摘 要

风能现如今已成为发展最快的绿色能源，相较于陆地风能，海上风能开发潜力更大，但随着风电机组的单机装机容量和结构尺寸不断增大，传统的单桩式风电基础存在一定的局限性。因此，有针对性地对海上风机基础进行设计，发展可靠而又经济的海上风机基础结构形式，降低基础结构的建造成本十分必要。本文选用Vestas V90 3MW风力发电机作为研究背景，基于新提出的复合桩基础，从动力学角度对比了复合桩基础和单桩基础在风、浪荷载作用下以及软土层存在时二者的承载性能变化，主要研究内容如下：

（1）通过控制距离海平面10m高度的平均风速来设计所研究的荷载工况，并基于Davenport谱采用谐波叠加法模拟风速时程，利用相关简化假设和Morison方程生成风、浪荷载时程；

（2）基于ABAQUS有限元软件建立海上风机单桩式塔架结构和复合桩式塔架结构两种三维有限元模型，并对二者进行模态分析得到阻尼参数，将已经计算得出的风、浪荷载施加在有限元模型上，进行不同工况下的瞬态动力学分析，对比分析二者在塔架顶部、桩顶等关键位置的动力响应；

（3）考虑土体的成层性以及近海海床表层软弱土的存在对两种桩型动力特性的影响，设置不同的软弱土层厚度，探究两种桩型在软弱土层中的动力响应特点，并对海上风机基础结构的选择和工程设计提供建议。

关键词：单桩基础 复合桩基础 ABAQUS 动力响应 软弱土层

ABSTRACT

Wind energy has become one of the fastest growing green energy, Compared with the onshore wind energy, the offshore wind energy development potential is greater, but with the single machine installed capacity of wind turbines and structure size increasing, the traditional monopile foundation has certain limitation, therefore, it is necessary to target to the Offshore wind turbine foundation to carry on the design, develop the reliable and economic Offshore wind turbine foundation form and decrease the cost of construction of foundation. this article selects the Vestas V90 3 mw wind turbine as the research background, based on the proposed Composite pile foundation, the dynamic characteristics of composite pile foundation and monopile foundation under wind and wave loads are compared, and the bearing capacity changes of them in the presence of soft soil layer are analyzed. The main research contents are as follows:

(1) Based on Davenport spectrum, the time history of wind speed is simulated by harmonic superposition method, and the time history of wind and wave load is obtained by using related simplified assumptions and Morison equation;

(2) Based on ABAQUS finite element software, two kinds of three-dimensional finite element models of offshore monopile ower structure and composite pile tower structure are established, and the damping parameters are obtained by modal analysis. The calculated wind and wave loads are applied to the finite element model, the transient dynamic analysis is carried out under different working conditions, the dynamic responses of the two are compared and analyzed at the key positions such as the pile top or the top of the tower;

(3) Considering the stratification of soil and the influence of the existence of weak soil on the dynamic characteristics of the two types of piles, different thickness of the soft soil layer is set to explore the dynamic response characteristics of the two types of piles in the soft soil layer and to provide suggestions for the selection of the foundation structure and engineering design of the offshore.

KEY WORDS：monopile foundation; Composite pile foundation; ABAQUS; dynamic response; weak soil layer

目 录

1绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2海上风力发电基础动力学理论研究方法 3

1.2.1地基响应分析方法 5

1.2.2数值计算方法 5

1.3主要研究内容和目的 6

2海上风机基础结构动力分析基本理论 7

2.1引言 7

2.2模态分析 7

2.3瞬时动力学分析 8

3海上风机环境荷载分析 9

3.1引言 9

3.2风荷载工况模拟与计算 9

3.2.1风速模拟 10

3.2.2风荷载计算 14

3.3海浪荷载工况计算 15

3.3.1浪荷载计算方法 15

3.3.2波浪荷载计算 16

3.4本章小结 17

4两种风机基础有限元模型建立与动力分析 18

4.1引言 18

4.2本构模型的选取 18

4.3两种海上风机基础有限元模型的建立 19

4.3.1材料参数和模型尺寸 19

4.3.2建立两种海上风机—基础有限元模型 21

4.3.3模态分析 23

4.4两种海上风机基础动力分析和对比 23

4.4.1海上风机塔架—基础位移时程分析 24

4.4.2土体塑性应变分析 26

4.5本章小结 26

5含软弱土层场地对两种桩基的承载性能分析 27

5.1引言 27

5.2两种桩基在含软弱土层场地下的计算 28

5.3.1有限元模型建立与工况选择 28

5.3.2桩基在含软弱土层场地的动力时程分析 28

5.3本章小结 30

6结论与展望 31

6.1研究结论 31

6.2研究展望 32

参考文献 33

致 谢 36

1绪论

1.1研究背景及意义

我国漫长的海岸线加之季风气候的影响，使得海上风能源的开发和利用潜力十分巨大，因而我国近年来海上风电项目发展迅猛。截至2019年底，全球在建的海上风电项目共有23个，仅中国占到了13个，占全球56.5%，并且海上风能发电场的累计发电量达到503.54万千瓦，提前完成了“十三五”规划中500万千瓦的目标。另外，从装机容量来看，中国在建海上风电项目的装机容量达到3.7GW，占全球装机容量的52.9%。可以看出，中国已占据全球海上风电市场的半壁江山，中国有望在2020年后将成为全球最大的海上风电的使用国家。放眼全世界，海上风能的前景依然是巨大的，根据世界海上风电论坛（WFO）发布的最新数据，2019年全球共有16个新建并投入使用的海上风电场，主要分布在中国、比利时、德国、丹麦、英国等国家，截至2019年底，全球共有146个海上风电场已投运，累计装机容量达到27.2GW，同比增长23.4%。如图1.1所示，全球海上风电市场快速扩张，呈现持续增长态势。

随着海洋风力发电的不断推广和发展，风力发电机机组单机装机容量和结构尺寸也在不断增大，因而基础顶部受到的竖向压力以及环境荷载产生的水平荷载也随之变大，此外，由于海洋环境的特殊性，海上风机基础会长期受到各种动力荷载的作用，使得基础和塔架产生更大的振动和变形，这就对海上风机基础安全性和稳定性提出了更高的要求。因此，在考虑动荷载作用下，有针对性地对风机基础结构进行设计，提高其承载能力，发展可靠而又经济的海上风机基础结构形式，降低基础结构的建造成本十分必要。

目前主要的风机基础形式包括：单桩基础、桶形基础、多桩基础、重力式基础、导管架基础、浮式基础等^[1]，如图1.2所示，不同类型桩基的设计尺寸、选用材料的不同，导致其适用条件和承载力特性也不尽相同。

（1）单桩基础凭借其结构简单、便于施工制造、适用于多种工况条件等优势应用最为广泛，占到现有海上风机基础结构总量的80%^[2]，单桩基础通常选用钢管桩进行设计施工，桩径一般可达到5m以上，桩长一般可达到30m以上，由于其较大的桩径和较深的入土深度，竖向承载力通常可以满足要求，但相比于竖向承载力，单桩基础在水平荷载和弯矩作用下，可能产生较大的水平位移、桩身转角，因此在对单桩进行设计时需要重点考虑水平承载力是否满足要求；