新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺的製作方法
2023-07-28 06:37:41
新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種為海上風機上部結構-基礎-土的動力相互作用的研究提供一整套模型試驗平臺。它包括基礎部分及三套不同時裝配的組成部分，基礎部分包括矩形體試驗槽、吸力式桶形基礎，吸力式桶形基礎內外壁粘貼若干微孔透水薄片。本實用新型包括的基礎部分及三套不同時裝配的組成部分，在實驗槽內設置了模擬粉土海床地基後，通過第一套組成部分和第二套組成部分試驗所得數據進行第三套組成部分安裝後的試驗，可以得到風機結構在一定特性的循環荷載作用下的基礎剛度及上部結構動力特性發展演變過程。通過本實用新型試驗平臺所得到的結論，在一定程度上可以有效填補國內外在這方面的理論研究空白，並對今後海上風機結構設計提供一定的指導作用。
【專利說明】新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及海上試驗平臺，特別涉及海上風機上部結構、基礎與土的動力相互作用的模型試驗平臺。
【背景技術】
[0002]海上風能作為一種安全、清潔、穩定的可再生能源，在歐美等西方國家已經得到了大規模的開發和利用。隨著能源短缺與環境汙染問題的日益嚴重，我國在「十二五」期間也提出了要實現海上風電的總裝機容量在2015年達到5000MW的目標。
[0003]目前，一座:MW海上風機在正常運行工況下的葉片轉動速率大約為8.6?18.4rpm，所產生的IP激振力頻率為0.14?0.3IHz ;對於三個葉片的風機，由於葉片轉動對風機塔架的「遮蔽效應」所產生的3P激振力頻率為0.42?0.93Hz。另外，對於海上風機所受的風、浪、流等特殊的環境荷載形式，風和波浪及流荷載的主導頻率為0.1?1.0Hz0當前風機結構設計參照較多的國外DNV規範又在IP及3P頻率帶的基礎上，提出了風機結構設計時應預留出的±10%的安全度。因此，在風機結構設計中，為了避免結構的自振頻率接近於這些激振力的頻率帶而發生共振的危險，對於風機結構設計師而言是一項巨大的挑戰。目前，在綜合考慮結構安全性與經濟合理的基礎上，一般選擇「剛-柔(soft-stiff)」性(風機結構的設計自振頻率介於IP與3P頻率帶之間)的結構設計目標。
[0004]海上風機是一種高柔性的結構，其自身動力特性隨基礎剛度的變化非常敏感。因此，基礎結構的安全和穩定是整個結構能否正常運行的根本。而目前海上風機基礎結構的建造成本已佔到了總成本的34%之多，故風機設計中選擇一個合適的基礎結構類型及尺寸是高效低成本開發海上風能的關鍵。若按照極限承載力狀態的設計準則，風機基礎結構的設計一般均能滿足工程要求。但風機結構除了應滿足極限承載力狀態(ULS)外，更重要的還要滿足服役極限狀態(SLS)及疲勞極限狀態(FLS)的要求。國際上以英國牛津大學Houlsby教授為代表的研究團隊，就海上風機基礎結構的服役極限狀態(SLS)開展了一定不同比尺的模型試驗研究，主要關注的焦點是基礎在循環荷載作用下的累積變形及剛度衰退等關鍵科學問題。研究了基礎類型(重力式基礎、單樁和吸力式桶形基礎等)及尺寸、循環荷載類型(單向、雙向加載)、加載幅值、加載頻率和循環次數等因素對上述問題的影響。並針對能保證上部機艙和葉輪部位正常運行下的對基礎累積變形最大容許度(如樁頭最大累積轉角變形0.5度)，提出了以變形控制為目標的設計準則。
