海上風電大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在渤海海冰環(huán)境下的抗冰性能研究

李靜暉 陳果 馬晟翔

摘要：文章以大連莊河臨近的渤海海域為例，基于S A C S模型研究大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在渤海海冰環(huán)境下的抗冰性能。研究結(jié)果表明：在靜冰力方面，根據(jù)不同規(guī)范推薦公式設(shè)計的大直徑單樁基礎(chǔ)材料的用量可相差約1 0%；在動冰力方面，在不同冰速和冰厚的組合工況下，低冰速和大冰厚作用下的大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生持續(xù)振動。

關(guān)鍵詞：海上風電；大直徑單樁基礎(chǔ)；冰荷載；渤海；海洋工程

中圖分類號： P 7 5； P 7 3 1 . 1 5 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 9 3-0 4

R e a c t i o n s t oI c eL o a d so fS i n g l eL a r g e - d i a m e t e rP i l eF o u n d a t i o no f O f f s h o r eW i n dT u r b i n e i nS e aI c eE n v i r o n m e n t o fB o h a i S e a

L I J i n g h u i， CHE NG u o，MAS h e n g x i a n g

（ C C C CS h a n g h a iH a r b o u rE n g i n e e r i n gD e s i g n& R e s e a r c hI n s t i t u t eC o . ， L t d . ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2， C h i n a）

A b s t r a c t： T h i sp a p e r t o o kt h eB o h a iS e aa r e an e a r b yD a l i a nZ h u a n g h ea sa ne x a m p l e， t os t u d yt h e r e a c t i o n s t o i c el o a d so fs i n g l el a r g e - d i a m e t e rp i l ef o u n d a t i o no fo f f s h o r ew i n dt u r b i n eb a s e do n t h eS A C Sm o d e l .I nt e r m so fs t a t i c i c ef o r c e， t h er e c o mm e n d e df o r m u l a so fd i f f e r e n tc o d e sw e r e c o m p a r e d， a n d i tw a s f o u n d t h a t a c c o r d i n g t od i f f e r e n t c o d e s， i t c o u l d l e a d t oa b o u t 1 0%d i f f e r e n c e i nt h e a m o u n t o f l a r g e - d i a m e t e r s i n g l ep i l e f o u n d a t i o nm a t e r i a l s .I n t e r m so f d y n a m i c i c e f o r c e， d i f -f e r e n t i c es p e e d s a n d i c e t h i c k n e s s e s c o m b i n a t i o n sw e r e a n a l y z e d . T h e i c ev i b r a t i o nr e s p o n s eo f t h e l a r g e - d i a m e t e rs i n g l e - p i l ef o u n d a t i o ns t r u c t u r ei n d i c a t e dt h a tt h es t r u c t u r ew a s m o r el i k e l yt o g e n e r a t ec o n t i n u o u sv i b r a t i o nu n d e rt h ea c t i o no fc o m b i n a t i o n so fl o wi c es p e e d sa n dl a r g ei c e t h i c k n e s s e s .

K e y w o r d s：O f f s h o r e w i n dt u r b i n e，S i n g l el a r g e - d i a m e t e rp i l ef o u n d a t i o n， I c el o a d，B o h a iS e a， O c e a ne n g i n e e r i n g

0 引言

我國北方的渤海海域具有豐富的風能資源，可開發(fā)潛力巨大，在國家政策的支持下，其海上風電建設(shè)將迅速發(fā)展。渤海因地處寒冷地帶，冬季普遍受到海冰的影響。根據(jù)該海域大量石油平臺的建設(shè)經(jīng)驗，海冰對海洋結(jié)構(gòu)的作用不可輕視。大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因具有適應(yīng)性良好和施工方便等優(yōu)勢，占據(jù)海上風電基礎(chǔ)形式的主導地位。因此，研究大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在渤海海冰環(huán)境下的抗冰性能，對于渤海海上風電建設(shè)具有積極作用。本研究以大連莊河臨近的渤海海域為例，研究大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在總靜冰力和動冰力作用下的抗冰性能。

1 海冰物理力學參數(shù)

