CN112523251A - 集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩 - Google Patents
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Abstract
一种集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，它包括钢管桩、横向承载构件和阻尼减振器，钢管桩下部打入海床，横向承载构件的框架构件位于海床下部钢管桩内与其连接，横向承载构件的平板构件位于海床上部钢管桩内与其连接，位于钢管桩内部平板构件或钢管桩内部上设置阻尼减振器，钢管桩与横向承载构件形成仿生竹节钢管桩。本发明克服了海上风电大直径钢管桩容易发生弯曲破坏和屈曲破坏、振动响应大、制造成高的问题。仿生竹节设计提高了钢管桩抗弯强度和抗屈曲能力，避免运输过程中变形，阻尼减振器降低单桩基础自身的振动频率，避免基础、塔筒和机组产生共振和涡振，具有制作简单，成本低，稳定性好的特点。
Description
技术领域
本发明属于海上风电桩基础技术领域，涉及一种集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩。
背景技术
目前，国内海上风电基础结构以单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、筒式基础为主。单桩基础为大直径钢管桩，具有结构受力清晰、制作和施工工艺简单、施工周期短等优点，是水深30m以内海上风电场最常用的基础型式，在全球已建海上风电场的基础型式中占比超过80%。随着海上风电开发的进一步发展，海上风电场水深将从30m增加至60m以上，单机容量将达到15MW，风轮直径将达到230m。为了满足大容量海上风电机组对支撑结构承载力的要求，需要桩径10m以上和桩长100m以上的钢管桩。
在海上风电机组运行期间，单桩基础需要承受风机和支撑结构重力荷载、风荷载、波浪荷载、海流荷载和海冰荷载等耦合形成的外部荷载。研究表明，随着桩径从8m增加至11m，桩长达到120m，桩身壁厚将接近150mm，桩重将达到2400吨，该桩重已经超过现在最先进吊机和安装船的极限吊装重量（2000吨）。同时，随着大直径钢管桩的桩径和桩长的增大，以及机组容量的增加，钢管桩需要承受更大的水平荷载和轴向荷载，此时超大直径薄壁钢管桩结构更容易发生弯曲破坏和屈曲破坏。因此，超大直径钢管桩对海上风电安装设备和安装工艺提出了新的挑战。此外，增加桩径和桩壁厚度会显著提高单桩基础制造成本。为满足经济性需求，研究学者提出提高极限直径-薄厚比。然而，随着壁厚的降低，桩身会在加工、运输过程中产生应力集中，造成塑性变形，即桩身在自重下将产生不规则椭圆化变形，提高两段桩之间的焊接难度。最后，由于单桩基础在泥面以上桩身长度将随着水深的增加而同步增大，在更深的海域，单桩基础的振动响应将更加显著。简单地通过单桩基础结构优化设计无法满足基础-塔筒-机组振动频率的设计要求。
竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的生物体，其弹性和韧性均很高。同时，竹子在外形上是一种管状结构，与常见的钢管桩结构相近，这种结构上的相似性是选择竹子作为仿生原型的基础。此外，自然界中，竹子主要承受自重荷载和风荷载，与常见的钢管桩的外部受力模式相近，荷载的相似性也是选择竹子作为仿生原型的基础。竹子特有的空心薄壁截面使其受到的压力具有良好的稳定性能，同时竹节保证竹材局部受到压力的稳定性能，竹节与节间竹筒构成有机整体，显著提高了竹子的抗弯刚度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，在钢管桩内部设置与其连接的横向承载构件，钢管桩与横向承载构件形成仿生竹节结构，提高仿生竹节钢管桩的抗弯强度和抗曲能力，避免运输过程中变形，在钢管桩内部的横向承载构件或钢管桩内部上设置阻尼减振器，有利于单桩基础多向调谐减振，降低单桩基础自身的振动频率，避免风荷载、波浪荷载、海流荷载、海冰荷载和地震荷载作用下基础、塔筒和机组产生共振和涡激振动，同时阻尼减振器制作简单，成本低，稳定性好。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，它钢管桩、横向承载构件和阻尼减振器；将所述钢管桩下部打入至海床设计位置，所述横向承载构件的框架构件位于海床下部钢管桩内与其连接，平板构件位于海床上部钢管桩内与其连接，所述钢管桩和横向承载构件基于仿生原理，采用有限元进行整体结构设计，以使钢管桩形成变截面大直径仿生竹节钢管桩，所述阻尼减振器固定于钢管桩平板构件上或钢管桩内壁。