[0005]海上風機的設計使用壽命為25?30年，在此期間要經歷大約IO8次上部循環荷載的作用。目前，就風機結構在長期循環荷載作用下的疲勞極限狀態(FLS)研究，還缺少相應的現場長期實測資料的支撐。根據已有的現場監測數據顯示，荷蘭Lely風電場的風機結構在運行半年後，結構的自振頻率已由設計值的0.41Hz增大到了 0.63Hz。總所周知，結構自振頻率的變化勢必對其造成嚴重的安全隱患。但是，當前就基礎結構在長期循環荷載作用下的剛度變化對上部結構動力特性(如結構自振頻率)演變規律的影響，國內外還缺乏相應的研究。尤其是建立上部結構-基礎-土為一體的耦合系統，研究循環荷載作用下的該系統內部各個子結構之間的動力相互作用是當前在大力發展海上風機的大背景下亟待解決的一項艱巨的工程難題。詳見文獻〈Bhattacharya S., Adhikari
S.， 2011.Experimental validation of soil—structure interaction of offshorewind turbines.Soil Dynamics and Earthquake Engineering 31，805-816.> 和文獻〈Lombardi D.，Bhattacharya S.，Wood D.M.，2013.Dynamic soil-structureinteraction of monopile supported wind turbines in cohesive soil.Soil Dynamicsand Earthquake Engineering 49， 165-180.>D
[0006]如上述荷蘭Lely風電場的短期監測數據所報導的，由基礎在長期循環荷載作用下的剛度變化而導致上部結構自振頻率的變化。這一變化可能就會使得原本安全的結構設計頻率落到某一外界激振力的頻率帶範圍內而變得不再安全。如何採取一定的工程措施最大限度降低結構因自振頻率變化而帶來的安全隱患或是在結構設計時採取怎樣的設計方法降低這種負面效應的影響將是工程師所面臨的一項巨大挑戰。相比於現場原型試驗及離心機試驗而言，Ig小比尺模型試驗具有低成本、節約時間、操作簡單直觀等諸多優點，在某種程度上能揭示一定的物理規律。根據Ig模型試驗所揭示的基礎結構類型及幾何尺寸、循環荷載加載性狀(幅值、頻率和次數)等因素對風機結構動力特性的影響規律，可以為今後風機結構的設計提供一定的指導，這項工作具有十分重要的科學研究意義及工程應用價值。
【發明內容】
[0007]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種為海上風機上部結構-基礎-土的動力相互作用的研究提供一整套模型試驗平臺。
[0008]為此，本實用新型採用以下技術方案:它包括基礎部分及三套不同時裝配的組成部分，所述基礎部分包括設置模擬粉土海床地基的矩形體試驗槽，所述粉土海床地基頂端中部設置有吸力式桶形基礎，實驗槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基礎內外壁粘貼若干微孔透水薄片。這裡風機結構基礎部分選擇了今後國內外海上風電場中最具發展潛力的吸力式桶形基礎模型，今後有研究需要時，可以在本實用新型裝置基礎上，將基礎模型換成單樁、三樁等其他基礎結構模型。
[0009]第一套組成部分包括軸向油壓安裝系統、第一滑輪組、加載重物及安裝在吸力式桶形基礎頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載杆，所述軸向油壓安裝系統包括與試驗槽頂端連接的框架部分、軸向油壓安裝系統面板、油壓缸及油壓缸下方的第一力傳感器及第一力傳感器下方連接的垂直於吸力式桶形基礎頂面的萬向接頭，所述第一滑輪組的柔索一端連接在吸力式桶形基礎頂面，另一端連接有加載重物，柔索上設置有第二力傳感器；
[0010]第二套組成部分包括與第一套組成部分相同的軸向油壓安裝系統、加載重物、安裝在吸力式桶形基礎頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載杆及與第一套組成部分不同的第二滑輪組和連接至水平加載杆上的位移傳感器，所述第二滑輪組的柔索一端連接在水平加載杆上，另一端連接有加載重物，柔索上設置有第二力傳感器；
