海上风电单桩基础入土壁厚优化方法及系统与流程

1.本发明涉及海上风电能源工程中的基础设计技术领域，具体涉及一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法及系统。


背景技术：

2.海上风电单桩基础是海上风电中最常用的基础形式，单桩基础将载荷传递到海床土上，载荷主要为水平力和弯矩。目前，单桩直径最大已突破10m，单桩基础设计的主要任务是确定直径、壁厚和桩长等尺寸，从而满足单桩基础承载力、整机频率和疲劳应力等要求，同时在确定单桩直径和壁厚时，还需要考虑单桩加工生产要求、防腐要求以及施工要求。
3.具体地，单桩加工生产要求、防腐要求以及施工要求如下：
4.一、等壁厚段长度一般为2-3米。单桩一般是由2-3米宽的钢板弯折、焊接而成，因此在弯折的2-3米内钢管的厚度是相同的。
5.二、单桩结构防腐包括预留腐蚀余量、牺牲阳极和防腐涂层。如果采用腐蚀余量，那么要在计算时分腐蚀前和腐蚀后分别计算分析。
6.三、桩底厚度适当增加。根据单桩的受力特点，在单桩桩底处的应力一般较小，但是考虑到施工时单桩底一般壁厚需要适当增加，防止打桩时桩底钢管出现屈曲或卷边等问题。
7.单桩基础在设计的时候，一般是先确定桩径和入土深度，然后根据单桩基础应力比和经验确定壁厚，往往仅关注单桩最大应力比是否满足要求。因此仅关注应力比最大处的单桩壁厚，而其他位置处的壁厚的确定具有一定的随意性，从而有一定的优化空间。
8.基于此，本技术发明人提出一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法及系统，以期解决上述技术问题。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中单桩设计时仅关注应力比最大处的单桩壁厚，其他位置处的壁厚的确定有一定的随意性的缺陷，提供一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法及系统。
10.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
11.本发明提供了一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特点在于，包括如下步骤：
12.s1：确定单桩基础应力比最大的载荷工况，并得出所述载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚；
13.s2：在所述载荷工况下对单桩弯矩沿单桩深度的分布点作为弯矩拟合原始数据；
14.s3：基于所述弯矩拟合原始数据进行拟合并得出弯矩拟合曲线；
15.s4：根据所述壁厚不动点、所述目标壁厚以及所述弯矩拟合曲线计算得出优化系数；
16.s5：依据所述优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布。
17.根据本发明的一个实施例，所述弯矩拟合曲线为：
18.f(x)＝ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f；
19.其中，f(x)为弯矩，x为单桩入土深度，a～f均为拟合待定系数。
20.根据本发明的一个实施例，所述步骤s4中包括：
21.利用如下公式计算得出优化系数：
22.α＝t0/f(x0)
1/3
；
23.其中，α为优化系数，x0为壁厚不动点的坐标，t0为壁厚不动点x0处对应的目标壁厚，f(x0)为基于x0利用所述弯矩拟合曲线中计算得出的弯矩值。
24.根据本发明的一个实施例，所述步骤s5中包括：
25.采用如下公式计算不同单桩入土深度对应的壁厚：
26.t(x)＝α*f(x)
1/3
；
27.其中，t(x)为单桩入土深度x下的壁厚值，α为优化系数，f(x)为基于x在所述弯矩拟合曲线中计算得出的弯矩值。
28.根据本发明的一个实施例，在所述步骤s5之后还包括以下步骤：
29.s6：根据生产加工要求对壁厚分布进行优化。
30.根据本发明的一个实施例，所述步骤s6还包括：
31.重新复核不同载荷工况下的单桩基础承载力和变形。
32.本发明还提供了一种海上风电单桩基础入土壁厚优化系统，其特点在于，所述海上风电单桩基础入土壁厚优化系统采用如上所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，所述海上风电单桩基础入土壁厚优化系统包括：
33.确定模块，用于确定单桩基础应力比最大的载荷工况，并得出所述载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚；
34.导出模块，用于在所述载荷工况下对单桩弯矩沿单桩深度的分布点作为弯矩拟合原始数据；
35.拟合模块，用于基于所述弯矩拟合原始数据进行拟合并得出弯矩拟合曲线；
36.提取模块，用于根据所述壁厚不动点、所述目标壁厚以及所述弯矩拟合曲线计算得出优化系数；
37.计算模块，依据所述优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布。
38.根据本发明的一个实施例，所述优化系统还包括优化模块，所述优化模块用于根据生产加工要求对壁厚分布进行优化，并在优化后重新复核不同载荷工况下的单桩基础承载力和变形。
39.本发明还提供了一种电子设备，其特点在于，包括：处理器和存储器，所述存储器存储可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行实现如上所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法。
40.本发明还提供一种可读存储介质，其特点在于，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如上所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法。
41.本发明的积极进步效果在于：
42.采用上述海上风电单桩基础入土壁厚优化方法及系统，在单桩最大应力比不变且在不降低单桩安全性前提下，对单桩壁厚进行优化，从而减小单桩壁厚和用钢量。
附图说明
43.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