在有實測條件的情況下，海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的海冰物理力學參數(shù)應(yīng)由實測結(jié)果確定。對于無實測條件的區(qū)域或處于前期階段的項目，海冰參數(shù)的確定可參考我國企業(yè)標準《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》和國際廣泛應(yīng)用的I S O1 9 9 0 6。其中，《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》是我國科研工作者對渤海及黃海北部海域長期觀測和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，而I S O1 9 9 0 6是多國聯(lián)合研究的極區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)工程設(shè)計標準。與I S O1 9 9 0 6相比，根據(jù)《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》確定的海冰參數(shù)更符合渤海的實際情況[ 1]。

根據(jù)《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》，莊河海域?qū)儆? 8冰區(qū)，平均總冰期為8 0d，最長有效冰期為2 2d； 5 0年一遇的最大單層冰厚為3 3 . 2m， 5 0年一遇的平均單層冰厚為2 0 . 4m，統(tǒng)計單層冰厚度的平均值為1 3c m、最大值為3 5c m；海冰壓縮強度為2 . 1 5M P a；平均冰速為0 . 3m/s，最大冰速為0 . 7m/s。

2 總靜冰力作用

根據(jù)國內(nèi)外觀測研究結(jié)果，冰在與直立結(jié)構(gòu)的作用中可能產(chǎn)生擠壓、壓屈、剪切和彎曲等破壞形式。對于單樁結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮擠壓破壞產(chǎn)生的總靜冰力。

根據(jù)《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》，作用在垂直和接近垂直的孤立柱上的水平冰力F= m I f cσc D h；該公式引入形狀、嵌入和接觸系數(shù)，適用范圍為直徑不大于2 . 5m的樁；而對于直徑為2 . 5～1 0 m的樁，規(guī)范建議I f c的取值為0 . 4。I S O1 9 9 0 6提供的直立樁前的擠壓冰力FG = PGw h，其中PG = CR（ h/ h1）n（ w/ h）m，經(jīng)驗參數(shù)m的推薦值為-0 . 1 6。有學者認為，考慮到大直徑單樁比普通單樁具有更高的徑厚比，冰排的非同時破壞效應(yīng)相對顯著，結(jié)構(gòu)前會發(fā)生局部的壓屈破壞；因此，與適用范圍較小的《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》公式相比， I S O1 9 9 0 6公式可反應(yīng)單樁徑厚比的影響，更適用于計算大直徑單樁結(jié)構(gòu)的冰荷載；同時根據(jù)模型試驗，建議將m值修正為-0 . 1 9，以更好地適應(yīng)我國渤海的冰情[ 2]。

本研究選取的3 . 0 MW海上風電機組采用的大直徑單樁樁徑為5 . 5～6 . 1 m、壁厚為6 5～ 7 5mm、樁長為7 1 m、入土深度為4 1 m、水深為2 1m，采用《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》公式、I S O 1 9 9 0 6公式和修正的I S O1 9 9 0 6公式，分別計算總靜冰力（表1）。

由表1可以看出， I S O1 9 9 0 6公式的總靜冰力計算值是《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》的2 . 7 4倍，可見公式的選取對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響很大。

分別采用《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》和修正的I S O 1 9 9 0 6公式計算得到的冰荷載，利用S A C S計算大直徑單樁的結(jié)果如表2所示。

采用《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》公式算得的較小冰荷載，大直徑單樁結(jié)構(gòu)的各項指標（結(jié)果1）均能滿足設(shè)計要求。而采用修正的I S O1 9 9 0 6公式算得的冰荷載，結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)泥面轉(zhuǎn)角超過允許值（結(jié)果2） ，不能滿足設(shè)計要求，須對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

經(jīng)試算，在樁長和入土深度不變的情況下，為使大直徑單樁結(jié)構(gòu)在修正的I S O1 9 9 0 6冰荷載計算值的作用下能滿足設(shè)計要求，單樁基礎(chǔ)樁徑須增大為5 . 5～6 . 6m，壁厚須增大為6 5～8 5mm，調(diào)整后的基礎(chǔ)S A C S分析結(jié)果如表2（結(jié)果3）所示。據(jù)估算，原基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的單樁基礎(chǔ)用鋼量為7 1 2 . 5t，調(diào)整后的單樁基礎(chǔ)用鋼量為7 8 6 . 0t，表明如采用不同的規(guī)范，基礎(chǔ)的材料費用可能相差約1 0%。

