[发明专利]一种海上风机桩基础设计方法及应用

权利要求书

1.一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，按照海上风机基础设计规范及海上固定平台设计规范，基于海洋工程设计分析软件SACS进行设计计算分析，所述设计计算分析包括基本分析、模态分析、地震分析、冰载荷分析、吊装分析、运输分析及安装分析，其中：

所述基本分析为：第一步，用所述海洋工程设计分析软件SACS建立设计计算模型，包括由钢桩及支撑结构组成的基础结构模型及塔筒模型；第二步，在所述设计计算模型中输入设计相关数据，包括钢桩的间距、长度、直径及壁厚，支撑结构的型式及支撑结构中支撑钢管的长度、直径及壁厚，钢桩与支撑结构之间的连接型式及具体尺寸；塔筒的高度、直径及壁厚；以及钢桩、支撑结构及塔筒的材料常数；第三步，在所述设计计算模型上施加外载荷，所述外载荷包括风机重力载荷、风机运行载荷以及海洋环境载荷；所述风机重力载荷包括基础结构重量、塔筒重量、风机叶片重量、轮毂重量及机舱重量；所述海洋环境载荷包括风载荷、波浪载荷、海流载荷，还包括二次弯矩以及水动力放大效应引起的载荷；第四步，在所述设计计算模型上施加泥面以下的钢桩与海底土壤的边界条件，所述边界条件以土壤参数轴向载荷-位移t-z曲线、桩尖载荷-位移Q-z曲线以及侧向承载力-位移p-y曲线模拟；第五步，在所述设计计算模型、外载荷及施加在模型上的边界条件基础上，按照所述规范，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求；

所述模态分析为：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷，分析结构的模态，计算结构的基频，避开风机1P-3P之间的频率和所在海域的波浪频率；

所述地震分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷、再考虑地震加速度及地震谱，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求；

所述冰载荷分析：在所述设计计算模型基础上，考虑所述风机重力载荷、风机运行载荷、风载荷、海流载荷，再考虑冰载荷，计算结构静强度、屈曲强度、疲劳强度、钢桩承载能力以及管节点冲剪能力，并分析计算结果是否符合规范要求；

所述吊装分析、运输分析及安装分析：在所述基础结构模型的基础上，考虑所述基础结构重力载荷及海洋环境载荷，分析基础结构的强度及稳定性是否符合规范要求；

根据以上分析结果判断设计是否合理，如不合理则重新建立设计计算模型或适当调整第二步中的输入数据。

2.根据权利要求1所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述风机重力载荷中的基础结构重量、塔筒重量根据设计计算模型中输入的尺寸及材料常数由SACS软件自动计算，所述风机叶片重量、轮毂重量及机舱重量以集中力形式施加于塔筒顶端。

3.根据权利要求1所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述风机运行载荷由风载荷软件计算得出，以集中力及力矩施加于塔筒顶端。

4.根据权利要求3所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述风载荷软件为BLADED软件。

5.根据权利要求1所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述海洋环境载荷中，风载荷需输入风速、参考高度与方向，以均布力施加于水面以上的设计计算模型结构上；波浪载荷、海流载荷需输入水深、波高、波浪方向、流速、流向，以均布力施加于水面以下的设计计算模型结构上；二次弯矩是由设计计算模型结构轴向压力和整体侧向位移联合作用产生的力和弯矩，根据设计计算模型的结构整体侧向位移与结构重量计算，以集中力施加于设计计算模型结构重心；水动力放大效应是由波浪或波浪和海流共同产生的动力效应，根据设计计算模型结构基频和波浪频率计算，以集中力施加于设计计算模型结构重心。

6.根据权利要求1所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述土壤参数轴向载荷-位移t-z曲线、桩尖载荷-位移Q-z曲线以及侧向承载力-位移p-y曲线根据勘查得到的海底土壤物理及力学性能，依据规范API RP 2A计算得出。

7.根据权利要求1或5所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述海洋环境载荷考虑1年一遇以及50一遇数据。

8.根据权利要求1所述的一种海上风机桩基础设计方法，其特征在于，所述基本分析时的规范可以采用载荷系数法，也可以采用工作应力法。