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1、海上风电机组基础结构设计标准海上风电机组基础结构设计标准 Guidelines for Designing Offshore Wind Turbine Foundation Structures DRAFT 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 i 页 _ 目目 录录 前前 言言.I 1. 引言引言.1 1.1 总则.1 1.2 参考标准.1 1.3. 支撑结构2 1.4 结构型式的选取.3 2. 环境条件环境条件.5 2.1 总则.5 2.2 风.5 2.3 波浪.5 2.4 海流.6 2.5 水位.7 2.6 冰.7 2.7 土壤调查和岩土资料.8 2.8 其它环境条件.8 3. 荷载
2、及荷载组合荷载及荷载组合.10 3.1 总则.10 3.2 固定荷载.10 3.3 活荷载.10 3.4 环境荷载.11 3.5 荷载组合.17 4. 钢结构设计钢结构设计.20 4.1 总则.20 4.2 许用应力.20 4.3 组合应力.21 4.4 圆管构件的强度.21 4.5 构件的稳定性.22 5. 桩基础设计桩基础设计.27 5.1 一般规定.27 5.2 桩体壁厚的确定.27 5.3 桩体分段的确定.27 5.4 桩体的构造要求.27 5.5 横向荷载下桩基计算.28 5.6 P-Y曲线.28 5.7 桩的轴向承载力.29 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 ii 页 _
3、5.8 群桩效应.31 6. 钢材料钢材料.32 6.1 总则32 6.2 设计温度32 6.3 结构分类32 6.4 结构用钢33 7. 结构分析计算结构分析计算.34 7.1 总则.34 7.2 结构建模.34 7.3 静强度分析.35 7.4 动力分析.36 7.5 地震响应分析.37 7.6 疲劳分析.37 8. 防腐防腐.38 8.1 总则.38 8.2 涂层与镀层保护38 8.3 阴极保护.39 8.4 防腐系统的检查与维护.41 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 i 页 _ 前前 言言 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
4、（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；
5、 （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 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 1 页 _ 1. 引言引言 1.1 总则总则 1.1.1 一般要求一般要求 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 范围和应用范围和应用 1、本标准适用于所
6、有类型的海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 参考标准参考标准 1.2.1 一般要求一般要求 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。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 2 页 _ 表表 1.2.1 参考的标准和规范参考的标准和规范 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-
7、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
8、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. 支撑结构支撑结构 1.3.1 引言引言 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
9、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 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 3 页 _ 米的海域。 1.3.3 单立柱三桩结构单立柱三桩结构 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
10、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。 1.3.4 三腿或四腿导管架结构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。
