一种极限状态下海上风机GFRP桶型基础设计方法

本发明涉及海洋吸力桶基础，尤其涉及一种极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法。

背景技术：

1、基础作为海上风机上部结构的最终承担者，是风机结构安全稳定运行的关键。海上风机常用基础形式主要包括：重力式基础、单桩基础、导管架基础以及吸力桶基础。相比于其他类型基础，吸力桶基础具有土层适应性强、安装方便、施工周期短、可拆除重复使用等优点。近些年来，吸力桶基础已广泛应用于防波堤、固定和浮式海上风机、浮式油气平台的支撑或锚泊基础，取得了良好的效果。

2、传统的吸力桶的材质为金属或者混凝土等材料，尤其以钢材的吸力桶被广泛制造和应用，往往受到海水浸泡和海泥中微生物腐蚀的影响，会显著降低服务期间的安全运行，增加运营和维护成本，并导致海上风力涡轮机（owt）提前退役。

3、玻璃纤维增强聚合物（gfrp）吸力桶基础因具有重量轻、防腐性能好、使用寿命长等优点，可以有效地提高海上风力发电机的可靠性和经济性而被制造和应用。关于gfrp桶型基础在水平荷载下的结构形式和尺寸的设计方法不同于钢制桶基础，如何保证gfrp桶型基础在服役状态下的可靠性成为亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，以实现海上风机gfrp桶型基础在服役状态下的合理设计。

2、如上构思，本发明所采用的技术方案是：一种极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，包括：步骤1：对待测海域的gfrp桶型基础周围的土体进行多项试验，得到土体的土性参数；步骤2：基于gfrp桶型基础面临的海洋环境，确定gfrp桶型基础的材质参数，根据材质参数制备gfrp层合板，通过多项试验获取gfrp层合板的本构参数；步骤3：基于步骤1和步骤2获取的参数，建立水平荷载下gfrp桶型基础的有限元模型，获取极限状态下gfrp桶型基础的不同截面所受到的最大主应力；步骤4：根据有限元模型，获取gfrp桶型基础的不同截面中，壁厚与最大主应力的关系曲线，并拟合相应的函数关系式；步骤5：以屈曲失稳作为主要破坏模式，建立水平荷载下gfrp桶型基础的极限状态方程为，其中，是水平荷载下gfrp桶型基础的临界屈曲应力；是水平荷载下gfrp桶型基础受到的最大主应力；步骤6：基于gfrp桶型基础的壁厚属于随机变量，存在不确定性，选取随机变量分布类型，随机生成n个随机数，n为大于等于10000的正整数，将n个随机数依次带入极限状态方程中，如果计算得到的z大于等于0，此时记1次数，最后将所有z大于等于0的个数相加，记总数为n，n除以n就是gfrp桶型基础在该壁厚下的屈曲可靠度pr；步骤7：把不同壁厚重复通过步骤6进行计算，得到不同壁厚对应的屈曲可靠度，根据工程所要求的可靠度，确定对应的壁厚是否满足gfrp桶型基础的可靠性设计要求。

3、作为优选，在步骤3中，选取gfrp桶型基础的三个截面，自上而下分别为顶部截面s1、中间截面s2和底部截面s3；在步骤4中，通过拟合获取的函数关系式如下：对于顶部截面s1，；对于中间截面s2，；对于底部截面s3，；其中，b是壁厚与直径的比值，；t是gfrp桶型基础的壁厚；d是gfrp桶型基础的直径；是水平荷载下gfrp桶型基础受到的最大主应力。

4、作为优选，在步骤5中，临界屈曲应力的计算公式为，其中，c是屈曲折减系数；e是弹性模量；t是gfrp桶型基础的壁厚；l是gfrp桶型基础的长度；v是泊松比。

5、作为优选，对于底部截面s3，极限状态方程为；在步骤6中，当壁厚为0.259%d时，随机变量满足期望为0.259，变异系数为0.02的正态分布，随机生成n=10000个壁厚数值，并一一带入极限状态方程z中，计算获得底部截面s3在壁厚为0.259%d时的屈曲可靠度pr为0.9999。

6、作为优选，在步骤3中，还获取极限状态下gfrp桶型基础的不同截面所受到的环向应变以及径向变形；在步骤4中，根据有限元模型，获取gfrp桶型基础的不同截面中，壁厚与环向应变以及径向变形的关系曲线，并拟合相应的函数关系式。

7、作为优选，在步骤4中，根据有限元模型，获取gfrp桶型基础的不同截面中，铺设角度与最大主应力、环向应变以及径向变形的关系曲线，并拟合相应的函数关系式。

8、作为优选，在步骤1中，多项试验包括土工密度试验和三轴试验，土性参数包括土体密度、内摩擦角和黏聚力。

9、作为优选，在步骤2中，本构参数包括弹性模量、拉伸强度、压缩强度和泊松比。

10、本发明的有益效果：本发明提出的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，通过对水平荷载下海上风机的gfrp桶型基础建模分析，确定gfrp桶型基础的壁厚与最大主应力的关系，基于建立的极限状态方程，根据随机变量分布类型，计算gfrp桶型基础的屈曲可靠度，实现gfrp桶型基础在服役状态下的合理设计。

技术特征：

1.一种极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，在步骤3中，选取gfrp桶型基础的三个截面，自上而下分别为顶部截面s1、中间截面s2和底部截面s3；

3.根据权利要求2所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，在步骤5中，临界屈曲应力的计算公式为，其中，c是屈曲折减系数；e是弹性模量；t是gfrp桶型基础的壁厚；l是gfrp桶型基础的长度；v是泊松比。

4.根据权利要求3所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，对于底部截面s3，极限状态方程为；

5.根据权利要求1所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，在步骤3中，还获取极限状态下gfrp桶型基础的不同截面所受到的环向应变以及径向变形；

6.根据权利要求5所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，在步骤4中，根据有限元模型，获取gfrp桶型基础的不同截面中，铺设角度与最大主应力、环向应变以及径向变形的关系曲线，并拟合相应的函数关系式。

7.根据权利要求1-6任一项所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，在步骤1中，多项试验包括土工密度试验和三轴试验，土性参数包括土体密度、内摩擦角和黏聚力。

8.根据权利要求1-6任一项所述的极限状态下海上风机gfrp桶型基础设计方法，其特征在于，在步骤2中，本构参数包括弹性模量、拉伸强度、压缩强度和泊松比。

技术总结
本发明公开了一种极限状态下海上风机GFRP桶型基础设计方法，其属于海洋吸力桶基础技术领域，包括获取土性参数和本构参数，建立水平荷载下GFRP桶型基础的有限元模型，获取不同截面中，壁厚与最大主应力的关系曲线，并拟合相应的函数关系式；建立极限状态方程，选取随机变量分布类型，随机生成N个随机数，N为大于等于10000的正整数，将N个随机数依次带入极限状态方程中，计算GFRP桶型基础在该壁厚下的屈曲可靠度pr；把不同壁厚重复进行计算，得到不同壁厚对应的屈曲可靠度，根据工程所要求的可靠度，确定对应的壁厚是否满足GFRP桶型基础的可靠性设计要求。

技术研发人员：寇海磊,安兆暾,陆佳清
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/17