在优选的方案中，所述钢管桩直径9-14m、锚固于海床的桩身长度与桩身直径之比为4-8是未来超大直径单桩基础主流的尺寸参数，也是采用竹节仿生设计的优选尺寸参数。变截面大直径仿生竹节钢管桩具有类似于竹子的近似等强度变截面管状结构特征，在保证钢管桩具有较高抗弯刚度的同时有利于降低造价。
在优选的方案中，所述横向承载构件包括多个在钢管桩内沿轴向分布的平板构件和框架构件，横向承载构件之间的间距为钢管桩直径的1-3倍，位于钢管桩内轴向分布的平板构件、框架构件与钢管桩形成仿生竹节结构，以提高钢管桩抗弯刚度和抗屈曲能力，具有综合造价低、施工难度小和可以充分利用现有施工设备的优点。
在优选的方案中，所述平板构件为带孔圆板，采用打桩机将钢管桩打入海床泥面下部，在打桩的过程平板构件上的孔洞保证空气在钢管桩内部自由流动，避免内部空气压缩影响打桩。
在优选的方案中，所述带孔圆板的厚度为钢管桩壁厚的0.5-1倍，钢管桩的不同桩身位置的平板构件采用不同的尺寸参数，是为了满足竹节仿生结构设计中近似等强度变截面管状结构的设计需求。
在优选的方案中，所述框架构件为多个竖直平板呈放射状连接的十字形或三叉形框架，框架构件为十字形或三叉形框架结构，是为了降低横向承载构件对钢管桩打桩阻力的影响；泥面上部横向承载构件采用带孔圆板，这是由于泥面上部横向承载构件不会产生土体阻力，且相对于十字形或三叉形结构，圆板提供更大的抗弯刚度和抗屈曲能力，因此减小泥面上部桩身的直径，进而降低波浪和海流引起的水平荷载。
在优选的方案中，所述阻尼减振器为调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器中的任一种或多种组合体。调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器所用的介质包括水、硅油的粘滞液体；阻尼减振器根据工程需求，由调谐质量阻尼器与调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器等组合而成。
本发明具有的优点和积极效果：
1、采用竹节结构仿生原理进行大直径钢管桩的仿生设计，避免了直接通过增加桩径和壁厚的方式来提高钢管桩抗弯刚度和抗屈曲能力，具有综合造价低、施工难度小和可以充分利用现有施工设备等优点。
2、通过在横向承载构件上或钢管桩内壁上安装阻尼减振器，有效调节基础-塔筒-机组体系的自振特性，降低振动响应幅值，有利于钢管桩基础结构的前期优化设计。
3、横向承载构件和阻尼减振装置在钢管桩出厂前完成安装，有效解决桩身壁厚降低导致钢管桩发生局部屈曲，以及不规则椭圆化带来的桩身焊接问题，因此不会对单桩基础运输和安装产生负面影响。
4、本发明集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩降低地震荷载、冰激荷载、风荷载、波浪荷载、海流荷载以及多种荷载耦合引起的基础结构振动。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图中：钢管桩1，横向承载构件2，平板构件21，框架构件22，阻尼减振器3。
具体实施方式
如图1中，一种集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，它包括钢管桩1、横向承载构件2和阻尼减振器3；将所述钢管桩1下部打入至海床设计位置，所述横向承载构件2的框架构件22位于海床下部钢管桩1内与其连接，平板构件21位于海床上部钢管桩（1）内与其连接，所述钢管桩1和横向承载构件2基于仿生原理，采用有限元进行整体结构设计，以使钢管桩1形成变截面大直径仿生竹节钢管桩，所述阻尼减振器3固定于钢管桩1平板构件21上或钢管桩1内壁。
值得说明的是，本发明中钢管桩1和横向承载构件2作为整体采用竹节结构仿生原理设计，使桩身整体形成类似于竹子的近似等强度变截面管状结构，横向承载构件2类似于竹节的作用，以提高钢管桩1的抗弯刚度和抗屈曲能力，横向承载构件2在海床上部和海床下部采用不同的结构型式以适应不同的结构设计需求。此外，在设计过程中，以钢管桩允许桩身变形、振动频率和疲劳荷载为设计指标，充分考虑正常运行工况和极端工况下风机荷载、塔筒和基础自重荷载、风荷载、波浪荷载、海流荷载、海冰荷载作用，以及钢管桩与海床层状土体的非线性相互作用机制，保证大直径仿生竹节钢管桩在海上风电全生命周期内安全稳定。