11、1.4 结构型式的选取结构型式的选取 1.4.1 一般要求一般要求 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
12、形式适用的水深范围。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 4 页 _ 表表 1.41 不同基础结构形式适用水深范围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50 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 5 页 _ 2. 环境条件环境条件 2.1 总则总则 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 风风 1、 风速可以分成
13、两种：（1）持续风速：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
14、，海浪的谱密度函数可以用 JONSWAP 谱来表示， 2 4 exp0.5 2 5 4 5 Sexp 4 2 p p ff f p gf ff f 其中：f波浪频率，f=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， 2424 5/1 0.287ln Sp Hfg 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， 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 6 页 _ 5 11 zp TT 谱峰升高因子 53.6 exp 5.75 1
15、.15.3.65 1.5 p s pp ss p s T H TT HH T H 若 若 若 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 1 exp S H h Fh 当表示任意 t 小时有效波高的分布时，每年最大有效波高的分布可以 S H Fh 取为： ,max,1 SS N HyearH
16、 FhFh 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： , r S T H 1 ,max,1 1 1 rS S THyear R HF T 其中 TR 大于一年。 2.4 海流海流 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
17、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。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 7 页 _ 7、没有详细的现场测量资料时，海流速度随水深的变化认为是 tidewind v zvzvz 其中 z0 时， 1 7 0tidetide hz vzvz h 时， 0 0hz 1 7 0 0 0 windwind hz vzvz h 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 水位水位 1水位由平均
18、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
19、、雨和潮湿的空气，在不同的海区这些因素要 相应地考虑。 4、如果有除去冰雪的设备，由于雪和冰的积累导致的雪和冰荷载可以减小或是 忽略。 5、当风荷载和水动力荷载确定之后，要相应考虑冰引起的横截面积的增加和表 面粗糙度的改变。 6、冰厚是计算冰荷载的重要参数。冰厚的确定应该基于当地的冰数据， 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 8 页 _ 2.7 土壤调查和岩土资料土壤调查和岩土资料 1、土壤调查应该给详细设计提供所有需要的土壤资料。土壤调查分为地质研究、 地球物理测量和岩土调查。 2、土壤调查的范围和土壤调查方法的选择要考虑风机的类型、大小、重要性、 土壤的复杂性和海床环境、实际土壤沉淀
20、物的类型。土壤调查覆盖的区域要 看场地布置和安装的容许误差。 3、对于风场中的多重地基，土壤的岩石组成和土壤强度特性范围要在每一层地 基或者每个地基的位置进行相应的评估。 4、土壤调查必须提供达到某一深度土壤的相关信息，在此深度以下的薄弱基础 不再会影响到风机和支撑结构及基础的安全性和性能。 5、土壤调查通常由下面的调查类型组成： 该点的地质调查 海床的地形调查 地球物理调查，土壤钻孔并进行现场测试 土壤取样并进行随后的实验室测试 在采样处进行测试，例如锥形穿透试验（CPT） 6、现场的岩土调查包括取样做实验室分析和现场测试两部分，调查应该提供下 面所有重要土层的岩土资料类型： 土壤分类和描述
