冰區(qū)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的抗冰性能分析

張大勇，王國軍，王帥飛，佟保林，岳前進(jìn)，羅成喜

（1.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221；2.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116023；3.中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410001）

0 引 言

風(fēng)能是一種可再生資源，且綠色環(huán)保，受到世界各國的大力發(fā)展。海上風(fēng)能資源相對于陸地風(fēng)能穩(wěn)定，儲量大，對周圍環(huán)境影響小[1]。目前，越來越多的國家開始建立海上風(fēng)電場，海上風(fēng)電已經(jīng)成為未來風(fēng)電發(fā)展的趨勢。

發(fā)電成本是制約風(fēng)電發(fā)展的一個關(guān)鍵因素，歐洲研究表明，海上風(fēng)電的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)投入占風(fēng)機(jī)總成本的20%，同時，隨著水深的增加風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的投入成本也會隨之增加，有時甚至能達(dá)到總成本的30%[2]。因此，風(fēng)電基礎(chǔ)的合理設(shè)計就顯得的更加重要。海上風(fēng)電基礎(chǔ)具有海洋工程結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、動力設(shè)備以及復(fù)雜地基環(huán)境的四種特性。目前，海上風(fēng)電開發(fā)主要集中在淺海海域，風(fēng)電基礎(chǔ)以固定式樁基為主?；诤Ｑ笫蛯?dǎo)管架平臺基礎(chǔ)設(shè)計，風(fēng)電基礎(chǔ)的形式主要為單立柱式單樁式和三樁基礎(chǔ)式。由于風(fēng)電基礎(chǔ)的整體高度一般在60 m以上，遠(yuǎn)高于石油平臺，因此風(fēng)電基礎(chǔ)相比導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)柔度更大。

近幾年，我國海上風(fēng)電場有了大規(guī)模的發(fā)展，包括渤海海域的多個風(fēng)電場建設(shè)。在結(jié)冰海域設(shè)計和建造的風(fēng)電基礎(chǔ)及升壓站結(jié)構(gòu)必須具備一定的抗冰性能，確保電場冬季安全運行。海上風(fēng)電基礎(chǔ)大多屬于典型的柔性直立結(jié)構(gòu)，目前，寒區(qū)柔性抗冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍處于靜力設(shè)計階段,即只考慮最大靜冰力或最大傾覆力矩，忽略了結(jié)構(gòu)在動冰荷載下的性能，即動力失效模式。渤海遼東灣導(dǎo)管架平臺的多年現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，海冰會引起柔性抗冰結(jié)構(gòu)明顯的動力放大，冰振響應(yīng)十分顯著，對結(jié)構(gòu)及上部設(shè)備造成一定的影響[3-4]。

目前，直立結(jié)構(gòu)極值冰力的計算方法多是基于早期的現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸得到的經(jīng)驗公式。有學(xué)者對一些靜冰力公式進(jìn)行了比較分析[5-6]。盡管針對極值擠壓靜冰力的研究已經(jīng)開展了數(shù)十年，一些研究成果也被設(shè)計規(guī)范所采納，但冰力計算方法仍然沒有得到統(tǒng)一的認(rèn)識，不同方法計算的冰力差別很大[7]。直立樁腿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動是冰與結(jié)構(gòu)相互作用的一種臨界狀態(tài)，Sodhi認(rèn)為平臺的穩(wěn)態(tài)振動是一種強迫振動，而Blenkarn，Maattanen認(rèn)為穩(wěn)態(tài)振動屬于自激振動。盡管強迫振動和自激振動觀點的爭論尚未達(dá)成統(tǒng)一，但近年來已經(jīng)有越來越多的學(xué)者傾向于自激振動的觀點。當(dāng)冰速加快時，擠壓破碎冰力隨機(jī)性加強，頻率鎖定現(xiàn)象消失。K?rn?對大量實測冰力數(shù)據(jù)進(jìn)行了譜分析，借鑒風(fēng)速譜分析結(jié)果，得到了海冰脆性擠壓破碎冰力譜[8]，盡管該模型已應(yīng)用到我國渤海新型柔性抗冰平臺的設(shè)計中，但其中的參數(shù)還有待進(jìn)一步完善。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范是以風(fēng)、波浪、地震等為主要的海洋環(huán)境控制荷載，其中相關(guān)的動力響應(yīng)研究比較完善[9]?？贡O(shè)計存在許多關(guān)鍵性問題尚未得到解決，如冰與該類結(jié)構(gòu)的相互作用、冰振引起結(jié)構(gòu)的失效模式等。渤海導(dǎo)管架平臺的樁腿直徑一般在1-2 m，而風(fēng)電基礎(chǔ)水面處的直徑一般在4-5 m。為了合理建設(shè)渤海海上風(fēng)電場，對目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)的抗冰性能分析是十分必要的。本文首先基于多年現(xiàn)場冰與結(jié)構(gòu)作用觀測及冰荷載的研究成果，明確了海冰與風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的作用形式。其次提出了柔性抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮的主要失效模式及評價方法。最后，以渤海某典型風(fēng)電基礎(chǔ)為例，對其抗冰性能進(jìn)行評價，進(jìn)一步明確風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在抗冰設(shè)計及安全保障中需要考慮的關(guān)鍵失效模式。本文的研究可為寒區(qū)風(fēng)電場的開發(fā)提供合理依據(jù)。