[0011]第三套組成部分包括連接在吸力式桶形基礎頂部的海上風機模型，所述海上風機模型包括設置在吸力式桶形基礎頂部中心的頂端帶有集中質量塊的鋼管及在鋼管和質量塊上安裝的若干個加速度傳感器，此外，第三套組成部分還設有與試驗槽相鄰的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土塊，700N高能激振器通過連接杆與鋼管垂直剛性連接，並與循環加載操作箱連接；所述加速度傳感器在質量塊上沿激振力方向和垂直於激振力方向各布置一個，在連接杆與鋼管的連接部位沿著激振力方向布置了一個，所述連接杆上設置有拉壓力傳感器。
[0012]在採用以上技術方案的基礎上，本實用新型還可以採用以下進一步方案:
[0013]試驗槽底部為由PVC排水管、礫石、鋼絲網和無紡土工布所組成的30cm厚的排水系統，用來加速槽內土體的排水固結。
[0014]所述試驗槽尺寸為:3mXl.2mXl.5m (長X寬X高)，由無縫鋼板加工而成，表面經過了防腐處理。
[0015]吸力式桶形基礎的外徑均為26.6cm,其長徑比為0.5-1.0。
[0016]吸力式桶形基礎內外側布置了若干孔隙水壓力傳感器。
[0017]由於採用了本實用新型的技術方案，本實用新型設計了一套模擬海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用的模型試驗平臺，它包括了基礎部分及三套不同時裝配的組成部分，在實驗槽內設置了模擬粉土海床地基後，通過第一套組成部分和第二套組成部分試驗所得數據進行第三套組成部分安裝後的試驗，可以得到風機結構在一定特性的循環荷載作用下的基礎剛度及上部結構動力特性(自振頻率)發展演變過程，並據此研究吸力式桶形基礎幾何尺寸，循環荷載加載特性(幅值、頻率、次數)等因素對其影響規律。通過本實用新型試驗平臺所得到的結論，在一定程度上可以有效填補國內外在這方面的理論研究空白，並對今後海上風機結構設計提供一定的指導作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型在測量基礎轉動剛度的力控制的偏心加載裝置示意圖。
[0019]圖2為本實用新型在測量基礎水平剛度及水平剛度與轉動剛度之間耦合效應的力控制的水平加載裝置示意圖。
[0020]圖3為本實用新型所述吸力式桶形基礎長徑比為0.5的示意圖。
[0021]圖4為本實用新型所述吸力式桶形基礎長徑比為0.75的示意圖。
[0022]圖5為本實用新型所述吸力式桶形基礎長徑比為I的示意圖。
[0023]圖6為本實用新型在測量結構自振頻率及循環荷載加載裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0024]參照圖1至圖6，本實用新型包括基礎部分及三套不同時裝配的組成部分，所述基礎部分包括設置模擬粉土海床地基的矩形體試驗槽4，所述粉土海床地基頂端中部設置有吸力式桶形基礎7，實驗槽4四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基礎內外壁粘貼若干微孔透水薄片8。
[0025]試驗槽內設置的粉土海床地基代表了我國東南沿海離岸IOkm範圍內在建或潛在風電場的典型地基條件；所述試驗槽尺寸為:3mXl.2mXl.5m(長X寬X高)，由無縫鋼板加工而成，表面經過了防腐處理。試驗槽底部為由PVC排水管、礫石、鋼絲網和無紡土工布所組成的30cm厚的排水系統，用來加速試驗槽內土體的排水固結。試驗槽內粉土海床地基通過泥漿沉降法進行製備，並讓其在自重作用下固結沉降I個月，最終形成的粉土層厚度為 80cm。
