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1、海上风电机组基础结构设计标准（初稿）Guidelines for Designing Offshore Wind Turbine Foundation StructuresDRAFT2008年1月20日目 录前 言I1. 引言11.1 总则11.2 参考标准11.3. 支撑结构21.4 结构型式的选取32. 环境条件52.1 总则52.2 风52.3 波浪52.4 海流62.5 水位72.6 冰72.7 土壤调查和岩土资料82.8 其它环境条件83. 荷载及荷载组合103.1 总则103.2 固定荷载103.3 活荷载103.4 环境荷载113.5 荷载组合174. 钢结构设计204.1 总则
2、204.2 许用应力204.3 组合应力214.4 圆管构件的强度214.5 构件的稳定性225. 桩基础设计275.1 一般规定275.2 桩体壁厚的确定275.3 桩体分段的确定275.4 桩体的构造要求275.5 横向荷载下桩基计算285.6 P-y曲线285.7 桩的轴向承载力295.8 群桩效应316. 钢材料326.1总则326.2设计温度326.3结构分类326.4结构用钢337. 结构分析计算347.1 总则347.2 结构建模347.3 静强度分析357.4 动力分析367.5 地震响应分析377.6 疲劳分析378. 防腐388.1 总则388.2涂层与镀层保护388.3
3、阴极保护398.4 防腐系统的检查与维护41前 言大规模的海上风电场建设即将在我国拉开帷幕，为此，在渤海海上风电示范项目的基础上，海油（北京）能源投资有限公司组织开展了海上风电机组基础结构研究。在借鉴国外海上风电场建设经验和相关规范的基础上，经过项目研究起草了本标准（初稿）。在本标准各章节的编制过程中，通用部分以API为主，并参考了部分其它相关规范、资料，具体 各部分参考的规范如下：（1） 结构形式主要参考DNV规范和欧洲海上风电场建设经验，并结合我国海上固定式采油的设计建造经验提出；（2） 环境条件、荷载计算（除风机静荷载和动冰力荷载）、钢结构设计、桩基础设计和结构分析计算主要参考API规范
4、确定；（3） 风机荷载根据中国机械行业标准: 风力发电机组设计要求（JB/T10300-2001）确定；（4） 动冰力荷载采用了DNV-OS-J101建议的冰力计算方法。本标准（初稿）仅作为海上风电机组基础结构设计的建议。本标准（初稿）主要起草人：李华军、黄维平、王树青、张兆德、孟珣、石湘1. 引言1.1 总则1.1.1 一般要求1、本标准提供海上风力发电结构的设计原则和技术要求。2、本标准用于海上风电机基础结构的设计。3、本标准不包括机舱、转子、发电机、变速箱等风电机构件的设计。1.1.2 目标本标准给出了海上风电场结构设计的一般原则和指南。1.1.3 范围和应用1、本标准适用于所有类型的海
5、上风力发电机的基础和支撑结构。2、本标准适用于整体结构设计，包括水下结构和基础，但不包括风机部件，如风机吊舱和转子等。3、本标准提供了下列内容：环境条件荷载与荷载组合钢结构设计桩基础设计钢材料结构数值计算与分析腐蚀防护1.2 参考标准1.2.1 一般要求表1.2.1中的标准包括了本标准中的一些参考标准，它们构成了本标准的部分条款。表1.2.1 参考的标准和规范参考标准标题DNV-OS-J101DNV规范: 海上风电机组基础结构设计标准JB/T10300-2001中国机械行业标准: 风力发电机组设计要求SY/T 10030-2004中国石油天然气行业标准: 海上固定平台的规划、设计和建造的推荐作
6、法-工作应力设计法SY/T 10049-2004中国石油天然气行业标准: 海上钢结构疲劳强度分析推荐作法SY/T 10008-2000中国石油天然气行业标准: 海上固定式钢质石油生产平台的腐蚀控制SY/T 10050-2004中国石油天然气行业标准: 环境条件和环境荷载标准DNV-OS-B101DNV规范: 金属材料DNV-OS-C101DNV规范: 海洋钢结构设计荷载抗力法 DNV-OS-C201DNV规范: 移动式海洋平台结构设计 工作应立法 DNV-OS-C401DNV规范: 海洋工程结构装配和检测 DNV-OS-C502DNV规范: 海洋工程混凝土结构1.3. 支撑结构1.3.1 引言
7、1、大型海上风电场开发的基础结构可以根据它们基础类型、安装方法划分成：桩基结构重力基础结构桶基结构浮式结构2、根据基础之上的结构型式可分为3种基本结构：单立柱结构导管架结构浮式结构3、将不同基础与上部结构组合可以产生具有不同类型的混合基础结构。1.3.2 单立柱基础1、单立柱单桩结构是桩承结构中最简单的一种结构形式，基础施工采用打桩或钻孔方法。单立柱结构一般为钢质，塔架通过单桩支撑，塔架与桩之间可以直接连接，或者通过过渡段连接。桩和立柱均为圆柱形结构。2、桩的贯入深度取决于环境和土壤条件。单桩结构在海床活动海域和冲刷海床海域是非常有利的，因为，它对水深有较大的灵活性。这种结构的一个弱点是倾斜和