1 海冰與風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相互作用

1.1 寬窄結(jié)構(gòu)判定

海冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用時，會出現(xiàn)多種破壞形式，主要有劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等，其中擠壓破壞對結(jié)構(gòu)的影響最大。由于不同結(jié)構(gòu)尺寸前海冰的破壞和冰力存在顯著差異，為了明確冰荷載模型的適用范圍，可以通過定義寬窄結(jié)構(gòu)的方法。傳統(tǒng)方法從結(jié)構(gòu)尺寸定義寬窄結(jié)構(gòu)，但相同的結(jié)構(gòu)尺寸，不同的海冰破壞行為也會導(dǎo)致冰力不同，需要進(jìn)一步明確寬窄結(jié)構(gòu)的判定。

海冰與圓柱腿結(jié)構(gòu)相互作用時，在不同的加載速率下表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為，較低應(yīng)變速率下是以塑性變形為主的韌性破壞，較高應(yīng)變速率下表現(xiàn)為斷裂為主的脆性破壞，而在從韌性到脆性的過渡階段存在一個轉(zhuǎn)變區(qū)。目前，我國渤海地區(qū)直立結(jié)構(gòu)上的靜冰力模型是基于API-RP-2N規(guī)范[10]，并通過渤海多個平臺的多年監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到的。從渤海平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，海冰與結(jié)構(gòu)相互作用時海冰存在同時破壞現(xiàn)象[11]，即各局部冰力具有明顯的周期性，且加載和卸載過程保持同步，產(chǎn)生的總冰力也呈現(xiàn)明顯的周期性變化，并且冰力極值較高（如圖1所示）。渤海導(dǎo)管架平臺的實測冰力數(shù)據(jù)表明，當(dāng)平整冰以較慢的冰速擠壓作用在圓柱腿結(jié)構(gòu)上時，同時破壞現(xiàn)象會更為顯著。圖2是實測的擠壓靜冰力作用時局部冰力隨時間變化的同步曲線，可以看到代表局部冰力的3條曲線同時加載、同時卸載，表現(xiàn)出很明顯的同時破壞特征?？梢姡捅傧卤迮c直立結(jié)構(gòu)之間的“全接觸”是發(fā)生同時破壞的必要條件。

圖2 局部冰力的同步導(dǎo)致總冰力上升Fig.2 Synchronization of local ice forces lead to total ice force increase

海冰在結(jié)構(gòu)前發(fā)生脆性破壞，破碎冰能夠及時清除，后續(xù)冰板能夠再次作用在結(jié)構(gòu)上，發(fā)生新的破碎過程，則結(jié)構(gòu)前海冰可能發(fā)生同時破碎。海冰的破碎過程主要是由破碎冰的尺寸、數(shù)量和結(jié)構(gòu)水線尺寸決定的。從實際觀測發(fā)現(xiàn)，對于較窄的結(jié)構(gòu)破碎冰能在短時完全清除，對于較大尺寸的結(jié)構(gòu)，破碎冰清除受阻，常會在結(jié)構(gòu)前發(fā)生冰堆積現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生冰堆積時，會直接影響冰與結(jié)構(gòu)的作用過程，結(jié)構(gòu)前的冰破碎模式將發(fā)生變化，同時冰板作用在堆積冰上，荷載通過堆積冰傳向結(jié)構(gòu)，由于堆積冰比較松散，整體強度將顯著降低，傳遞過程中能量顯著耗散，將不存在作用在直立結(jié)構(gòu)上的同時破壞現(xiàn)象，冰荷載模型也將發(fā)生改變，圖3為海工結(jié)構(gòu)前的冰堆積形成過程示意圖。