21、的资料； 实施要求的分析类型之后提供剪切强度和变形特性； 现场应力环境。 提供的土壤参数，应该覆盖所有的基础设计和细节要求，包括重要土层 的横向范围和这些土层中土壤特性的横向变化。 7、确定土壤的强度和变形特性的实验室测试，应该包括一系列不同类型的实验， 每种实验要重复多次，这样才能满足基础详细设计的需要。 2.8 其它环境条件其它环境条件 2.8.1 地震地震 1、风电场海域的地震活跃程度必须根据地震活动的历史记录，如地震发生的次 数和量级，以此来进行评定。 2、如果能够得到该地区地震活动的详细信息，那么该地区的地震条件由这些信 息来确定。 3、如果没有该地区地震活动的详细信息，那么地震条件
22、的确定要根据详细的调 查，这包括地质历史的研究和该地区发生的地震。 4、如果某地区被定为地震活跃区并且风机受地震的影响，就需要做当地和该地 区地质评估以确定缺陷的位置和排列、震中和震源的距离、能量释放的机制 和震源到该地的衰减特征。应该考虑当地的土壤条件，某种程度上地震能够 影响到地面的运动。地震设计包括形成该地的地震设计标准，应该与认可的 工业操作相符合。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 9 页 _ 2.8.2 盐度盐度 应该考虑海水的盐度对腐蚀的影响。 2.8.3 温度温度 1、高、低温度的极值表示成可能的最高值和最低值，各自有相应的重现期。 2、当描述温度环境时，空气和海水的温
23、度都要考虑。 2.8.4 海生物的生长海生物的生长 1、海底的植物、动物和细菌引起水下和潮间带的结构部件上的海生物生长。潜 在的海生物生长必须得到重视。海生物增加结构构件的重量，还可能增加构 件上水的作用力。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 10 页 _ 3. 荷载及荷载组合荷载及荷载组合 3.1 总则总则 1、该部分定义并详细叙述了在总体强度分析和局部设计中需考虑的荷载及荷载 组合情况。 2、风机和支撑结构至少要满足 IEC61400-1(风涡轮发电机系统规范第一部 分：安全要求)中给出的特定风工况的要求。 3.2 固定荷载固定荷载 固定荷载是指平台适用期间，大小、位置或方向不会发
24、生改变的荷载，如： 平台结构在空气中的重量 永久安装在平台上的设备和附属结构 作用在结构上的静水力 3.3 活荷载活荷载 1、活荷载是指在与平台使用和正常操作有关的荷载，其大小、位置和方向会发 生改变。例如： 人员的变化 起重机操作荷载 船舶撞击 与设备运行有关的荷载 可变的压舱物和设备荷载 存储的材料、设备、气体、液体和流体 救生艇 2、对于海上风机结构，活荷载包括： 运动荷载（actuation loads） 服务船只的撞击荷载 起重机操作荷载 3、运动载荷 运行载荷是由于风力发电机组的运行和控制产生的，可将它们分成若干 类。每一类都与风轮转数的控制有关，例如通过叶片或其他气动装置的变距
25、进行扭矩控制。运行载荷包括由风轮停转和启动，发电机接通和脱开引起的 传动链机械刹车和瞬态载荷，以及偏转载荷。 4、运行载荷通常认为是风荷载作用在风涡轮机上产生的荷载中一种。因此，在 该标准中，驱动荷载认为是环境风机荷载，不以独立的功能荷载出现在荷载 组合中。 5、船舶撞击荷载用于主要的支撑结构和基础的设计以及次重要结构物的设计中。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 11 页 _ 3.4 环境荷载环境荷载 3.4.1 总则总则 1、环境荷载是指平台使用期间，大小、位置和方向会发生改变的自然因素引起 的荷载。包括： 风机荷载 由波浪和流产生的水动力荷载，包括拖曳力和惯性力 地震荷载 流致涡
26、激荷载 潮汐效应 海生物生长 雪、冰荷载 2、更加详细的信息请参考中华人民共和国石油天然气行业标准， “环境条件和 环境荷载标准” ，SY/T 10050-2004。 3.4.2 风机荷载风机荷载 1、风机运行荷载 风力发电机组运行时，其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结 构和传动机构作用在塔架顶端，因此，DNV 规范规定，海上风电机组基础 结构设计应考虑风电机组的荷载。这部分荷载包括：风轮上的静风压引起的 荷载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组 的重力荷载等。 中华人民共和国机械工业部标准（JB/T10300-2001）对风力发电机组的 荷载计算做出了具体的
27、规定： A.1 正常运行荷载 (1) 作用在风轮上的平均压力 作用在风轮扫掠面积A上的平均压力由下式计算： H p 2 HFB 1 2 r pC V 式中：CFB=8/9； 空气密度； Vr额定风速。 代入系数值并经量纲转换后得： 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 12 页 _ （kN/m2） 2 H 1800 r V p 式中：Vr 的量纲为m/s。 (2) 作用在塔架顶部的力为： XHH Fp A (3) 湍流、风斜流和塔尾流的影响 利用气动力距风轮中心的偏心距ew 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的 影响： 2 2 w r wR e V 式中：R风轮半径； w任一方向风的极端风梯度，
