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摘要
因为单桩支撑的海上风机的结构的整体固有频率与施加在它们身上的不同强迫频率式是相似的，它是动态敏感的。这些结构的设计寿命为25至30年，但我们对它们的长期特性了解的很少。为了研究它们的长期特性，进行了一系列实验测试，通过缩放的单桩风机模型受到32000至172000的水平荷载循环影响和观察模型固有频率和阻尼的变化。实验的结果被指出在理论力学的基础上使用了无量纲框架。发现固有频率的变化很大程度取决于桩基旁土壤中的剪切应变水平。实践证明单桩直径的选择是基于使用剪切体积概念的有限元测试结果。
重点
通过小规模的测试探索海上风力发电机动态SSI。►推导出规律/相似关系的缩放►证明单桩直径的选择基于有限元测试结果。►与宏观行为相关的微观行为（有限元测试） （模型测试）。
关键词
海上；风力发电机；单桩；循环荷载；动态；长期特性；试验测试；粘土
专业词
a 有理函数拟合中的参数
CSR 循环应力比
D 桩径
E 桩的杨氏模量
ff 强迫频率
f n 固定频率
G 土的剪切模量
Gmax 小应变土的剪切模量
Gsec 土的割线剪切模量
I 区域桩的二次矩
KH 水平土的渗透系数
Kl 横向刚度
KR 转动弹簧刚度
Kv 垂直弹簧刚度
L 沉桩深度
M 外力矩在桩头
MN 割线模量P–Y曲线后NTH
M1 的割线模量P–Y经过第一周期曲线
N 负载周期数
P 净水平荷载
t 时间
tW 桩墙的厚度
V 竖向荷载
Y 基础级和应用之间的距离P
alpha; 对数拟合参数
Delta; 有理函数拟合参数
gamma;a 一平均土壤剪切应变
gamma;tl 线性剪切应变门槛
gamma;tv 体积应变门槛
delta; 桩头侧偏转
eP在桩壁厚度应变
eS 土壤中的平均应变
lambda; 在有理函数拟合参数
xi; 阻尼比模型
有效的垂直的土壤在同一深度上
sigma;y 桩屈服应力
1介绍
海上风力发电机提供风能的能力的比例越来越大，因为这些海上地区和陆上的地点相比具有更强大和更稳定的风力条件的特点。与等量的陆上地区相比，海上地区也具有较高的容量系数（在一段时间内实际产生的功率与额定涡轮机功率的比率）
由于恶劣的环境条件，海洋风力发电机的基础设计和施工具有挑战性，因此引起了欧洲的重点研究，例如Achmus[1],Kuo[30]，Bhattacharya等[5]。不同种类的基础已经被提出来，包括：单桩基础，重力式基础，导管架基础，沉箱式基础，浮式系统基础。然而，目前正在运行的大多数海上风力发电机组（英国第一轮开发项目）都是由单桩基础驱动支持的。单桩基础的选择取决于其安装的简易性以及驱使桩在支持海上石油和天然气基础设施方面的成功证明。设计单桩式海上风力发电机的可行性方法（例如，，DNV-OS-J101 [15]或IEC61400-1 [21]提出的方法）是基于最近为发展天然气和石油事业想出的办法。图1介绍了典型的单桩式海上风机结构和单桩支撑的固定式导管架结构。然而，这两种类型的基础间存在明显的差异。海上桩基结构通常长60-110米，直径1.8-2.7米。 相比之下，海上风力发电机的桩基础通常长30-40米，直径3.5-6米。 循环载荷导致的上层土层的降解对于离桩桩头而言是不那么严重，这对桩头旋转有显着的限制，致使桩头挠度较低。 然而，在导管架结构中产生的翻转力矩与桩中的相等和相对的轴向结果对抵抗。 这种循环轴向载荷可能由于堆桩的“摩擦疲劳”的发展而导致轴向承载能力的损失。 单桩是自由端的，鼓励更多的桩头偏转。 可以使用在非线性温克勒弹簧（API代码[4]或DNV代码中的#39;p-y#39;方法）中使用梁的设计方法来获得在循环载荷下的桩头偏转，但是其对于风力涡轮机的使用是有限的，因为