圖3 海工結(jié)構(gòu)前冰堆積形成過程示意圖Fig.3 Developing process of front ice jams

基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，交變冰力在時間周期內(nèi)經(jīng)歷加載（海冰破碎）過程、卸載（破碎冰清除）過程。當(dāng)完整冰板與結(jié)構(gòu)直接作用發(fā)生周期性破壞時才可能產(chǎn)生動冰力，破碎冰不會在結(jié)構(gòu)前發(fā)生堆積，不影響海冰與結(jié)構(gòu)的直接作用，此時海冰破碎與破碎冰清除的相似性形成周期過程，即結(jié)構(gòu)的加載、卸載周期過程，從而形成交變冰力。若破碎海冰在結(jié)構(gòu)前能夠在短時間內(nèi)清除,不影響海冰在結(jié)構(gòu)前的破壞模式和破壞過程，則會發(fā)生海冰的持續(xù)破壞和交變冰力，引發(fā)顯著的結(jié)構(gòu)冰激振動，如圖4所示；若破碎海冰不能在結(jié)構(gòu)前清除，是形成持久的堆積，后續(xù)完整的運動冰板不能夠直接作用在結(jié)構(gòu)上，取而代之的是冰作用在堆積冰上，通過堆積冰向結(jié)構(gòu)傳遞荷載。此時，結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)并不顯著（如圖5），則不會發(fā)生海冰破壞所引起的交變冰力。

圖4 未發(fā)生冰堆積時結(jié)構(gòu)的冰激振動Fig.4 Significant ice induced vibration without ice accumulation

圖5 冰堆積時結(jié)構(gòu)的冰激振動Fig.5 Ice induced vibration with ice accumulation

基于以上分析，提出直立腿寬窄結(jié)構(gòu)的判定：

（1）窄結(jié)構(gòu)是指破碎冰能夠及時從結(jié)構(gòu)兩側(cè)清除，不產(chǎn)生堆積，后續(xù)冰能夠直接作用在結(jié)構(gòu)上。低冰速下存在海冰擠壓同時破碎的可能性，快冰速下將產(chǎn)生顯著的交變冰力。

（2）寬結(jié)構(gòu)指破碎冰不能夠及時地從結(jié)構(gòu)兩側(cè)清除，在結(jié)構(gòu)前發(fā)生冰堆積現(xiàn)象，形成永久堆積冰。低冰速下海冰發(fā)生擠壓非同時破壞，可以采用低值冰力公式；快冰速下不易產(chǎn)生明顯的冰激振動。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測以及寬窄結(jié)構(gòu)的判定方法，發(fā)現(xiàn)對于某些尺寸足夠?qū)挻蟮慕Y(jié)構(gòu)，冰堆積現(xiàn)象常常發(fā)生，對于結(jié)構(gòu)尺寸居中的，存在冰堆積現(xiàn)象和冰清除現(xiàn)象。尺寸較小的結(jié)構(gòu)，薄冰情況下會產(chǎn)生較小的破碎尺寸，破碎冰在清除前會保留一段時間，形成“堆積”。尺度較大的結(jié)構(gòu)，在厚冰下，斷裂冰板很大，破碎冰也能夠在短時間內(nèi)清除，而不會對后續(xù)冰與結(jié)構(gòu)的作用產(chǎn)生任何影響，如Confederation大橋橋墩發(fā)生的顯著冰激振動。

可見，對于海冰與風(fēng)電基礎(chǔ)相互作用，在厚冰（10 cm以上）下表現(xiàn)出窄結(jié)構(gòu)的海冰擠壓破壞行為，慢冰速時海冰會發(fā)生擠壓同時破壞，快冰速下海冰的破碎會及時清除，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著的冰激振動現(xiàn)象。

1.2 風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的動力特性分析

本文結(jié)合數(shù)值模擬和海冰與窄體結(jié)構(gòu)相互作用的現(xiàn)場監(jiān)測，選取渤海某擬建的風(fēng)電基礎(chǔ)和導(dǎo)管架式平臺（具體參數(shù)如表1所示），兩者均是單立柱三樁形式。通過對比分析，明確風(fēng)電基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)動力特性。風(fēng)電基礎(chǔ)以及塔筒部分采用shell181單元，建模中對頂部風(fēng)電機(jī)組采用Mass21質(zhì)量單元模擬，樁基部分采用6倍樁徑方法簡化處理，如圖6所示?；跀?shù)值模擬，風(fēng)電基礎(chǔ)的前四階固有頻率及振型圖如表2所示。

