摘 要

1.绪论 1

1.1海上风电研究背景 1

1.2国内外海上风机基础研究现状 1

1.3本课题研究任务及意义 2

1.4本毕业设计的主要内容 2

2.工程概况 3

2.1工程简介 3

2.2基础工程特性 3

2.3环境荷载条件 3

2.3.1工程地质条件 3

2.3.2工程水文条件 4

2.3.3风机机型及荷载 5

2.4设计依据 6

3.风机基础设计 7

3.1基础平台底高程 7

3.2基础方案选型 7

3.3单桩轴向承载力验算 8

3.4地基沉降验算 10

3.5单桩水平承载力及变形验算 11

3.5.1水平承载力验算 11

3.5.2 m法验算水平位移 12

3.6吊耳板设计 14

4. 桩基础数值建模分析 16

4.1Abaqus软件与岩土工程 16

4.1.1Abaqus软件在岩土工程中的应用 16

4.1.2Abaqus软件的功能模块的简单介绍 16

4.2摩尔-库伦塑性模型 17

4.2.1摩尔-库伦屈服准则 17

4.2.2模型特性 18

4.3桩基础数值分析 19

4.3.1有限元模型 19

4.3.2地应力平衡 19

4.3.3计算结果分析 21

5.结论 25

摘要：

在能源日益紧张的今天，海上风电由于其可再生、基本不占用陆地资源等独特的优势，越来越受到人们的青睐。风机基础作为海上风电机组最基本的支撑结构，其在保证海上风电机组的整体稳定性、安全性等方面起到了重要的作用。本文以东海大桥附近地区的自然环境条件作为设计依据，参照国内外现有的风机基础实例，在考虑了风、波浪等荷载的基础上，结合其经济性、施工可行性等方面，进行方案比选，最终选择了大直径单桩基础，并对其结构进行了轴向承载力，轴向抗拔力，地基沉降，水平位移等各方面的安全性验算，最终确定了东海大桥海上风电场风机基础设计方案。

关键词：海上风电场；风机基础；大直径单桩；结构设计

Abstract：

Nowadays, with the increasing shortage of energy, offshore wind power is getting more and more attention because of its unique advantages such as renewable, basically not occupying land resources. As the most basic supporting structure of offshore wind turbine, the foundation plays an important role in ensuring the overall stability and safety of offshore wind turbine. In this paper, based on the natural environment conditions of the area near the Donghai Bridge as the design basis, referring to the existing fan foundation examples at home and abroad, considering the wind, wave and other loads, combined with the economy, construction feasibility, etc., the scheme comparison and selection are carried out, and the large-diameter single pile foundation is selected. What’s more, the checking calculations of its safety, such as the axial bearing capacity, axial pull-out capacity, foundation settlement, horizontal displacement, etc. are carried out. Finally, the design of foundation for offshore wind field of Donghai Bridge is determined.

Keywords: offshore wind field; wind turbine foundation; large diameter single pile; structural design

1.绪论

1.1海上风电研究背景

近年来，随着我国国民经济的高速发展，我国对于能源的需求日益增长，能源紧张问题愈加突出，因此，为了缓解能源压力，我国必须加大对可再生清洁能源的开发力度。在这样的环境背景下，海上风电因其湍流较小，可利用时间较长，距离用电负荷中心近，并且基本不会占用陆地资源等优点，在可再生能源中脱颖而出，受到了国家的重视。大力开发并提高对我国近海风能的利用率，对于改善我国现有能源结构，节约我国宝贵的土地面积以及实现经济和社会的高速、健康、可持续发展具有重大意义。除此之外，我国拥有十分漫长的海岸线，并且具有非常丰富的近海风能资源，海上风电在我国的应用前景非常广阔。

1.2国内外海上风机基础研究现状

瑞典于1990年安装了世界上第一台试验性的海上风电机组，该风电机组的单机容量达220 kW，离岸距离为350 m，风机安装地带常年平均水深约为6 m。随后，各国开始逐渐发现海上风机存在的巨大潜力，并纷纷开始投资发展海上风电行业。经过近30年的发展，国外的海上风能利用率有了明显的提高，海上风电行业从无到有，渐渐成为了一个巨大的、较为成熟的清洁能源开发利用行业。相比之下， 我国的海上风电行业起步较晚，至今仍未形成成熟的体系，一直以来，国内在做海上风电基础设计时，往往需要参照国外已有的相似海上风电场设计案例与现存的海上风电场资料。因此，为了推动我国海上风电行业的发展，我国于2006年颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，其中包括了许多有关海上风电开发利用的法律法规，对海上风电行业的发展提供了大力支持，自此，我国海上风电行业的发展速度明显提高。