28、取w=0.25或风速梯度的1.5 倍 m s m （二值中取较小值）。由于此偏心距而产生最大附加力矩为： YHHw Mp Ae 或 ZHHw Mp Ae (4) 扭矩 XH M 由最大输出功率 Pe1 确定： e1 XH P M 式中：风轮转动角速度； 发电机和增速器的总效率系数。 若无输出功率或总效率系数实际值时，则可假定单位风轮扫掠面积的输 出功率为500W/m2及总效率系数=0.7。 将=0.7 及Pe1（kW）代入得： e1 XH 14 P M n 式中：n风轮转速，r/min。 A.2 风机偏航荷载 风机偏航运动时，由于陀螺效应，偏航运转将引起作用在塔架顶部的陀 螺力，这就是偏航荷载
29、，对于偏航运动的不同阶段，该荷载分为启动荷载和 匀速转动荷载。 （1）启转 当风机偏航时，偏航启动作用在塔架上的扭矩为： ZTHw Mp Ae 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 13 页 _ 在偏转运动开始时，除扭矩外，还作用有塔架顶端的横向力： YTMM Fm e 式中：发电机和风轮的总质量； M m 总质量的质心位置距塔架的距离； M e 偏航角加速度。 （2）匀速偏转运动 如果装被动偏航系统的风力发电机组无合理加速时间数据可用，则可假 定加速持续时间为1s。此外，要使用偏航系统的角速度。对于装主动偏航系 统的风力发电机组，角速度通常很小，可不考虑此荷载情况。 在这些情况下，将作用
30、下述荷载： 2 XTMM FZm e YTB MZI 式中：Z 叶片数量； 叶片相对风轮轴的惯性矩； B I 偏航角速度 2、风在转子和塔架上产生的荷载应当加以考虑。风生荷载包括风直接产生的荷 载以及由风机的运转和风激运动产生的间接荷载。直接风激荷载包括： 空气动力轮机叶片荷载（在运转，停止、空闲，制动和启动时） ； 塔架和发电机舱的气动阻力。 根据标准，在结构设计中，以下风荷载包括由风间接产生的荷载和风机 工作产生的荷载。 叶片上的动力荷载。随着叶片的转动，该荷载随时间不断变化； 由转动产生的地心引力和科里奥利力； 偏转引起的回转力； 风机的制动力。 3、以下因素在风荷载的定义中应当予以考虑
31、： 塔架的遮蔽、塔架的填塞物和漩涡脱落，即塔架的存在而产生的风紊 流； 一个风力涡轮机在另一个的后面产生的伴流效应，例如在风力发电场 中； 与回转轴有关的风流方向偏离，例如偏航误差； 转动样本，例如，由于轮机叶片切割漩涡，低频的气体紊乱将会变成 高频荷载； 气体弹性效应，例如，涡轮机在一面的运动和与另一面的风场的相互 作用； 叶片螺距的不同导致的空气动力的不平衡和转子质量的不平衡； 风力涡轮机上控制系统的影响，例如，限制穿过叶片螺距上的极限荷 载； 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 14 页 _ 气体的紊流和阵风； 由停止导致的桨叶和边缘振动所引起的不稳定性应当避免； 阻尼； 风力涡轮
32、机控制器。 3.4.3 风荷载风荷载 1、风速的选取 参考 SY/T 100302004 2.3.2 条款。 2、风力的计算 计算公式如下 2 2 1 AVCF s 式中：F风力（N） ； 空气的密度（kg/m3） ； A物体的迎风面积（m2） ； V风速（m/s） ； Cs形状系数。 3、形状系数和遮蔽效应 参考 SY/T 100302004 2.3.2e 和 2.3.2f 条款。 3.4.4 波浪荷载波浪荷载 1、在波浪荷载的计算中，应根据水深、环境条件级结构形式采用合适的波浪理 论； 2、对于细长结构，如导管架结构构件和单桩结构，可用 Morison 方程求解波浪 力。 3、对于大尺度结
33、构物，波浪运动因结构物的存在受到干扰，应当进行波浪绕射 分析以确定局部（压力）及整体波浪荷载。 4、作用在诸如浸没在水中的圆柱体等细长结构部分上的波浪力，可通过 Morison 方程预测得到。在该方程中，作用在水深 z 处的竖直单元 dz 上的水 平力表达如下： 第一项是惯性力，第二项是拖曳力。CD和 CM是拖曳力和惯性力系数， D 是圆柱体直径， 是水的密度，是水质点的水平速度，z 由静水面处测量， x z 轴向上。因此，在海底处，z=-d，水深为 d。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 15 页 _ 5、作用于圆柱体上总的水平波浪力可由 Morison 方程沿高度 z 从-d 到波