圖6 風(fēng)電基礎(chǔ)與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)簡化有限元模型Fig.6 Simplified finite element model of wind turbine foundation and jacket structure

表1 獨腿導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Single-legged jacket platform structure parameters

表2 風(fēng)電基礎(chǔ)的前4階頻率及振型Tab.2 Four natural frequencies and mode shapes of wind turbine foundation

分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基頻為0.34 Hz，獨腿導(dǎo)管架平臺的基頻為0.94 Hz，結(jié)構(gòu)的前三階均是X方向振動、Y方向振動、Z方向扭轉(zhuǎn)。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的柔度相比導(dǎo)管架平臺更大。Kamesaki等[12]指出擠壓冰力隨著結(jié)構(gòu)剛度的下降而增加，這說明柔性結(jié)構(gòu)上更容易發(fā)生海冰擠壓同時破碎。準(zhǔn)靜態(tài)過程中，柔性結(jié)構(gòu)的最大位移較大，在冰力突然卸載后結(jié)構(gòu)回擺過程中結(jié)構(gòu)與冰板的相對速度也較大，使得破碎冰塊可以被擠出。在穩(wěn)態(tài)振動過程中，柔性結(jié)構(gòu)的振幅及回擺速度很大，使得破碎冰塊得以清除，結(jié)構(gòu)與冰板的“全接觸”得以發(fā)生。另外，基于現(xiàn)場海冰監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，冰與柔性抗冰結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎的能量譜頻率多數(shù)集中在0-1 Hz之間，如圖7所示。這樣，柔性結(jié)構(gòu)固有周期與冰力周期十分接近，不可避免地存在冰激共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)明顯。

1.3 風(fēng)電基礎(chǔ)的冰荷載模型

由于風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直徑大于典型的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)（窄結(jié)構(gòu)），但明顯小于重力式結(jié)構(gòu)（寬結(jié)構(gòu)）。以上分析發(fā)現(xiàn)，冰厚較大時，破碎冰塊可以及時被清除，結(jié)構(gòu)與冰板會發(fā)生“全接觸”情況，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為柔性窄結(jié)構(gòu)的冰振特性：

（1）冰速很慢時，海冰會發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)（間歇）擠壓破碎，結(jié)構(gòu)發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)振動；

（2）冰速緩慢增加，冰的破碎過程會與結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生耦合，此時產(chǎn)生頻率鎖定的自激冰力，結(jié)構(gòu)發(fā)生簡諧形式的穩(wěn)態(tài)自激振動；

（3）冰速較快時，冰板會發(fā)生脆性擠壓破碎，結(jié)構(gòu)響應(yīng)變?yōu)殡S機(jī)激勵下的受迫隨機(jī)振動。

1.3.1 極值靜冰力模型

采用API RP-2N規(guī)范要求，極值靜冰力公式可以表示為：

其中：α是折減系數(shù)，選取0.3-0.7（規(guī)范要求，屬于非同時破壞的低值冰力），基于現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，對于同時破壞，該系數(shù)應(yīng)明顯高于規(guī)范要求，建議取1.0；σc是海冰單軸壓縮強度，h是冰厚。

圖7 冰與直立結(jié)構(gòu)作用的冰力能量譜Fig.7 The power spectrum of ice load

1.3.2 穩(wěn)態(tài)冰力模型

當(dāng)冰速不是很快時（一般為幾厘米到十幾厘米每秒），結(jié)構(gòu)有可能在冰的作用下發(fā)生強烈的穩(wěn)態(tài)振動。通過對冰激穩(wěn)態(tài)振動發(fā)生時，結(jié)構(gòu)交變位移和交變冰力的同步時程曲線分析發(fā)現(xiàn)冰力是一個周期性過程，它的變化頻率被“鎖定”在結(jié)構(gòu)的振動頻率上。

圖8 冰激穩(wěn)態(tài)振動時冰力和結(jié)構(gòu)振動位移的耦合時程曲線Fig.8 The ice force and structural vibration displacement under ice induced steady state vibration

