经济投资中成本占比最大的是风电机组基础结构的建设成本，而这部分也直接影响风机运行的结构稳定性和安全性，因此，风电基础结构的研发成本低、可靠稳定性高，能够保证海上风电场的顺利建设[2]。

在海上风电场的利用和发展过程中，通过对海上固定式平台基础结构的加工和衍变，形成了我国现有的海上风机基础结构，根据海上风机装机容量的不同，以及海水深度、海水环境、建设投资的不同，可以将海上风电基础型式分为以下四种：①重力式基础：是指海上风电基础结构需要依靠其自身的重力来维持结构的稳定性和强度性，常见的型式是钢筋混凝土结构。

如图1所示②桩承式基础桩承式基础结构受力模式和建筑工程中传统的桩基础类似，由桩侧与桩周土接触面产生的法向土压力承担结构的水平向荷载，由桩端与土体接触的法向力以及桩侧与桩周土接觸产生的侧向力来承载结构的竖向荷载。

桩承式基础分类按材料分：钢管桩基础和钢筋混凝土桩基础；按结构形式分：单桩基础、三脚架基础、导管架基础和群桩承台基础。

如图2所示③浮式基础：是指利用系泊或者锚杆在海底进行位置的固定，通过三力的平衡来维持海上风机基础结构的稳定性，其中三力是指自身重力、系缆回复力、结构浮力，并且还能够精准控制海流影响产生的摇晃角度。

中国港湾建设China Harbour EngineeringSummary of jacket foundation construction technologyin offshore wind power projectTIAN Wei-li 1,WANG Dong-dong 2*,GAO Jian-yue 2（CC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;pany of China Communication ConstructionHarbor （Shanghai ）Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China ）Abstract ：Single pile foundation and high-rise pile cap foundation are the main types of foundation in the existing and under construction offshore wind power projects.In recent years,jacket foundation has been used in recent years.With the development of offshore wind power construction towards deep water and large scale,the jacket foundation will be used more and more.In this paper,we analyzed the key technical problems in the construction of deep water jacket foundation of offshore wind power project,and its application prospect in offshore wind power project.Key words ：offshore wind power ；jacket;leveling;pile driving;underwater grouting;deepwater摘要：已建和在建海上风电项目中，单桩基础和高桩承台基础是主要基础结构形式，最近几年开始使用导管架基础。