44.图1为本发明海上风电单桩基础入土壁厚优化方法的流程图。
45.图2为本发明弯矩拟合曲线坐标图。
46.图3为本发明厚度分布坐标图。
47.图4为本发明海上风电单桩基础入土壁厚优化系统示意图。
48.图5为本发明电子设备的结构示意图。
具体实施方式
49.为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
50.现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
51.对于已经完成初步设计的单桩方案，单桩桩径、壁厚和桩长都已经确定，单桩在各种载荷工况下的弯矩、变形、强度或稳定性应力比均可以根据模型计算得到。
52.参照图1，基于此，本技术提出一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，包括如下步骤：
53.s1：确定单桩基础应力比最大的载荷工况，并得出载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚。
54.工况包括但不限于正常工况、不同级台风工况、受不同级别波浪工况下，选取单桩基础应力比最大的载荷工况为优化工况。
55.单桩基础沿其轴向为x轴，优化的目的也是基于x轴的单桩壁厚的优化。在该工况下，将应力比最大处的x轴的坐标值作为壁厚不动点坐标，在壁厚不动点坐标处对应的单桩厚度为目标壁厚。
56.s2：在载荷工况下对单桩弯矩沿单桩深度的分布点作为弯矩拟合原始数据。
57.单桩两端分别为入土端和海上端，入土端作为x轴的0坐标位置，x轴沿入土端至海上端延伸。
58.分布点包括不同单桩深度对应的单桩弯矩的坐标，也即建立x、y轴坐标系，在坐标系中，x轴为单桩入土深度变化轴，y轴为单桩弯矩。分布点对应不同x轴对应的弯矩坐标点。在坐标系中，每一x轴的值会一一对应一个弯矩值，多个分布点便对应弯矩拟合原始数据。
59.s3：基于弯矩拟合原始数据进行拟合并得出弯矩拟合曲线。
60.在一个实施方式中，弯矩拟合曲线为：
61.f(x)＝ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f；
62.其中，f(x)为弯矩，x为单桩入土深度，a～f均为拟合待定系数。
63.根据一一对应的多个分布点，拟合后的弯矩拟合曲线中，a～f的拟合待定系数均被确定。其中，x＝0代表泥面，向下为正。
64.s4：根据壁厚不动点、目标壁厚以及弯矩拟合曲线计算得出优化系数。
65.具体地，利用如下公式计算得出优化系数：
66.α＝t0/f(x0)
1/3
；
67.其中，α为优化系数，x0为壁厚不动点的坐标，t0为壁厚不动点x0处对应的目标壁厚，f(x0)为基于x0利用弯矩拟合曲线中计算得出的弯矩值。
68.根据x0可以依据代入上述的f(x)公式中计算出x0对应下的弯矩值，再利用优化系数相关的公式便可以得出优化系数α。
69.s5：依据优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布。
70.具体地，采用如下公式计算不同单桩入土深度对应的壁厚：
71.t(x)＝α*f(x)
1/3
；
72.其中，t(x)为单桩入土深度x下的壁厚值，α为优化系数，f(x)为基于x在弯矩拟合曲线中计算得出的弯矩值。
73.采用上述壁厚相关的公式会得到多个不同x值对应的厚度值，此时建立x值和厚度值的坐标系，便可以得到厚度分布图。
74.在一个实施方式中，在依据优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布后，还包括步骤s6，步骤s6为：根据生产加工要求对壁厚分布进行优化。
75.生产加工要求包括生产加工方面的要求、防腐方面的要求以及施工方面的要求，如此得到最终的壁厚分布。
76.在根据生产加工要求对壁厚分布进行优化后，还包括重新复核不同载荷工况下的单桩基础承载力和变形。
77.也即，该步骤为校准步骤，确保设计完成后的单桩基础满足不同工况下的承载力以及变形要求。
78.以下以海上风电单桩设计方案为例：
79.其中，单桩入土深度为48m，桩径为8.3m，壁厚范围为65-85mm，根据计算模型得出应力比最大的载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚。同时得到五阶弯矩拟合曲线，如图2所示，其中：弯矩拟合曲线公式如下：
80.f(x)＝-0.014x5+2.2371x
4-112.09x3+1831.7x
2-9234.5x+332689。
81.根据壁厚不动点、目标壁厚以及弯矩拟合曲线计算得出优化系数为：α＝1.080。参照图3，计算得出优化前后的壁厚分布对比图。
82.具体地，优化前：单桩基础泥面下重量为704.4吨，单桩最大应力比为0.72。优化后，单桩重量降为663.4吨。降低用钢量41吨，最大应力比仍旧为0.72，位置不变。优化后，在单桩应力比不变情况下，仅通过壁厚优化，单桩重量降低了：41/704.4＝5.82％。
83.参照图4，本发明还提供一种海上风电单桩基础入土壁厚优化系统，系统采用上述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，系统包括：确定模块、导出模块、拟合模块、提取模
或“一个实施方式”或“一替代性实施方式”并不一定是指同一实施方式。此外，本技术的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
104.本技术的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理器件(dapd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本技术的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带
……
)、光盘(例如，压缩盘cd、数字多功能盘dvd
……
)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器
……
)。
105.计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。