圖9 穩(wěn)態(tài)冰力模型Fig.9 The model of steady state ice force

對冰激穩(wěn)態(tài)振動的實測響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析也證明了這一結(jié)論，振動能量集中在結(jié)構(gòu)的一階固有頻率上。為了初步計算冰致自激振動的幅值大小和周期，K?rn?[13]根據(jù)渤海實測的自激振動冰力時程，給出了三角波時域函數(shù)，表征產(chǎn)生自激振動的冰力隨時間的變化特征，如圖9所示，圖中：Fmax是冰力最大值，可保守取為極值靜冰力；ΔF=qFmax，q=0.1～0.5；Fmean為冰力平均值，可通過Fmax-ΔF/2計算；T為冰力周期，計算中可近似取為結(jié)構(gòu)固有周期；α是加載階段系數(shù)，通常選取0.6-0.9。

1.3.3 隨機(jī)冰力模型

當(dāng)冰速很快時，冰板在結(jié)構(gòu)上發(fā)生連續(xù)不規(guī)則的脆性擠壓破碎，由于接觸面上冰的碎塊大小不一，且壓力分布不均，由此形成的合力為不規(guī)則的隨機(jī)變化，同時引起結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動。圖10是基于實測的隨機(jī)擠壓冰力和結(jié)構(gòu)振動的時程曲線。

K?rn?和Qu[8]根據(jù)渤海和波斯尼亞灣燈塔上測得的大量樣本的隨機(jī)冰荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析建立了隨機(jī)冰力譜：

圖10 隨機(jī)動冰力和結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動時程Fig.10 The random ice force and structural vibration

2 海冰作用下柔性結(jié)構(gòu)的失效模式

結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)該從兩方面考慮：一是在極值靜荷載下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不可忽略的變形；二是在動荷載作用下，結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)明顯?？梢?，風(fēng)電基礎(chǔ)與導(dǎo)管架平臺等類似結(jié)構(gòu)在海冰作用下屬于第二種類型。本文對冰荷載作用下柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式及評價方法做以下分析。

2.1 極端荷載下結(jié)構(gòu)的失效

目前的海工結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計中，一般考慮地震、波浪、海流、風(fēng)和海冰作用，并轉(zhuǎn)化為等效靜力作用來考慮。主要通過強度要求、剛度要求，來評估結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在各種載荷組合作用下是否安全。強度要求就是指構(gòu)件在設(shè)計載荷作用下的設(shè)計應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于許用應(yīng)力，即σ＜[σ]；剛度要求是指結(jié)構(gòu)的最大變形應(yīng)當(dāng)小于規(guī)范建議的容許值，即λ＜[λ]。對于抗冰結(jié)構(gòu)，就是在極端靜冰力的作用下保證結(jié)構(gòu)的強度、剛度要求。在API RP-2A或ISO/DIS 19902標(biāo)準(zhǔn)中，極限強度分析采用儲備強度比作為評價指標(biāo)[14-15]。海洋結(jié)構(gòu)體系的儲備強度系數(shù)可按下式計算:

其中：Fd和Fu分別是平臺結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載下和極限荷載下的基底橫向力或傾覆力。文獻(xiàn)[16]指出，當(dāng)結(jié)構(gòu)安裝水深大于30 m時，宜用結(jié)構(gòu)的傾覆力矩定義結(jié)構(gòu)的儲備強度系數(shù)；而當(dāng)安裝水深小于30 m時，用結(jié)構(gòu)基底橫向力定義強度儲備系數(shù)更為合適。

2.2 動冰荷載下結(jié)構(gòu)的疲勞失效

多年的現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，渤海遼東灣的柔性抗冰結(jié)構(gòu)在動冰荷載的作用下存在明顯的動力放大效應(yīng)，從定性上看有必要進(jìn)行動力分析。為了更好地說明柔性抗冰結(jié)構(gòu)存在冰激疲勞失效，還必須證明在常規(guī)冰情下冰荷載引起的結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力超過了材料的疲勞極限應(yīng)力，即從定量上進(jìn)一步說明這個問題。

