[发明专利]海上风电单桩基础波流激振减小方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种减振方法，具体是海上风电单桩基础波浪和潮流激振的减小方法，属于工程减振领域。

背景技术

风力发电是近年来发展最为迅猛的一种清洁能源，海上风能资源丰富、稳定，海上风电已成为世界各国投资开发的重点，欧洲走在世界的前列，我国尚处于起步阶段，但我国风电“十二五”规划到2015年海上风电装机达到500万千瓦，预示着我国将迎来海上风电的飞速发展时期。

海上风电基础类型较多，主要包括重力式、桩基、导管架、浮式等，每种类型又包括多种形式，如桩基有单桩、多桩及我国东海大桥采用的八圆柱高桩承台基础等，各种基础型式适用于不同的条件。目前，我国的海上风电规划和开发主要集中在近海，单桩基础适用于近海风电，在国外应用较多，国内海上风电设计也陆续采用，如江苏响水潮间带风电场、广东湛江外罗海上风电场等，单桩基础将成为我国近海风电中的一个主流形式。

随着风机日益大型化，由风机-塔架-基础组成的高耸结构，动力稳定问题突出，尤其与陆上风电相比，海上风电还要受到波浪潮流荷载作用，结构动力安全问题愈加复杂。波流水动力荷载主要包括波浪破碎冲击、潮流脉动、漩涡脱落、绕流漩涡激励等，各种荷载复杂多变，而且激励主频较低，与风机支撑结构自振频率十分接近，易诱发结构共振，威胁风机安全可靠运行。因此，在风电结构设计时，首先应考虑结构的自振频率与动力荷载激励频率偏差在20％～30％以上，以避免共振，主要措施是尽量提高结构的自振频率，然而由于风机支撑体系为薄壁高耸结构，局部结构增强很难有效改变整体的固有属性。目前，风机支撑结构减振措施主要参考海洋平台，采用阻尼器降低振动响应，该法属于振动出现后的被动减振，激励荷载的输入没有变化，减振效果不明显，很难消除共振隐患，而且在波流长期作用下桩基的疲劳破坏无法防范。

发明内容

本发明即针对海上风电波浪潮流激励下的风机支撑结构的振动问题，从振源控制和切断传播路径出发，提出适用于单桩基础的波流激振减小方法，抑制结构振动。

本发明达到上述目的的技术方案是：

在单桩基础壁面外布置一活动的减振装置，从两方面达到减小激励荷载、抑制振动的效果：

(1)采用翼型壁面平顺水流，改善流态，减小波浪破碎冲击和潮流紊动强度，避免因圆柱绕流引起的漩涡脱落及卡门涡激励，即从振动源头进行主动控制；

(2)切断激励荷载的传递路径，并采用阻尼材料吸收激励能量，进一步减小作用于桩基结构的荷载。

所述的减振装置，为一等截面平面对称的空心柱状结构，套于单桩基础上，从内向外由支撑部件、阻尼部件、平衡水箱三部分组成，各部分构造尺寸根据工程具体条件进行设计，主要受单桩基础的直径、波流参数影响，具体步骤如下：

(1)减振装置高度应大于波浪主要冲击作用的范围，取1.2倍以上的设计最大波高。

(2)减振装置断面大小由单桩的直径决定，桩基外第一层为装置的支撑部件，由上部、中部和下部三圈直径为1/10桩径的光滑半球外接一层薄壁圆管组成，管壁厚度为1/20桩径。支撑部件采用小球与桩基外壁点面光滑接触，可以满足整个装置灵活地跟随波流条件变化而自由旋转和上下浮动。

(3)尽管大部分的波流激励通过流态改善得以减免，但仍有部分脉动荷载作用于减振装置，故在平衡水箱与支撑部件之间设置一层厚度为1/20桩径的粘弹性阻尼部件，用于阻断和吸收外层传递过来的激励。

(4)减振装置的最外层为主体结构平衡水箱，平衡水箱内侧与阻尼部件连接，为圆柱面，外侧为波浪、潮流过流壁面，用于平顺波流。以过桩基中心垂直水流方向的直线为界，水箱在分界线上左右两边的宽度最窄，取1/20桩径，则分界线上水箱两端的距离为1.4倍的桩径，分别以分界线上水箱两端点为圆心，以此1.4倍的桩径为半径绘制两段圆弧，两圆弧在分界线上游迎水侧交汇于桩基的正前方，交点与两端点处于等边三角形的三个顶点，过交点和桩基中心的直线与分界线垂直，为断面中心线，与水流流向平行，两段交汇的圆弧沿中心线左右对称，构成了头部迎水断面，头部尖角代替钢管桩圆柱面迎水，有效避免了波浪的雍高及破碎冲击，使过流更加平顺，减小紊动激励。从钢管桩中心沿断面中心线向下游3倍以上桩径的位置设为尾部末端，绘制过该点与头部两圆弧的切线，切点位于分界线下方，两切线与分界线下游两段圆弧组成尾部背水断面，尾部采用长渐变收缩体型代替原桩基半圆柱面，有效避免边壁漩涡脱落及尾部卡门涡激励。

所述减振装置通过两个独特设计确保其时刻发挥减振功能：