[0026]吸力式桶形基礎7為今後國內外海上風電場中最具發展潛力的吸力式桶形基礎模型，用無縫不鏽鋼材料加工而成，壁厚3mm。為了研究不同長徑比(裙高與基礎直徑之比)的基礎對結構整體動力特性的影響，這裡選用了三個不同比尺的吸力桶模型，長徑比可以為0.5-1.0，如圖3、圖4、圖5所示，分別表示的是長徑比為0.5，0.75，和I的吸力式桶形基礎701、702、703，但其外徑均為26.6cm。
[0027]參照圖1至圖6，圖1為第一套組成部分，圖2為第二套組成部分，圖6為第三套組成部分。
[0028]第一套組成部分包括軸向油壓安裝系統1、第一滑輪組101、加載重物3及安裝在吸力式桶形基礎7頂面的傾角傳感器9和外表面帶孔的水平加載杆13，所述軸向油壓安裝系統I包括與試驗槽4頂端連接的框架部分、軸向油壓安裝系統面板15、油壓缸16及油壓缸16下方的第一力傳感器11及第一力傳感器11下方連接的垂直於吸力式桶形基礎7頂面的萬向接頭17，所述第一滑輪組101的柔索105 —端連接在吸力式桶形基礎7頂面，另一端連接有加載重物3，柔索上設置有第二力傳感器10。
[0029]第二套組成部分包括與第一套組成部分相同的軸向油壓安裝系統1、加載重物3、安裝在吸力式桶形基礎7頂面的傾角傳感器9和外表面帶孔的水平加載杆13及與第一套組成部分不同的第二滑輪組102和連接至水平加載杆上的位移傳感器14，所述第二滑輪組102的柔索105 —端連接在水平加載杆13上，另一端連接有加載重物3，柔索105上設置有第二力傳感器10，第二套組成部分中的柔索105及第二力傳感器10與第一套組成部分的相同；
[0030]第三套組成部分包括連接在吸力式桶形基礎頂部的海上風機模型，所述海上風機模型包括設置在吸力式桶形基礎頂部中心的頂端帶有集中質量塊15的鋼管16及在鋼管16和質量塊15上安裝的若干個加速度傳感器17，此外，第三套組成部分還設有與試驗槽4相鄰的支架22、放置在支架22上的700N高能激振器19和混凝土塊21 (主要為了固定700N高能激振器)，700N高能激振器19通過連接杆18與鋼管16垂直剛性連接，並與循環加載操作箱20連接；所述加速度傳感器17在質量塊15上沿激振力方向和垂直於激振力方向各布置一個，在連接杆18與鋼管16的連接部位沿著激振力方向布置了一個。通過給循環加載操作箱20輸入一定的控制信號，激振器19可以輸出一定幅值和頻率的正弦激振力信號，並通過剛性連接杆18施加到海上風機模型上。連接杆18上設置有拉壓力傳感器23。模型中所用的鋼管16也可以稱之為海上風機的塔架，它其實是長lm，外徑3.8cm，壁厚3mm的鋼管。鋼管16頂端施加的一個集中質量塊15代表實際海上風機的機艙、葉片和葉輪等部件的質量，重為2.0kgo所述連接杆18上設置有拉壓力傳感器23。
[0031]所述試驗平臺的實測數據由以下五類傳感器並通過相應的信號放大器及數據採集系統獲得。上述位移傳感器(LVDT)14，傾角傳感器9及柔索105中的拉力傳感器10，分別用於量測基礎水平位移、轉角位移和所施加的拉力大小；剛性連接杆18上的拉壓力傳感器23用於量測輸出的激振力信號；吸力桶7內外側不同位置處所布置的孔隙水壓力傳感器8，用於記錄吸力桶模型7周圍土體中的孔隙水壓在上部循環荷載作用下的累積及消散情況，並據此建立與基礎剛度變化之間的關係；剛性連接杆18與塔架16連接處及頂部所布置的加速度傳感器17，主要用於量測模型在自由振動階段的加速度信號，該數據經過快速傅立葉變換(FFT )可得到結構的自振頻率。
[0032]由本實用新型專利所提供的海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺可按以下步驟進行相關試驗的操作:
[0033]I)設置試驗槽4底部排水系統5，並布置粉土海床地基6。首先，在試驗槽4底部鋪設5cm外徑的PVC排水管，排水管上預留有小孔；再鋪上一層平均粒徑為2?3cm的礫石，礫石層頂部加一層無紡土工織物防止細土顆粒被滲流水帶走；最後，為防止土工織物的移動，可在其表面加上一層鋼絲網，這樣最終形成了一個厚度大約為30cm的底部排水系統