106.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施方式的理解，前文对本技术实施方式的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施方式、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施方式的特征要少于上述披露的单个实施方式的全部特征。一些实施方式中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施方式描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施方式中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施方式所需特点可以发生改变。在一些实施方式中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施方式中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施方式中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
107.本发明虽然以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：确定单桩基础应力比最大的载荷工况，并得出所述载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚；s2：在所述载荷工况下对单桩弯矩沿单桩深度的分布点作为弯矩拟合原始数据；s3：基于所述弯矩拟合原始数据进行拟合并得出弯矩拟合曲线；s4：根据所述壁厚不动点、所述目标壁厚以及所述弯矩拟合曲线计算得出优化系数；s5：依据所述优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布。2.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特征在于，所述弯矩拟合曲线为：f(x)＝ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f；其中，f(x)为弯矩，x为单桩入土深度，a～f均为拟合待定系数。3.根据权利要求2所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特征在于，所述步骤s4中包括：利用如下公式计算得出优化系数：α＝t0/f(x0)
1/3
；其中，α为优化系数，x0为壁厚不动点的坐标，t0为壁厚不动点x0处对应的目标壁厚，f(x0)为基于x0利用所述弯矩拟合曲线中计算得出的弯矩值。4.根据权利要求3所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特征在于，所述步骤s5中包括：采用如下公式计算不同单桩入土深度对应的壁厚：t(x)＝α*f(x)
1/3
；其中，t(x)为单桩入土深度x下的壁厚值，α为优化系数，f(x)为基于x在所述弯矩拟合曲线中计算得出的弯矩值。5.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特征在于，在所述步骤s5后还包括以下步骤：s6：根据生产加工要求对壁厚分布进行优化。6.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，其特征在于，所述步骤s6还包括：重新复核不同载荷工况下的单桩基础承载力和变形。7.一种海上风电单桩基础入土壁厚优化系统，其特征在于，所述海上风电单桩基础入土壁厚优化系统采用如权利要求1-6任一项所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法，所述海上风电单桩基础入土壁厚优化系统包括：确定模块，用于确定单桩基础应力比最大的载荷工况，并得出所述载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚；导出模块，用于在所述载荷工况下对单桩弯矩沿单桩深度的分布点作为弯矩拟合原始数据；拟合模块，用于基于所述弯矩拟合原始数据进行拟合并得出弯矩拟合曲线；提取模块，用于根据所述壁厚不动点、所述目标壁厚以及所述弯矩拟合曲线计算得出优化系数；
计算模块，依据所述优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布。8.根据权利要求7所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化系统，其特征在于，所述优化系统还包括优化模块，所述优化模块用于根据生产加工要求对壁厚分布进行优化，并在优化后重新复核不同载荷工况下的单桩基础承载力和变形。9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器存储可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行实现如权利要求1-6任一项所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法。10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的海上风电单桩基础入土壁厚优化方法。

技术总结
本发明提供一种海上风电单桩基础入土壁厚优化方法及系统，海上风电单桩基础入土壁厚优化方法包括：确定单桩基础应力比最大的载荷工况，并得出所述载荷工况下的壁厚不动点坐标以及目标壁厚；在所述载荷工况下对单桩弯矩沿单桩深度的分布点作为弯矩拟合原始数据；基于所述弯矩拟合原始数据进行拟合并得出弯矩拟合曲线；根据所述壁厚不动点、所述目标壁厚以及所述弯矩拟合曲线计算得出优化系数；依据所述优化系数得出沿单桩深度的壁厚分布。壁厚优化方法在单桩最大应力比不变且在不降低单桩安全性前提下，对单桩壁厚进行优化，从而减小单桩壁厚和用钢量。单桩壁厚和用钢量。单桩壁厚和用钢量。


技术研发人员：文锋 黄勇 何倩倩 赵子帅 肖耀明 牟金善 胡猛进 陆恒星 吴美仪
受保护的技术使用者：上海能源科技发展有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/16