具体的，海床下部钢管桩内部的横向承载构件2的框架构件22的横截面形状优选为十字形和三叉形，海床上部钢管桩内部的横向承载构件2的平板构件21的横截面形状优选为带孔圆板，圆板上的孔包括一个大孔或多个小孔，孔的作用是保持空气在钢管桩内部的自由流动，避免内部空气压缩，影响打桩。
具体的，阻尼减振构件3的类型、结构型式和尺寸参数根据荷载作用下大直径仿生竹节钢管桩的自身振动频率设计，用于降低风、冰激、地震、波浪、海流中的一种荷载或多种荷载引起的基础结构及其上部塔筒的振动响应。
可以理解的是，框架构件22优选为十字形或三叉形，是基于有限元仿真计算得到的优选结构型式，一方面可以降低横向承载构件对钢管桩打桩阻力的影响，另一方面起到“竹节”作用，提高抗弯刚度；平板构件21采用带孔圆板，这是由于泥面上部横向承载构件不会产生土体阻力，且相对于十字形或三叉形结构，圆板提供更大的抗弯刚度和抗屈曲能力，因此减小泥面上部桩身的直径，进而降低波浪和海流引起的水平荷载。
具体的，框架构件22宽度为0.05-0.5倍桩径，厚度为1-2倍桩身壁厚，平板构件21厚度为0.5-1倍桩身壁厚，横向承载构件2间隔距离为1-3倍桩径，所述框架构件22、平板构件21的尺寸参数，以及横向承载构件2的间隔距离是采用有限元仿真计算得到的。
可以理解的是，框架构件22的间距小于平板构件21的间距，且桩身不同位置的横向承载构件2不同的尺寸参数，以满足竹节仿生结构设计中近似等强度变截面管状结构的设计需求。海床下部的钢管桩采用等截面设计，海床上部的钢管桩通常采用变截面设计，变截面设计有助于降低风、波浪和海流引起的水平荷载。
具体的，阻尼减振器3优选为调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器。
值得说明的是，阻尼减振器3优选以调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器为基础研发的新型阻尼减振装置，所述调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器等阻尼器所用的介质包括水、硅油等粘滞液体；所述阻尼减振器3根据工程需求，由调谐质量阻尼器与调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器组合而成。所述阻尼减振器3的类型与实际工程中的机位点仿生钢管桩振动频率有关，是采用振动台实时耦联试验或有限元-有限体积数值仿真计算得到的。
具体的，仿生竹节钢管桩包括通过增加桩翼、摩擦盘、胶结堆石体、吸力筒复合结构形成单桩复合基础，包括仿生竹节钢管桩-翼板复合基础、仿生竹节钢管桩-摩擦盘复合基础、仿生竹节钢管桩-胶结堆石体复合基础、仿生竹节钢管桩-吸力筒复合基础、仿生竹节钢管桩-翼板-吸力筒复合基础、仿生竹节钢管桩-翼板-胶结堆石体复合基础。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，其特征是：它包括钢管桩（1）、横向承载构件（2）和阻尼减振器（3）；所述横向承载构件（2）固定于钢管桩内部，框架构件（22）位于钢管桩（1）下部与其连接，平板构件（21）位于钢管桩（1）上部与其连接，所述钢管桩（1）和横向承载构件（2）形成变截面仿生竹节钢管桩，所述阻尼减振器（3）固定于钢管桩（1）平板构件（21）上或钢管桩（1）内壁。
2.根据权利要求1所述的集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，其特征是：所述横向承载构件（2）包括多个在钢管桩（1）内部沿轴向分布的平板构件（21）和框架构件（22），横向承载构件（2）之间的间距为钢管桩直径的1~3倍。
3.根据权利要求1所述的集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，其特征是：所述平板构件（21）为带孔圆板，平板构件（21）的厚度为钢管桩壁厚的0.5~1倍。
4.根据权利要求1所述的集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，其特征是：所述框架构件（22）为多个竖直平板呈放射状连接的十字形或三叉形框架，所述框架构件（22）的高度为钢管桩直径的0.1~0.5倍，厚度为钢管桩壁厚的1~2倍。
5.根据权利要求1所述的集成阻尼减振器的海上风电大直径仿生竹节钢管桩，其特征是：所述阻尼减振器（3）为调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐液柱阻尼器、圆环形调谐液柱阻尼器中的任一种或多种组合体。
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