[发明专利]新型海上风机上部结构-基础-土动力相互作用模型试验平台

说明书

技术领域

本发明涉及海上试验平台，特别涉及海上风机上部结构、基础与土的动力相互作用的模型试验平台。

背景技术

海上风能作为一种安全、清洁、稳定的可再生能源，在欧美等西方国家已经得到了大规模的开发和利用。随着能源短缺与环境污染问题的日益严重，我国在“十二五”期间也提出了要实现海上风电的总装机容量在2015年达到5000MW的目标。

目前，一座3MW海上风机在正常运行工况下的叶片转动速率大约为8.6～18.4rpm，所产生的1P激振力频率为0.14～0.31Hz；对于三个叶片的风机，由于叶片转动对风机塔架的“遮蔽效应”所产生的3P激振力频率为0.42～0.93Hz。另外，对于海上风机所受的风、浪、流等特殊的环境荷载形式，风和波浪及流荷载的主导频率为0.1～1.0Hz。当前风机结构设计参照较多的国外DNV规范又在1P及3P频率带的基础上，提出了风机结构设计时应预留出的±10%的安全度。因此，在风机结构设计中，为了避免结构的自振频率接近于这些激振力的频率带而发生共振的危险，对于风机结构设计师而言是一项巨大的挑战。目前，在综合考虑结构安全性与经济合理的基础上，一般选择“刚-柔（soft-stiff）”性（风机结构的设计自振频率介于1P与3P频率带之间）的结构设计目标。

海上风机是一种高柔性的结构，其自身动力特性随基础刚度的变化非常敏感。因此，基础结构的安全和稳定是整个结构能否正常运行的根本。而目前海上风机基础结构的建造成本已占到了总成本的34%之多，故风机设计中选择一个合适的基础结构类型及尺寸是高效低成本开发海上风能的关键。若按照极限承载力状态的设计准则，风机基础结构的设计一般均能满足工程要求。但风机结构除了应满足极限承载力状态（ULS）外，更重要的还要满足服役极限状态（SLS）及疲劳极限状态（FLS）的要求。国际上以英国牛津大学Houlsby教授为代表的研究团队，就海上风机基础结构的服役极限状态（SLS）开展了一定不同比尺的模型试验研究，主要关注的焦点是基础在循环荷载作用下的累积变形及刚度衰退等关键科学问题。研究了基础类型(重力式基础、单桩和吸力式桶形基础等)及尺寸、循环荷载类型（单向、双向加载）、加载幅值、加载频率和循环次数等因素对上述问题的影响。并针对能保证上部机舱和叶轮部位正常运行下的对基础累积变形最大容许度（如桩头最大累积转角变形0.5度），提出了以变形控制为目标的设计准则。

海上风机的设计使用寿命为25～30年，在此期间要经历大约10⁸次上部循环荷载的作用。目前，就风机结构在长期循环荷载作用下的疲劳极限状态（FLS）研究，还缺少相应的现场长期实测资料的支撑。根据已有的现场监测数据显示，荷兰Lely风电场的风机结构在运行半年后，结构的自振频率已由设计值的0.41Hz增大到了0.63Hz。总所周知，结构自振频率的变化势必对其造成严重的安全隐患。但是，当前就基础结构在长期循环荷载作用下的刚度变化对上部结构动力特性（如结构自振频率）演变规律的影响，国内外还缺乏相应的研究。尤其是建立上部结构-基础-土为一体的耦合系统，研究循环荷载作用下的该系统内部各个子结构之间的动力相互作用是当前在大力发展海上风机的大背景下亟待解决的一项艰巨的工程难题。详见文献<Bhattacharya S., Adhikari S., 2011.Experimental validation of soil-structure interaction of offshore wind turbines. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 31, 805-816.>和文献<Lombardi D., Bhattacharya S., Wood D. M., 2013. Dynamic soil-structure interaction of monopile supported wind turbines in cohesive soil. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 49, 165-180. >。