風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的冰激疲勞損傷是由于熱點應(yīng)力反復(fù)作用引起的，利用有限元數(shù)值模擬，對結(jié)構(gòu)的熱點疲勞應(yīng)力進(jìn)行分析，合理地考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)。另外，根據(jù)API規(guī)范提供的S-N曲線，當(dāng)無限壽命取N=108次時，疲勞極限應(yīng)力為41 MPa。在常規(guī)冰情下，若冰激振動造成的熱點動應(yīng)力大于疲勞極限應(yīng)力則說明冰振可能存在結(jié)構(gòu)的疲勞失效，需要進(jìn)行詳細(xì)的冰振疲勞分析，即冰振下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估計。與波浪環(huán)境下海洋結(jié)構(gòu)相比，冰區(qū)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析的主要區(qū)別在于疲勞冰荷載與冰疲勞環(huán)境參數(shù)，這也是風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)冰激疲勞分析的兩個瓶頸問題。冰振結(jié)構(gòu)疲勞失效評估流程如圖11所示。

圖11 冰振柔性抗冰結(jié)構(gòu)疲勞失效評估流程Fig.11 The fatigue failure assessment process of the flexible ice-resist structures

2.3 冰振響應(yīng)引起的失效

監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，海冰與平臺作用時，可以激起平臺較大的加速度響應(yīng)。特別是對生產(chǎn)天然氣的平臺，上部布置錯綜復(fù)雜的天然氣管線，這些管線在長期的冰振作用下，可能導(dǎo)致平臺上部天然氣管線斷裂與法蘭松動的事故隱患。同樣，冰激風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會引起上部電機(jī)及附屬設(shè)備的振動。依據(jù)電機(jī)的振動標(biāo)準(zhǔn)，振動位移、速度的均方根值是評價指標(biāo)。

風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在冰激作用下的振動方向主要以水平為主，并且振動響應(yīng)主要集中在結(jié)構(gòu)的基頻。由于結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)是隨機(jī)的，對于離散的監(jiān)測數(shù)據(jù)，等效振動響應(yīng)的均方根采用下式計算：

其中：ai表示 ti時間內(nèi)測得的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度等均方根值，mm，mm/s，mm/s2；ti是序號為 i對應(yīng)的時間，s。

一般來講，影響冰力大小的主要因素有冰厚、冰速和冰破碎強度。在相同的海域，冰破碎強度變化不大，因此這里只選擇冰速和冰厚來描述冰況。由于冰速和冰厚的分布是不相關(guān)的隨機(jī)過程，即某一特定冰厚下，各種冰速都可能出現(xiàn)，因此可以按照冰速和冰厚的組合來描述冰況。對于每一種冰況，計算相應(yīng)的冰荷載譜，將冰荷載譜輸入到結(jié)構(gòu)模型中，在頻域內(nèi)進(jìn)行動力分析，就可以求得結(jié)構(gòu)在這種冰況下的振動響應(yīng)統(tǒng)計值。重復(fù)上述步驟，就可以得到所有冰況下平臺的振動統(tǒng)計值。

2.4 冰激振動對基礎(chǔ)的影響

在不排水的條件下，飽和無粘性土或稍具有粘性的土，由于振動載荷（主要是地震）的連續(xù)作用，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，并逐步發(fā)展。當(dāng)超靜孔隙水壓力（簡稱孔壓）等于上覆土壓力時，土顆粒將懸浮于土孔隙水中，呈現(xiàn)出類似于稀砂漿或稀泥漿的狀態(tài)。土的這種因孔壓上升，粒間有效應(yīng)力下降，導(dǎo)致固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)從而失去強度，喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象，稱為“液化”。液化是一種特殊的動強度問題，大多發(fā)生在疏松的飽和粉砂、細(xì)砂中，發(fā)生條件是大應(yīng)變幅。在海冰與平臺相互作用時樁腿會發(fā)生冰激振動現(xiàn)象，對樁腿相連接的基礎(chǔ)將產(chǎn)生一定的影響。上世紀(jì)八十年代波福海的Molikpaq沉箱的地基在冰振作用下產(chǎn)生了液化[17]。對于淺基礎(chǔ)（一般在8-10 m以下），強烈的冰激振動可能對基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的危害。冰激振動引起基礎(chǔ)的振動響應(yīng)屬于周期性的動載荷，基礎(chǔ)的振動對其周圍的土體產(chǎn)生動應(yīng)變效應(yīng)。

2.5 冰荷載作用下風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的失效模式及判別指標(biāo)

基于以上分析，柔性抗冰結(jié)構(gòu)的主要失效模式歸結(jié)為以下幾種：

（1）結(jié)構(gòu)安全失效模式。包括極值靜冰力作用下結(jié)構(gòu)最大變形或強度超過極限值而引起結(jié)構(gòu)破壞；動冰荷載作用下結(jié)構(gòu)的疲勞破壞及樁基破壞。