5。將配製均勻的乾燥粉土樣加水攪拌成泥漿，含水率大致控制在95%?100%，將泥漿倒入試驗槽4進行固結，土樣在其自重作用下經過近I個月時間固結沉降後所形成的粉土海床地基6厚度大約為80cm。
[0034]2)在頂端封閉、底部開口的吸力式桶形基礎7內外壁不同高度處粘帖微孔透水薄片8，並通過PVC細管與孔隙水壓傳感器(PPT)相連，試驗前對PVC細管進行排水飽和。在試驗前同時檢查各類傳感器及信號放大器和數據採集系統是否正常。
[0035]3)通過試驗槽上的軸向油壓安裝系統I將吸力式桶形基礎7安裝到位，並連接好偏心加載裝置。觀察數據採集系統中吸力式桶形基礎7周圍土體中孔隙水壓力的變化情況，當孔壓消散到一定程度基本穩定後，表明吸力式桶形基礎7的安裝對周圍土體的擾動已經基本消除，此時可以進行下面的試驗了。
[0036]4)通過圖1所示的試驗平臺對吸力式桶形基礎7施加不同荷載水平的豎向偏心加載作用，並通過傾角傳感器9記錄每級荷載作用下達到穩定狀態時的吸力式桶形基礎7頂部所產生的的轉角位移，通過偏心距與荷載乘積得到作用在基礎中心的彎矩大小，結合頂部轉角位移數據即可得到基礎的初始轉動剛度(忽略豎向剛度與轉動剛度的耦合效應)。其中，各級不同大小的荷載通過柔索105中布置的拉力傳感器10得到。
[0037]5)將帶孔的水平加載杆13連接至吸力式桶形基礎7頂部，並通過軸向油壓安裝系統I在一定高度上對吸力式桶形基礎施加水平荷載。通過不同級別水平加載作用達到穩定狀態下的位移傳感器14和傾角傳感器9所記錄的數據即可得到吸力式桶形基礎的初始水平剛度及水平與轉動剛度之間的耦合效應。
[0038]6)移走吸力式桶形基礎7頂部的水平加載杆13和試驗槽上的軸向油壓安裝系統1，並將帶有頂部集中質量塊15的鋼管16通過螺栓連接至基礎頂部中心。如圖6所示，對模型結構頂部施加一個小幅度位移，使其自由振動，並用布置在模型上不同位置處的加速度傳感器17採集相應的加速度隨時間變化的信號，經數據分析即可得到結構的初始自振頻率。本步驟中的加速度傳感器17的布置位置及方式為:在模型頂部沿激振力方向和垂直於激振力方向各布置一個，在連接杆18與鋼管塔架16的連接部位沿著激振力方向布置第三個。
[0039]7)通過連接杆18將激振器19與鋼管16相連，並給循環加載操作箱20輸入一定的控制信號參數，使激振器19輸出一定大小和頻率的正弦激振力，並作用在海上風機模型結構上。經過一定時間的循環加載後(N1次)，斷開激振器19與鋼管16之間的連接杆18，與步驟6)中操作類似，給塔頂一個微小位移使其自由振動，並測量此時經過N1次循環加載後結構的自振頻率。然後，按步驟4)和5)操作方法，測量此時基礎的轉動剛度、水平剛度及兩者之間的耦合效應。
[0040]8)再次連接好循環加載裝置，經過另一個循環加載次數後(N2次)，再斷開鋼管16與激振器19之間的連接，依次按上述步驟6)、4)和5)進行試驗操作，可分別得到結構經過(N1+ N2)次循環加載後結構的自振頻率，及此時吸力式桶形基礎7剛度參數。重複以上操作步驟，直到總的循環加載次數達到IO7?IO8量級停止試驗，清理儀器並整理試驗數據。調節循環加載操作箱輸入控制信號，在試驗槽4內另一位置(與上一次試驗位置相距2倍吸力式桶形基礎7直徑以上)開展下一組試驗。
[0041]通過Ig小比尺模型試驗的方法，首先對吸力式桶形基礎7施加偏心及水平加載作用，獲得吸力式桶形基礎7的初始轉動剛度、水平剛度及轉動剛度與水平剛度之間的耦合效應。由於目前對實際海上風機結構研究中通常忽略水平剛度與轉動剛度耦合效應在結構自振頻率預測中的影響，而往往不能得到較精確的結果。通過本實用新型試驗平臺即可得到轉動剛度與水平剛度之間的耦合效應，在今後海上風機自振頻率預測中有望得到更精確的結果。然後，在對海上風機結構施加一定幅值和頻率的循環荷載作用前，測量其初始自振頻率，並研究其動力特性(結構自振頻率)隨吸力式桶形基礎7幾何尺寸，及所施加的循環荷載的特徵(幅值、頻率和次數)等因素的變化規律。通過本實用新型所述的試驗平臺試驗所揭示的基本規律及整個物理過程中所遵循的與原型結構之間的無量綱化的相似性比尺關係，可以得到實際原型風機結構所反映出來的類似的物理規律過程，為海上風機結構動力特性方面的理論和數值研究提供可靠的物理模型基礎，並對今後的風機結構設計提出一定的指導性建議。