8、振动，因此，对设计和施工的要求较高。3、这种类型的结构受到海底地质条件和水深的制约，适合于水深从0米到25米的海域。1.3.3 单立柱三桩结构1、单立柱三桩结构有三条桩腿埋入海床，其上部连接一个单立柱，单立柱是圆柱形钢管。基础宽度和桩的贯入深度取决于实际的环境和土壤条件。2、海上风电机组的单立柱三桩结构与边际油田开发的简易平台相似，三根桩通过一个三角形刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体。3、三脚架的中心立柱与塔架连接，三脚架的桩可以是竖直的，也可以是倾斜的。当结构采用自升式钻塔安装时要使用倾斜桩。4、单立柱三桩结构的刚度大于单立柱结构，因此，适用水深为20m50m。1
9、.3.4 三腿或四腿导管架结构1、海上风电机组的三腿或四腿导管架结构完全借鉴于海洋石油平台的概念，采用了比单立柱三桩结构刚度更大的结构形式。因此，其适用水深和可支撑的风机规格大于单立柱三桩结构。2、四腿导管架的适用水深为2050m。1.4 结构型式的选取1.4.1 一般要求1、风电机组基础结构为高耸结构形式，结构受荷载影响很大，尤其要认真考虑风机荷载和地震荷载的影响。2、结构型式的选取不仅要考虑静强度，还必须充分考虑结构的动力特性和动力响应，使结构的固有频率避开外荷载频率，尤其是风荷载，从而不致产生过大的动力响应。3、风电机组基础结构还必须进行疲劳分析和屈曲分析，以及腐蚀疲劳问题。4、风电机组
10、基础结构可以是刚性结构，也可以是柔性结构。柔性结构的设计要保证平稳地度过穿越频率。1.4.2 不同结构型式适用的水深范围表1.4.1中列出了推荐的不同基础结构形式适用的水深范围。表1.4.1 不同基础结构形式适用水深范围基础类型水深(m)重力式基础010桶基单立柱结构025单立柱结构030三腿/四腿导管架20浮式结构502. 环境条件2.1 总则1、 海上风电平台设计应考虑与特定海域和操作有关的各种环境条件，主要包括风、浪、流、潮、冰和地震等。2、 环境条件应根据长期的统计数据来分析得到，并根据最新的海况统计资料确认，包括极端海况和正常操作海况。2.2 风1、 风速可以分成两种：（1）持续风速
11、：平均持续时间大于1分钟的风速；（2）阵风风速：平均持续时间小于1分钟的风速；2、 一般来说，持续风速用于计算平台上部的总风力，而阵风风速用于局部构件的作用力计算3、 详见SY/T 10030-2004的有关条款；2.3 波浪1、波浪使用有效波高Hs和谱峰周期Tp来表示。2、波浪统计资料是长期和短期波浪状态表示的基础。用于设计的经验统计资料必须经过足够长的时间周期。3、波浪和风是有联系的，因为波浪通常是由风导致产生的。在设计中需要考虑波浪和风的联系。4、当地的海面运动的谱密度可以由已有的波浪资料确定。5、在没有实测资料的情况下，海浪的谱密度函数可以用JONSWAP谱来表示，其中：f波浪频率，f
12、=1/T；T波浪周期；fp谱峰频率，fp=1/Tp；Tp谱峰周期；g重力加速度；归纳的Phillips常数，谱宽参数，ffp时，=0.07；ffp时，=0.09；谱峰升高因子；上跨零点周期Tz取决于谱峰周期Tp，由下面的关系来确定，谱峰升高因子其中：Tp单位是秒，Hs单位是米。6、从当地已有资料获得的波浪参数Hs和Tp的长期概率分布可以用一般分布形式或者散点图的形式表示。典型的一般分布包括有效波高的Weibull分布和与Hs有关的Tp的对数分布。散点图给出的是点对（Hs,Tp）在给定的（Hs,Tp）区间里发生的频率。7、有效波高服从Weibull分布当表示任意t小时有效波高的分布时，每年最大有
13、效波高的分布可以取为：其中：N是一年中t小时海浪间隔的个数，t=3时，N=2920。8、以年为单位的重现期为TR的有效波高，在每年最大有效波高的分布中定义为(1-1/TR)分位数。用表示，表达式为：其中 TR大于一年。2.4 海流1、 海流对海洋平台有作用力，此外海洋考虑流对波浪的Dopple效应。2、 流速一般按照表层、中层、底层给出。3、 海流主要有风成流、潮流和环流。4、海流统计数据是表示长期和短期海流环境的基础。用作设计基础的经验统计数据必须有足够长的时间周期。5、必须相应地考虑海流随水深的变化。6、风电基础结构底部容易腐蚀的地方，需要特别研究接近海底处的海流环境。7、没有详细的现场测
14、量资料时，海流速度随水深的变化认为是其中 z0时，时，v(z)水深z处海流的总速度；z到静水面的距离，向上为正；vtide0静水面的潮流速度；vwind0静水面的风成流速度；h水深（取正）；ho风成流的参考深度，ho=50m。2.5 水位1 水位由平均水位、潮位和风、压力导致的风暴潮构成。潮差定义为最高天文潮和最低天文潮之差。2 水位统计资料可以用长期和短期水位环境表示。用作设计基础的经验统计数据必须有足够长的时间周期。3、 水位和风是有相关的，因为水位成分里有风成因素。设计中要考虑水位资料和风资料之间的这种联系。2.6 冰1、如果风电场所在海区可能形成冰或是可能有流冰，冰环境必须适当考虑。2、对于下面的海冰环境和性质要考虑相应的统计资料：冰的特性和几何形状；冰区密度和分布；冰的类型（浮冰、狭长的冰、冰排）；冰的机械性能（抗压强度ru，抗弯强度rf）；流冰的速度和方向；冰厚。3、冰的增长来源于海浪飞溅、雪、雨和潮湿的空气，在不同的海区这些因素要相