（2）上部設(shè)備失效模式。結(jié)構(gòu)在動冰力作用下，電機(jī)及附屬設(shè)備的強烈持續(xù)振動而影響其正常使用性能。

上述各種失效模式及判別指標(biāo)匯總于表3。

表3 海冰作用下風(fēng)電基礎(chǔ)各種失效模式的判別指標(biāo)Tab.3 Discrimination index of ice-resistant platform failure modes

3 實例—渤海某風(fēng)電基礎(chǔ)抗冰性能評價

基于本文提出的柔性抗冰結(jié)構(gòu)失效模式及相應(yīng)評價方法，對渤海某風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冰荷載下的抗冰性能評價，進(jìn)而明確該結(jié)構(gòu)在抗冰的概念設(shè)計中應(yīng)關(guān)注的主要失效模式。該風(fēng)電基礎(chǔ)為單立柱三樁式結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)頂部質(zhì)量140 t，塔筒高度80 m，設(shè)計水深20 m左右，設(shè)計風(fēng)速為25 m/s（50年一遇），設(shè)計波高為3.99 m，周期為6.7s（50年一遇），設(shè)計冰厚為38 cm（50年一遇）。風(fēng)機(jī)樁腿直徑是2.5 m，樁腿長度為73 m。

3.1 極值靜冰力下結(jié)構(gòu)失效分析

為了合理的考慮到極值荷載對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，本文利用combin39彈簧單元采用p-y曲線模擬樁土相互作用，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的有限元模型如圖12所示。

圖12 三樁風(fēng)電基礎(chǔ)樁土P-Y曲線有限元模型Fig.12 The finite element model of three wind turbine foundations with P-Y

圖13 風(fēng)電基礎(chǔ)冰為主要荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.13 Structure stress nephogram considering sea ice loading

圖14 風(fēng)電基礎(chǔ)冰為主要荷載下結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.14 Structure displacement nephogram considering sea ice loading

圖15 無冰情況下風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.15 Structure stress nephogram with no ice action

圖16 無冰情況風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.16 Structure displacement nephogram with no ice action

表4 極端工況下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的最大應(yīng)力與變形Tab.4 The maximum stress and deformation under the extreme condition

選取極端（50年一遇）環(huán)境荷載，其中海冰壓縮強度為1.99 MPa?？紤]結(jié)構(gòu)的重要系數(shù)為1.1，分析以海冰為主要荷載時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，取風(fēng)荷載安全系數(shù)為1.05，冰荷載安全系數(shù)為1.5。

圖13-16分別為有冰和無冰極端條件下風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形云圖，對比發(fā)現(xiàn)：極端冰荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠(yuǎn)大于未考慮冰荷載的情況，并且考慮極端靜冰荷載時結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力更接近安全值。因此，極值靜冰荷載是風(fēng)電基礎(chǔ)抗冰性能分析中必須考慮的問題之一。

3.2 動冰力下風(fēng)電基礎(chǔ)的疲勞失效

對于動冰荷載下風(fēng)電基礎(chǔ)的疲勞失效，本文首先分析結(jié)構(gòu)在常規(guī)冰況下熱點應(yīng)力，包括冰厚為24 cm時結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動；冰厚為18 cm，冰速為30 cm/s時，結(jié)構(gòu)發(fā)生隨機(jī)振動。通過計算分析，結(jié)構(gòu)的熱點位于斜撐與樁腿連接處，如圖17所示。穩(wěn)態(tài)振動下，結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力循環(huán)值在38 MPa左右，隨機(jī)振動情況下結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差在16 MPa左右，根據(jù)API規(guī)范提供的S-N曲線，當(dāng)無限壽命取N=108次時，疲勞極限應(yīng)力為41 MPa。

圖17 冰激振動下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的熱點位置Fig.17 The hot spot location under ice induced vibration

結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)振動下可能會使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞；而隨機(jī)振動下，結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力很小，不會造成熱點疲勞失效。由于穩(wěn)態(tài)振動的發(fā)生頻率較低，且持續(xù)時間很短，冰激風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動是否會引起結(jié)構(gòu)的疲勞失效，還需要進(jìn)行詳細(xì)的疲勞壽命估計。