目前國內(nèi)針對大直徑單樁結(jié)構(gòu)冰荷載的研究還不多，《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》的冰荷載計算公式不能適應(yīng)大直徑單樁結(jié)構(gòu)，而國際規(guī)范也不能很好地適應(yīng)我國渤海的冰情。因此，為配合渤海地區(qū)海上風電的建設(shè)需求，相關(guān)研究迫在眉睫。

3 動冰力作用

海上風電大直徑單樁結(jié)構(gòu)具有高聳的特征，同時受上部大型動力設(shè)備的影響，對結(jié)構(gòu)振動具有很高的敏感度[ 3]。有研究表明，冰力的主頻率集中在0 . 2 7～0 . 8 4H z[ 4]，海上風電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)頻率須避開風機機組運行頻率， 3 . 0MW風機整體結(jié)構(gòu)的安全頻率范圍為0 . 2 3 2～0 . 3 6 2H z，與冰力主頻率有重合的部分，即動冰力有可能引起海上風電結(jié)構(gòu)的共振，影響結(jié)構(gòu)的安全和壽命[ 5]。

利用S A C S得到海上風電大直徑單樁結(jié)構(gòu)的固有振型（圖1） ，前6階的固有頻率如表3所示，可見結(jié)構(gòu)固有頻率處于安全頻率范圍。

根據(jù)1 8冰區(qū)的海冰參數(shù)，冰厚取1 0～3 5c m，間隔取5c m，冰速取0 . 1 ～ 0 . 7m/s，間隔取0 . 1m/s，共有3 5個工況組合[ 6]。當冰速為0 . 1m/s、冰厚大于2 0c m時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生持續(xù)振動。由于結(jié)構(gòu)所處海域5 0年一遇的平均單層冰厚為2 0 . 4m，平均冰速為0 . 3m/s，可以推得結(jié)構(gòu)發(fā)生持續(xù)振動的概率不大。

總結(jié)計算結(jié)果可知，對于大直徑單樁結(jié)構(gòu)，在同一冰速下，冰厚越大，冰振響應(yīng)越顯著；當冰速較低而冰厚較大時，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生持續(xù)振動而失穩(wěn)，即厚冰層的慢速運動對大直徑單樁結(jié)構(gòu)不利；隨著冰速的增加，冰速對冰振響應(yīng)的影響不顯著。

選取6個工況組合，結(jié)構(gòu)的前3階冰振響應(yīng)如表4所示。

由表4可以看出，在工況4的荷載作用下，最大基底剪力和最大傾覆力矩均比其他工況增大近1 0倍，冰振響應(yīng)劇烈。

按有效冰期為2 2d，計算結(jié)構(gòu)在各組合荷載作用下的疲勞壽命。在非持續(xù)振動的工況下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命遠大于設(shè)計使用年限，不是大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計的控制工況；在持續(xù)振動的工況下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大大減少，可降至1年以內(nèi)。

4 結(jié)語

本研究以大連莊河臨近的渤海海域為例，研究大直徑單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在總靜冰力作用和動冰力作用下的抗冰性能，主要得到2點結(jié)論。

（ 1）采用不同的規(guī)范推薦公式計算而得的總靜冰力差異較大，據(jù)此設(shè)計的大直徑單樁基礎(chǔ)材料費用可能相差約1 0%；針對我國渤海地區(qū)大直徑單樁結(jié)構(gòu)的靜冰力研究迫在眉睫。

（ 2）大直徑單樁結(jié)構(gòu)在動冰荷載的作用下，當冰速相同時，冰厚越大，冰振響應(yīng)越顯著；當冰速低而冰厚大時，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生持續(xù)振動；隨著冰速的增加，冰速對冰振響應(yīng)的影響不顯著。未引起結(jié)構(gòu)持續(xù)振動的動冰荷載對大直徑單樁結(jié)構(gòu)的影響很小，不是設(shè)計的控制荷載。

參考文獻

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