近海风电单桩基础水平承载特性和结构动力特性演化规律及减振控制研究

Monopile is usually adopted as foundation of offshore wind power tower. During the period of service, because monopile bears the long-term united load caused by wind and wave, capability of soil around the pile will degenerate, the displacement of pile top will increase, and the natural frequency of structure will descend, the risk of the resonance of structure and wind turbine will increase. Long-term and large amplitude vibration causes fatigue problem, and the service life of wind turbine will be affected seriously. Considering the long-term dynamic load monopile bears and the big height of pile top above the ground, water tank for vibration reduction will be installed on the top of monopole to control vibration. Under cyclic load, the evolution law of horizontal bearing performance and dynamic characteristics of monopile will be studied in this project by the direct method. Soil structure interaction and fluid solid coupling should be taken into accounted at the same time. Model experiment will be carried out by fatigue test machine. Numerical simulation will be carried out by the SPH method and the soil structure dynamic interaction method basing on transmitting boundary. The rule how the characteristics of pile, soil superstructure, cyclic loading and water tank, affect the evolution of horizontal bearing performance and dynamic characteristics of monopile will be analyzed. On this basis, the simplified model of monopile for the whole analysis on wind power tower will be further studied. And the design method of monopile will be studied by the method of optimization analysis. The achievements of study will enhance the capability of monopile and the development of wind power in the sea.will be promoted.

近海风电场中常用的大直径钢管单桩基础，在风、波浪等水平动荷载的长期联合作用下，桩周土体性能退化，水平位移增大，结构自振频率下降，结构与风机共振的风险增大。由此引起的长期大幅度振动会导致疲劳问题，严重影响风机的使用寿命。本项目根据其结构及受荷特点，提出在桩顶部设置减振水箱，控制振动对其长期性能的不利影响。基于直接法思路，研究长期水平循环荷载作用下，单桩基础的水平承载特性和结构动力特性的演化规律，并分析桩、土体、上部结构等关联物体特性、荷载特性及减振水箱特性的影响。针对这一涉及土—结构长期动力相互作用及流固耦合的问题，将利用疲劳试验装置开展模型试验。并将基于透射边界的土—结构动力相互作用分析方法与基于SPH法的流固耦合动力分析方法结合进行数值模拟。在此基础上，进一步研究风电结构整体分析时的基础部分简化模型以及单桩基础设计方法。研究成果将有利于提高近海风电基础的性能，促进我国海上风电的发展。

近年来，我国海上风机得到了快速发展，其主要基础型式为单桩基础。由于所处环境，海上风机长期受到风、波浪等水平向循环荷载的联合作用，水平位移增大。长期大幅度振动会导致疲劳问题，影响使用。本项目提出在单桩基础顶部设置减振水箱，控制振动对其长期性能的不利影响，并研究在长期循环荷载作用下的性能演变。首先，针对单桩基础顶部设置减振水箱的减振效果，开展以下研究。基于SPH法的流固耦合动力分析方法，建立考虑土结构相互作用海上风机的简化模型。分析了水箱、荷载、风机结构、土体的特性变化对减振效果的影响规律。在桩顶设置频率比1.0，质量比3%的减振水箱时减振效果最好。风机一阶固有频率随着露出桩长、塔顶集中质量增大逐渐减小，随着土体剪切模量增大逐渐增大。当荷载频率与结构一阶固有频率比值在0.90~1.10之间时，风机桩顶及塔筒顶均能有一定的减振效果，且加速度减振效果优于位移减振效果，桩顶位移减振率能达到6%~9%，桩顶加速度减振率能达到20%~30%，塔筒顶位移减振率能达到3%~5%，塔筒顶加速度减振率能达到6%~10%。开展模型试验，验证上述减振规律。其次，针对水平循环荷载作用下单桩的性能演变，开展以下研究。在砂土中，开展1:30相似比的模型试验，在水平向静载试验的基础上，开展循环荷载试验，研究单桩基础的承载特性随时间的变化规律。分析了不同埋深、不同循环荷载比的影响。在循环荷载作用下，桩顶荷载位移曲线呈滞回圈形，桩顶最大位移及桩身累积转角随循环次数的增大并逐步趋向稳定。随循环荷载比的增大，两者均有增加。埋深增大对长期循环荷载作用下桩顶最大位移及桩身累积转角有一定的限制作用，当埋深超过8D后，限制作用不再明显增加。然后，针对风机整体分析中的基础简化，基于桩土相互作用等效提出了单桩基础的简化模型。最后，综合项目研究，对海上风电单桩基础设计提出建议。本项目的研究对砂土中单桩式海上风电分析、设计、建造有一定的借鉴价值。