3.3 動冰力下風(fēng)電基礎(chǔ)的振動失效

本文選取冰厚為38 cm時結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動的極端冰況，采用簡化的三角波穩(wěn)態(tài)冰力函數(shù)，將其施加在風(fēng)電基礎(chǔ)水面處，利用瞬態(tài)分析方法，得到整體結(jié)構(gòu)的冰振加速度、位移等時程曲線，如圖18，19所示。結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)頂部振動加速達(dá)到90 cm/s2，位移達(dá)到25 cm，如此強烈的冰激振動可能影響風(fēng)電基礎(chǔ)上部電機(jī)及附屬設(shè)備的正常運行，需要針對具體電機(jī)及設(shè)備，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)校核。

圖18 穩(wěn)態(tài)振動下風(fēng)機(jī)輪轂處的加速度響應(yīng)曲線Fig.18 The acceleration response curve of hub under ice-induced vibration

圖19 穩(wěn)態(tài)振動下風(fēng)機(jī)輪轂處的位移響應(yīng)曲線Fig.19 The displacement response curve of hub under ice-induced vibration

3.4 冰激振動對基礎(chǔ)的影響

本文采用combin39單元模擬土壤，泥面以下的樁腿每隔0.5 m建立X、Y、Z三個方向的彈簧，利用p-y曲線法模擬樁—土作用，模型中各層的土壤參數(shù)如表5所示。選取的冰況是：冰厚=38 cm時，結(jié)構(gòu)發(fā)生強烈的穩(wěn)態(tài)振動。由于冰振主要引起結(jié)構(gòu)水平方向的振動，基于ANSYS瞬態(tài)分析，得到不同深度下土體的變形，如表6所示。結(jié)果表明，泥面以下7 m內(nèi)土壤的變形幅值為1.4 mm左右（圖20所示），在10 m到20 m土壤的變形幅值為0.1 mm左右（圖21所示），而在40 m以下土壤變形交變值為10-3mm以下，幾乎不會引起土壤變化。由于風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)屬于深樁基礎(chǔ)，樁基深度為60 m，冰激振動不會引起土壤的承載力不足而造成結(jié)構(gòu)整體失效。

圖20 泥面以下7 m處土壤的動位移曲線Fig.20 The displacement curve of soil(depth=7 m)

圖21 泥面以下10 m處土壤的動位移曲線Fig.21 The displacement curve of soil(depth=10 m)

表5 土壤材料參數(shù)Tab.5 Soil parameters

4 結(jié) 語

風(fēng)電基礎(chǔ)屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)電場在冰區(qū)還沒有大規(guī)模建設(shè)，該類結(jié)構(gòu)目前的設(shè)計是否滿足抗冰性能要求，動冰荷載是否對結(jié)構(gòu)造成影響還沒有得到充分的認(rèn)識。

本文基于多年的渤海海冰現(xiàn)場監(jiān)測，首先明確海冰與風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用形式，提出在厚冰下表現(xiàn)出窄結(jié)構(gòu)的海冰擠壓破壞行為：慢冰速時海冰會發(fā)生擠壓同時破

壞，快冰速下海冰的破碎會及時清除，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著的冰激振動現(xiàn)象。其次，選取渤海某擬建的風(fēng)電基礎(chǔ)，利用數(shù)值模擬，明確其結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的整體剛度及固有頻率遠(yuǎn)低于渤海典型的導(dǎo)管架平臺，存在明顯的動力放大現(xiàn)象。基于現(xiàn)場冰與抗冰平臺相互作用的觀測以及冰荷載的研究成果，明確了風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的冰荷載模型，并提出冰荷載作用下柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式及判別指標(biāo)及評價方法。最后，以渤海某擬建風(fēng)電基礎(chǔ)為例，對其抗冰性能進(jìn)行評價。結(jié)果表明，目前風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計雖然能滿足極值靜冰荷載要求，但是極值靜冰荷載時結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及變形要遠(yuǎn)大于未考慮冰荷載時；風(fēng)電基礎(chǔ)的冰振響應(yīng)顯著，對電機(jī)及配套設(shè)備會造成較大影響；穩(wěn)態(tài)振動下基礎(chǔ)的熱點應(yīng)力較大，該冰況下可能會引發(fā)疲勞失效；冰激振動下基礎(chǔ)周圍土體變形較小，不會發(fā)生土壤失效。本文的研究可為寒區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)的抗冰設(shè)計及安全保障提供合理依據(jù)。

表6 土層不同深度處的土壤位移幅值Tab.6 The displacement amplitude at different depths of soil layer

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