34、浪顶端 的积分得到。 6、当结构物的尺寸接近波长时，如 D0.2，那么 Morison 方程不适用。惯性 力将占主导地位，可由绕射理论计算得到。 7、波浪容易在结构物所在地或其周围发生破碎，那么在结构设计中应当考虑破 碎波的波浪荷载。破碎波的波浪荷载取决于破碎波的类型。崩破波、卷破波 和激破波之间有区别。三种类型波浪的动力学不同。 8、在波浪荷载的计算中，可用增加结构构件外径的方法来考虑海生物的生长。 3.4.5 流荷载流荷载 1、单独流力的计算 VDVCF d 2 1 2、与波浪同时出现 流速应与波浪的水质点速度矢量迭加，然后计算。 3、流致涡激振动 对暴露于流中的细长构件，应考虑周期性的漩
35、涡脱落引起的涡激振动的影响。 3.4.6 冰荷载冰荷载 1、静冰力计算 海冰对结构的作用力取决于海冰的破坏形式，海冰的挤压破坏强度为弯曲 破坏强度的 3-4 倍，因此，一般采用挤压破坏时的冰力作为设计冰荷载。各国 学者提出了不同的静冰力计算公式，其中被普遍认可而且在海洋平台结构设计 中广泛采用的冰力计算公式为 Korzhavin-Afanasev 公式（简称 K-A 公式） 。 K-A 公式表达的静冰力为 Im sc Fkdt 式中：-嵌入系数，取值为I51 t I d 桩柱形状系数，圆截面柱取0.9；m 桩柱与冰层的接触系数，一般取0.3；k 冰块试样的极限抗压强度，Pa； c 桩柱直径，；
36、dm 冰层计算厚度，。tm 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 16 页 _ 2、动冰力的计算 动冰力的计算根据DNV规范DnV-OS-J101中建议的动冰力曲线，如下图所 示。其中取的是静力计算得到的，为冰作用的周期，其影响条件是冰 0 F s F 0,1 T 的破坏长度和冰的漂移速度，L ice U 0,1 / ice TL U 图图3.1 DNV-J101建议的动冰力时程建议的动冰力时程 图示动冰力时程的表达式如下： 0 0.1 0.1 0 00.10.10.1 0.1 0 00.10.10.1 0.1 8 0.200.7 7 7 (0.7)0.70.8 0.3(0.8)0.8 2
37、 F FT T F FFTTT T F FTTT T DNV规范推荐了两种确定破坏长度的模型：L （1），其中是桩的外径，是的函数，由图3.2 12 LDD 2 /() Wf Dt 中确定，其中，是冰的弯曲强度，是水的重度， 为冰的计算厚度。 f W t 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 17 页 _ 图图3.2 冰的破坏长度确定参数冰的破坏长度确定参数的确定的确定 （2），其中是冰的弹性模量， 是冰的泊松比。 0.25 3 2 12 12(1) W Et L v Ev 以上两种模型都表明冰的破坏长度和冰的漂移速度是相互独立的。冰L ice U 的漂移速度根据所给环境资料取值。冰的破坏
38、长度取值相对来说比较不确定，L 因此，在动力响应计算中要考虑范围相对比较广泛的冰周期，以保证结构在 0,1 T 冰载荷作用下有足够的强度。 3、群桩上的冰力 但大面积冰层挤向平台时，应适当考虑群桩的遮蔽效应，后面的桩排应 乘以折减系数。 4、对在寒冷地区的平台，应参考 API RP2N 确定冰荷载。 3.4.7 地震荷载地震荷载 1、当风机设计的场所可能发生地震时，结构应当设计成具有抵抗地震荷载的能 力。 2、当风机建在易发生地震引发海啸的地带，那么海啸对结构的荷载效应也应当 加以考虑。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 18 页 _ 3.5 荷载组合荷载组合 3.5.1 荷载组合的原
39、则荷载组合的原则 1. 根据应用海域的具体环境条件，对实际有可能出现的各种荷载，应按照最不 利情况进行组合。 2. 在荷载组合过程中，应考虑荷载组合的合理性和可能性。 3. 对受水位影响的荷载，必须把水位作为一个组合条件考虑。 3.5.2 荷载组合荷载组合 1. DNV-OS-J101 推荐的荷载组合 2 我国海域的荷载组合 针对我国渤海和南海海域，极端环境条件下的荷载组合工况见表 3.2。 表表 3.2 渤海和南海极端工况荷载组合渤海和南海极端工况荷载组合 组合工况风浪流冰 表表3.1 DNV荷载组合荷载组合 定义相关荷载效应特征荷载值的环境荷载类型和重现期 极限荷载荷载联合风浪流冰水位 1
40、50年一遇5年一遇5年一遇50年一遇 25年一遇50年一遇5年一遇50年一遇 35年一遇5年一遇50年一遇50年一遇 最终极 限状态 450年一遇5年一遇50年一遇平均水位 注：最终极限状态下，风机处于停转状态。 海上风电机组基础结构设计标准（初稿） 第 19 页 _ 150 年一遇50 年一遇50 年一遇 渤海 210 年一遇10 年一遇50 年一遇 南海100 年一遇100 年一遇100 年一遇 对于风机正常运转的情况下，在我国渤海和南海海域，可以采用以下的荷 载组合形式，如表 3.3 所示。 表表 3.3 渤海和南海操作工况荷载组合渤海和南海操作工况荷载组合 组合工况风浪流冰 1风机运转10 年一遇10 年一遇 渤海 2风机运转10 年一遇10 年一遇 南海风机运转10 年一遇10 年一遇 3、每次对包含风荷载效应贡献的荷载联合进行研究时，应当根据风机的两种不 同