- 广泛使用的API模型根据适用于海上固定平台应用的少量循环（最大200个周期）和几个小直径桩（长径比为30至50）的响应进行校准。 Matlock [38]，O#39;Neill和Murchison [42]，Poulos和Hull [44]，Reese et al[47,48]。 相比之下，对于真正的海上风力发电机，桩的长径比约为4至8级，预期在20至25年的整个寿命期内，107-108次侧向和力矩载荷的周期。
- 可以看出，API和DNV代码中使用的校准p-y曲线是基于弹性桩的行为，其中预制桩将通过形成塑性铰（桩的结构失效）而失效。 另一方面，单桩的下沉性质使其足够刚性，从而塑性铰不能出现。 相反，一个单体像刚体一样旋转（可能包括一些反向脚趾），并且桩旁边的土壤可能会失效。
- 在循环载荷下，API或DNV模型总是预估沙土中基础刚度的退化。 然而，Bhattacharya和Adhikari最近的工作[7]，Cueacute;llaret al。 [13] LeBlanc [32]认为，由于桩附近的土壤致密化，沙土中单体的基础刚度实际上会增加。
- 与导管架结构相比，海上风力发电机组的水平载荷（P）与垂直载荷（V）的比例非常高。因此，与导管架桩基础相比，单体体验的负荷比例不成比例。在API和DNVp-y曲线的校准期间，没有考虑到更加极端的负载条件。
在设计北海阿尔沃海域的浮动海上平台时遇到了相对较短的桩（20-30米）周围土壤循环退化的类似问题[8]：机制包括后坑和可能的喷射作用 锚定桩上的单向循环荷载。这些近表面效应，Bhattacharya et al。[8]对于较短的单体影响更大，影响其长度的比例更大。
海上风力发电机的长期性能涉及以下两个问题：
1、
土壤刚度的变化（退化/加固）导致系统固有频率的变化，具有不可预计的系统共振的可能性，从而导致过度的循环位移。
2、
土体刚度的降低可能导致涡轮机的永久性位移，这可能危及其性能：风力发电机通常不能容忍超过0.5度的倾斜。
离岸风力发电机是相对较新的结构，没有长期性能的记录。监测有限数量的安装的单桩支持的风力发电机已经表明整体系统动态与设计要求（例如来自Lely风力发电场的数据[28]）逐渐脱离。显然，需要了解这些动态敏感结构的动态响应的长期性能和不确定性。目前海上风力发电机组的基础设计实践规范（例如API，ISO，DNV）建议采用p-y曲线来主要评估最终极限状态（ULS）中的侧向桩容量。这些守则对于预测基础刚度的变化以及随之而来的固有频率的变化提供了有限的指导，这是正常使用极限状态（SLS）要求的单体的振动将在附近的土壤中引起循环应变。
在中度至高振幅的循环载荷下，大多数土壤改变其刚度和强度。为了研究由于这些循环应变引起的土体刚度的变化，必须考虑剪切带周围土壤的发展应变。近海地区的土壤可能完全饱和，因此由于这些循环应变，孔隙压力可能会变化。产生的孔隙压力可能会因包括载荷频率，土壤渗透性和桩直径等因素而向周围土壤消散。在循环剪切的不饱和土壤中，孔隙水压也可能发生。重要设计驱动程序。
由环境负荷（风和波浪）引起的动态激励可能对桩基础造成单向或双向循环负载。 Chang和Whitman [12]，Little和Briaud [34]，Kramer和Heavey [27]都观察到单向载荷由于产生更多的土体变形，从而导致基础刚度的变化更大。Cueacute;llar等人最近也进行了没有上层结构影响的桩土相互作用研究。[13]，Li et al。[33]，LeBlanc[32]，Achmus et al。 [1]其中观察到桩土刚度随载荷周期而变化。Wichtmann等人研究考虑在土壤样品上大量载荷循环的研究。[54]。
相比之下，目前的工作在整体系统动力学的实验考察中是独一无二的。 本文旨在：
