一种自振频率可调的海上风电单桩基础及其频率调控方法

本发明涉及海上风电单桩基础，具体涉及一种自振频率可调的海上风电单桩基础及其频率调控方法。

背景技术：

1、我国东南海域海上风能资源丰富，开发潜力很大，是海上风电重点规划区域，区域内风电场区主要为深厚饱和软黏土层，用钢管桩作为海上风电基础时，其内部会形成与桩外几乎持平的饱和软黏土芯。另一方面，在海上风电动力设计分析过程中，整体结构的自振频率验算非常关键，尤其是前三阶自振频率，需严格控制在窄小的区间范围内，否则在风浪流条件下极易引起结构的共振。地基强/弱化或长期冲刷等外部条件会使风机整体固有自振频率偏移，逐渐靠近风浪流频率而产生结构共振，从而导致结构发生损坏。

2、综上，针对海上风机整体结构在长期运营过程中发生自振频率偏移的难题，如何能够在不影响基础原有承载性能条件下，对预防风机结构的共振进行实时调控，同时控制造价成本、便于施工，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种施工实现容易、造价低，且能够实现在不影响基础原有承载性能条件下，以预防风机整体结构的共振为目的进行自振频率实时调控的海上风电单桩基础；本发明的第二目的是提供该海上风电单桩基础的自振频率调控方法。

2、技术方案：本发明所述的自振频率可调的海上风电单桩基础，包括风机连接件和下部单桩基础，风机连接件中空的内腔中设置有质量阻尼装置，该质量阻尼装置包括内部中空的筒体，筒体顶部设有气泵，筒体底部设置有与其连通的第一管线，该第一管线插入下部单桩基础内部土芯一定深度，形成筒体-钢管桩土芯循环系统；气泵用于调节筒体内部气压，以控制筒体吸入单桩基础内部土芯的质量，对质量阻尼装置的阻尼进行实时调控。

3、经研究，钢管桩内部土芯的存在对钢管桩承载性能的影响几乎可忽略，同时风机连接件质量分布对风机整体自振频率影响较大。本发明将风机连接件内部中空的腔体用于布置质量阻尼装置，通过土芯位置的内循环来调整风机整体结构的自振频率，具有很强的可行性与操作性，施工简单，成本低廉。

4、进一步地，筒体上端与风机连接件铰接相连，以使质量阻尼装置具有单摆效应，质量阻尼装置整体上具有较好的减振耗能性能。

5、进一步地，筒体内部多格组合式空间结构，格间通过第二管线相连通。

6、进一步地，筒体内部为单桶空间结构。

7、进一步地，筒体采用钢桶。

8、本发明所述的自振频率可调的海上风电单桩基础的频率调控方法，包括：

9、判断风机整体自振频率forg,n是否进入警戒区间；

10、若大于等于上警戒值，则开启气泵进行正循环，通过吸入质量为m的土芯，填充筒体的空腔，增大质量阻尼装置的质量以及风机连接件部分的整体质量，实现将风机结构整体自振频率调控至海上风机整体频率设计值forg；

11、若小于等于下警戒值，则开启气泵进行反循环，排出筒体内部质量为m的水土混合物至土芯中，减小质量阻尼装置的质量以及风机连接件部分的整体质量，实现将风机结构整体自振频率调控至海上风机整体频率设计值forg。

12、进一步地，上警戒值为1.10forg。

13、进一步地，下警戒值为0.9forg。

14、进一步地，当风机整体自振频率forg,n大于等于上警戒值时，吸入土芯的质量m为：

15、

16、其中，mrna为风机质量；α为考虑塔筒等效集中质量系数；mt为塔筒质量；lt为塔筒高度；h为筒体空腔高度；ψ与κ为经验系数，ψ根据风机型号确定，κ取1.0。

17、进一步地，当风机整体自振频率forg,n小于等于下警戒值时，排出至土芯的水土混合物的质量m为：

18、

19、其中，mrna为风机质量；α为考虑塔筒等效集中质量系数；mt为塔筒质量；lt为塔筒高度；h为筒体空腔高度；ψ与κ为经验系数，ψ根据风机型号确定，κ取1.0。

20、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

21、(1)筒体通过管线与下部单桩基础的内部土芯连通，筒体顶部设置气泵，形成可进行饱和土循环的系统，能够在不影响单桩原有承载性能条件下，最大限度地利用桩内饱和土体，通过控制吸入饱和土的质量，对质量阻尼装置的阻尼进行实时调控，改变风机结构整体自振频率，避免了海上风机在地基强/弱化或长期冲刷等外部条件下导致自振频率偏移而产生的结构共振。

22、(2)施工难度低，成本低。

技术特征：

1.一种自振频率可调的海上风电单桩基础，包括风机连接件(1)和下部单桩基础(3)，其特征在于，风机连接件(1)中空的内腔中设置有质量阻尼装置(2)，该质量阻尼装置(2)包括内部中空的筒体(21)，筒体(21)顶部设有气泵(23)，筒体(21)底部设置有与其连通的第一管线(22)，该第一管线(22)插入下部单桩基础(3)内部土芯一定深度，形成筒体-钢管桩土芯循环系统；气泵(23)用于调节筒体(21)内部气压，以控制筒体(21)吸入单桩基础内部土芯的质量，对质量阻尼装置(2)的阻尼进行实时调控。

2.根据权利要求1所述的自振频率可调的海上风电单桩基础，其特征在于，筒体(21)上端与风机连接件(1)铰接相连，以使质量阻尼装置(2)具有单摆效应。

3.根据权利要求1所述的自振频率可调的海上风电单桩基础，其特征在于，筒体(21)内部多格组合式空间结构，格间通过第二管线相连通。

4.根据权利要求1所述的自振频率可调的海上风电单桩基础，其特征在于，筒体(21)内部为单桶空间结构。

5.根据权利要求1所述的自振频率可调的海上风电单桩基础，其特征在于，筒体(21)采用钢桶。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的自振频率可调的海上风电单桩基础的频率调控方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的自振频率可调的海上风电单桩基础的频率调控方法，其特征在于，上警戒值为1.10forg。

8.根据权利要求6所述的自振频率可调的海上风电单桩基础的频率调控方法，其特征在于，下警戒值为0.9forg。

9.根据权利要求6所述的自振频率可调的海上风电单桩基础的频率调控方法，其特征在于，当风机整体自振频率forg,n大于等于上警戒值时，吸入土芯的质量m为：

10.根据权利要求6所述的自振频率可调的海上风电单桩基础的频率调控方法，其特征在于，当风机整体自振频率forg,n小于等于下警戒值时，排出至土芯的水土混合物的质量m为：

技术总结
本发明公开了一种自振频率可调的海上风电单桩基础及其频率调控方法，海上风电单桩基础包括风机连接件和下部单桩基础，风机连接件中空的内腔中设置有质量阻尼装置，该质量阻尼装置包括内部中空的钢桶，钢桶顶部设有气泵，钢桶底部设置有与其连通的第一管线，该第一管线插入下部单桩基础内部土芯一定深度，形成筒体‑钢管桩土芯循环系统；通过控制钢桶吸入单桩基础内部土芯的质量，对质量阻尼装置的阻尼进行实时调控，从而避免海上风机在地基强/弱化或长期冲刷等外部条件下导致的自振频率偏移而产生的结构共振。本发明能够在不影响基础原有承载性能条件下对预防风机结构的共振进行实时调控，且造价成本低、施工简单便捷。

技术研发人员：李小娟,李维,竺明星,王炳辉,杜文平,李炫,席爽,谢尚乐
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15