【權利要求】
1.新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺，其特徵在於它包括基礎部分及三套不同時裝配的組成部分，所述基礎部分包括設置模擬粉土海床地基的矩形體試驗槽，所述粉土海床地基頂端中部設置有吸力式桶形基礎，實驗槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基礎內外壁粘貼若干微孔透水薄片， 第一套組成部分包括軸向油壓安裝系統、第一滑輪組、加載重物及安裝在吸力式桶形基礎頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載杆，所述軸向油壓安裝系統包括與試驗槽頂端連接的框架部分、軸向油壓安裝系統面板、油壓缸、油壓缸下方的第一力傳感器及第一力傳感器下方連接的垂直於吸力式桶形基礎頂面的萬向接頭，所述第一滑輪組的柔索一端連接在吸力式桶形基礎頂面，另一端連接有加載重物，柔索上設置有第二力傳感器； 第二套組成部分包括與第一套組成部分相同的軸向油壓安裝系統、加載重物、安裝在吸力式桶形基礎頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載杆及與第一套組成部分不同的第二滑輪組和連接至水平加載杆上的位移傳感器，所述第二滑輪組的柔索一端連接在水平加載杆上，另一端連接有加載重物，柔索上設置有第二力傳感器； 第三套組成部分包括連接在吸力式桶形基礎頂部的海上風機模型，所述海上風機模型包括設置在吸力式桶形基礎頂部中心的頂端帶有集中質量塊的鋼管及在鋼管和質量塊上安裝的若干個加速度傳感器，此外，第三套組成部分還設有與試驗槽相鄰的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土塊，700N高能激振器通過連接杆與鋼管垂直剛性連接，並與循環加載操作箱連接；所述加速度傳感器在質量塊上沿激振力方向和垂直於激振力方向各布置一個，在連接杆與鋼管的連接部位沿著激振力方向布置了一個，所述連接杆上設置有拉壓力傳感器。
2.如權利要求1所述的新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺，其特徵在於試驗槽底部為由PVC排水管、礫石、鋼絲網和無紡土工布所組成的30cm厚的排水系統，用來加速槽內土體的排水固結。
3.如權利要求1所述的新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺，其特徵在於所述試驗槽尺寸為:3mX 1.2mX 1.5m(長X寬X高)，由無縫鋼板加工而成，表面經過了防腐處理。
4.如權利要求1所述的新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺，其特徵在於吸力式桶形基礎的外徑均為26.6cm，其長徑比為0.5-1.0。
5.如權利要求1所述的新型海上風機上部結構-基礎-土動力相互作用模型試驗平臺，其特徵在於吸力式桶形基礎內外側布置了若干孔隙水壓力傳感器。
【文檔編號】E02D33/00GK203455243SQ201320408576
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年7月6日 優先權日:2013年7月6日
【發明者】王立忠, 餘璐慶, 國振, 李玲玲 申請人:浙江大學