作为海上风电机组最基础的结构，风机基础的重要性不言而喻，其主要功能是支撑上部结构，并把上部结构所承受的风荷载、冰荷载、波浪荷载和自重都传递到地基土中。同时，其还需具有抵抗水流冲刷、侵蚀的能力，在保证海上风电机组整体的安全性方面起着非常重要的作用。根据已有的风机成本数据和风机设计资料，风机基础成本在风机总成本中占据了较大的比例，是风机成本较高的主要原因之一。因此，在保证结构安全性与可靠性的基础上，探讨在技术、经济等方面都较为合理的基础结构型式成为了海上风电发展的重点。

海上风机在不断发展的进程中，因为各地的海域、地质和气候条件等的不同，其基础型式也趋于多样化。目前，国内外海上风电机组的基础常用类型有：多脚架基础、单桩基础、桩基承台基础、重力式基础、高桩承台基础等型式。我们在进行风机基础设计时，需根据当地地质、水文条件，选择合适的基础型式。

1.3本课题研究任务及意义

由于我国海上风电行业起步较晚，我国国内尚未形成统一的、独立完整的风机基础设计规范体系，因此，在进行风机基础设计时，需要参考已有的海上风电场基础型式和国内外相关规范、文献。在这样的环境背景下，对于海上风机基础的设计必须精细谨慎，全面考虑，在不断的比选与复核中设计安全、经济的风机基础型式。

本课题参考结合现行的各类相关设计规程规范以及荷载计算规范等，研究场地的工程地质条件，分析各影响因素，进行风机基础设计和方案比选，并对所选择方案进行承载力计算和变形控制等，研究方案的合理性和可行性，最终选择技术、经济、施工各方面都较为合理的设计方案。

1.4本毕业设计的主要内容

本文进行了东海大桥海上风电场风机基础的选型设计，主要包括以下内容：

（1）分析场地工程地质条件，确定风机设计荷载和设计工况；

（2）拟定合理的基础方案，对基础方案进行论证和比选；

（3）桩身结构设计，确定桩的数目、尺寸以及平面布置；

（4）验算桩基承载力，地基沉降，水平位移等；

2.工程概况

2.1工程简介

本文设计的风机基础为东海大桥海上风电机组风机基础，该风电场布置在东海大桥两侧的海域中，是上海市及以上的风电场推荐场址之一。工程场地附近障碍物较少，有丰富的海上风能资源，具有较大的开发利用价值。工程海域常年平均水深为9.9至11.9m，海底海床高程为-10.00至-10.67m。本次海上风电场风机建造工程计划在距东海大桥以东1km处的海域布置4排、34台单机3MW的风力发电机组，风机南北向间距约1000m，东西向间距约500m。工程等级为三等，主要建筑物等级为3级。

2.2基础工程特性

与陆上风电机组相比，海上风电机组由于其独特的工程地质环境和水文条件，具有比一般的陆上风电机组跟复杂的工程特性，如高耸结构特性，动力基础结构特性等。

为了设计真正安全、可靠、经济的风机基础，必须同时考虑基础结构的各种工程特性，全面、综合的选择合理的基础型式和设计方案。基础设计时，需要把风、浪、流等各种荷载纳入考量，考虑不同荷载的工况组合，同时考虑静载、动载和疲劳的各种影响因素，在施工可行的条件下，保证安全并控制成本，设计合理的基础方案。

2.3环境荷载条件

2.3.1工程地质条件

当地地质条件复杂，土层数量较多且各土层厚度不大，因此，桩土相互影响作用下的承载能力等各方面性能计算较为复杂，设计难度较大。当地具体土层岩土参数见表2.1。

表2.1 岩土参数表

2.3.2工程水文条件

工程场地设计水深：11.9m

根据现有的工程资料和现场勘测结果，收集整理后，得到当地工程水文条件如表2.2，表2.3以及表2.4所示：

表 2.2 风电场工程潮位推荐值

表 2.3 50年一遇设计波浪要素

表 2.4 设计潮流流速

2.3.3风机机型及荷载

工程风机机型采用华锐风电科技有限公司生产的单机容量为3MW的YL3000离岸型风电机组，风机轮毂高度约为80m。经过计算简化，现将作用在风机上的冰荷载、波浪荷载、风荷载等简化等效为静力荷载，最终结果如表2.5所示。