（a）总结了作用在典型海上风力发电机上的外部动态和循环负载。
（b）以高分子粘土为单位的尺度模型风力发电机组的试验结果，以了解长期的基础性能。
（c）使用类似关系评估原型海上风力发电机的长期性能，以便对这种涡轮机的型号进行1克测试。
（d）突出选择单桩基础的实际意义。
2风力发电机上的动态和循环负载
海上风力发电机的特点是具有一套独特的动态载荷条件（图2）。 主要的外部激励是：
（a）由风浪引起的环境动力负荷。图3显示了英国海岸线（特别是北海）风和波浪载荷的功率谱密度曲线。 主频波为0.1 Hz，相当于10 s波周期。
（b）转子加载频率通常称为1P。图3示出了具有5至13rpm的操作范围（即0.14-0.31Hz）的3.6MW风力涡轮机的转子频率。在功率谱密度图中，1P频率显示为频带。
（c）叶片通过频率（分别为三叶片或双叶片涡轮机的3P或2P）是由于每个叶片通过塔的阴影而发生的风力不足的影响产生的强制加载。图3示出了3.6MW风力发电机的叶片通过频率。
从图 3可以观察到，为了避免系统的共振，整个系统的设计频率必须远离施加负载的频率含量。具体来说，DNV [14]表明，风力发电机的固有频率应至少比1P和2P/3P频率高出plusmn;10％。考虑到这些问题，系统的固有频率可能存在三个可能的范围。它们对应于三种不同的设计方法，即软软（自然频率lt;1P），软硬（1P和2P或3P之间的固有频率）和刚硬（固有频率gt; 2P或3P）。最常见的设计，例如在第一轮英国发展中使用的是“软硬”，这意味着固有频率在1P和3P之间。
设计过程需要对固有频率进行准确评估，这取决于支撑条件（即，基础的刚度），而这又依赖于周围土壤的强度和刚度。此外，应该确保在整个使用寿命期间，系统的固有频率不会接近任何强制频率：这将导致风机的动态响应的放大，导致更大的塔偏转或旋转超过 通常可以容忍的倾斜度为0.5度。
表1列出了六个不同地点的六种类型的风机（Nedwind，Nordtank，Seimens，Vestas V66，Vestas V80和Vestas V90）的细节。动力测量仅在两台涡轮机（Lely和Irene Vorrink风电场）上进行。对于剩下的四个，固有频率的评估是基于由Adhikari和Bhattacharya开发的校准数学模型[2];[3]，Bhattacharya和Adhikari [7]。表1显示，这些结构的固有频率与外部动态载荷施加的励磁频率相同，从而加强了设计过程中动态考虑的需要。
3、实验装置
实验调查使用布里斯托大学的BLADE设施（布里斯托尔高级动力学工程实验室）进行。在支撑在单体上的规模风力发电机模型上进行测试。发电机经受高达172,000个3P载荷的循环。实验装置如图4。
模型涡轮机模仿了具有1：100的概念尺度的3 MW Vestas V90风机。 模拟试验采用软质白云母高岭土的均匀土壤剖面。通过将高岭土粉末与去离子水混合，水分含量约为液体极限的两倍，从浆料制备土壤。然后将该浆料固结在圆柱形混凝土管（直径600mm，高度600mm）中。通过放置在管中的一系列弯曲元件试验来评估粘土的小应变剪切模量（Gmax），并测量平均值6MPa。使用相关性从水分含量估算不排水剪切强度（Su），估计14 KPa的平均值。更多细节由Lombardi [35]给出。
他的环境动态载荷使用固定在实验室强墙上并连接到模型风力涡轮机塔的电动执行器进行建模。施加到风力涡轮机上的力（P）可以通过力传感器不断地被监测。使用由直流电源供电的电动机来旋转叶片以模拟1P负载并且还向系统提供空气阻尼。位移和加速度的精确测量使用LVDT（线性变化差分变压器
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