三維有限元法在冰區(qū)海上風(fēng)電抗冰結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用研究

趙業(yè)彬 褚洪民 張發(fā)

摘 要：依托渤海冰區(qū)某擬建海上風(fēng)電場(chǎng)，采用三維有限元法從靜冰力角度計(jì)算分析了有、無(wú)加裝抗冰錐結(jié)構(gòu)工況下樁基的應(yīng)力變形規(guī)律。結(jié)果表明，海上風(fēng)機(jī)抗冰樁基的最大等效應(yīng)力和極值靜位移較普通樁基均大幅降低，證明了三維有限元法在冰區(qū)海上風(fēng)電工程應(yīng)用中的可行性。

關(guān)鍵詞：冰區(qū)海域;海上風(fēng)電;抗冰結(jié)構(gòu);三維有限元法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.120

在國(guó)家積極開(kāi)發(fā)和利用可再生能源的戰(zhàn)略背景下，渤海近海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)勢(shì)在必行。然而，渤海海域每年冬季都會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，歷史上曾發(fā)生過(guò)多起海上平臺(tái)被海冰推倒的重大事故[1]。因此，如何保障冰區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)在海冰作用下的安全運(yùn)行成為該海域海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文依托渤海冰區(qū)某擬建海上風(fēng)電場(chǎng)，在借鑒渤海海上油氣平臺(tái)抗冰經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[2-4]，采用三維有限元法研究在冰區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)超大直徑樁基加裝抗冰錐結(jié)構(gòu)以減小海冰作用的可行性。

1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

本文主要從靜冰力角度考察在海上風(fēng)機(jī)超大直徑樁基加裝抗冰結(jié)構(gòu)的可行性。結(jié)合研究重點(diǎn)，建立了如圖1所示的風(fēng)機(jī)抗冰樁基-地基三維計(jì)算模型。計(jì)算模型以海平面處樁基圓心為原點(diǎn)，以海床泥面處為地基表面，泥面高程-15m，地基采用三維實(shí)體單元模擬，計(jì)算范圍取60m×60m×70m（長(zhǎng)×寬×高）。樁基和抗冰錐結(jié)構(gòu)則采用殼單元模擬，其中，樁基長(zhǎng)70m，樁徑6.0m，壁厚70mm，入土深度45m;錐殼板由厚度為22mm的鋼板焊制而成，中心點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高位于平均海平面處，錐角為60°，高程-3.0m～3.0m，最大錐徑9.46m。計(jì)算模型共離散為72216個(gè)節(jié)點(diǎn)，70117個(gè)單元。

計(jì)算中，地基側(cè)面約束其水平向位移，底部為全約束。樁基和地基均采用線彈性本構(gòu)模型，其中，地基土飽和容重為20kN/m3，彈性模量為30MPa，泊松比為0.28;鋼材密度為7850kg/m3，彈性模量為210MPa，泊松比為0.30。樁基與地基之間接觸采用庫(kù)倫摩擦模型，界面摩擦系數(shù)取0.5。海冰厚度取五十年一遇工況，冰厚達(dá)34cm，其壓縮強(qiáng)度為2.27MPa，彎曲強(qiáng)度為588kPa。計(jì)算考慮風(fēng)電機(jī)組極限載荷作用于塔筒底端，見(jiàn)表1。受潮差影響，海冰作用在抗冰錐結(jié)構(gòu)上的位置會(huì)有所不同，選取設(shè)計(jì)高水位作為計(jì)算工況。

2 結(jié)果分析

計(jì)算工況下樁基的最大等效應(yīng)力和極值靜位移見(jiàn)表2，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等效應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖2和圖3所示。由表2可知，計(jì)算工況下抗冰樁基的最大等效應(yīng)力和極值靜位移均小于普通樁基，其中，抗冰樁基的最大等效應(yīng)力為50.91MPa，較普通樁基減幅約為26.92%;抗冰樁基的極值靜位35.03mm較普通樁基48.78mm減幅達(dá)28.19%。

通過(guò)對(duì)有、無(wú)加裝抗冰錐結(jié)構(gòu)工況下樁基的等效應(yīng)力、靜位移進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)加裝抗冰錐結(jié)構(gòu)可有效減小海冰對(duì)樁基的作用，抗樁基礎(chǔ)靜力抗冰性能良好，說(shuō)明在冰區(qū)海域超大直徑樁基加裝抗冰結(jié)構(gòu)是合理有效的。

3 結(jié)論

針對(duì)冰區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)所面臨的海冰問(wèn)題，建立了以海上風(fēng)機(jī)超大直徑樁基、抗冰錐結(jié)構(gòu)和地基的三維計(jì)算模型，采用三維有限元法從靜冰力角度對(duì)計(jì)算工況下樁基的應(yīng)力變形作對(duì)比分析。結(jié)果表明，采用三維有限元法可較為直觀地揭示冰區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的應(yīng)力狀態(tài)和變形特征，抗冰樁基的應(yīng)力、變形較原普通樁基均大幅降低，證明了在海上風(fēng)機(jī)超大直徑樁基上加裝抗冰錐結(jié)構(gòu)有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]時(shí)忠民，屈衍.渤海新型抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)研究[J].中國(guó)海上油氣，2008，20（05）：336-341.

[2]楊國(guó)金，劉春厚，陳祥余，盧敏.正倒錐組合體現(xiàn)場(chǎng)破冰試驗(yàn)與分析[J].中國(guó)海上油氣（工程），1992，4（03）：33-37+4.

[3]岳前進(jìn)，畢祥軍，于曉，時(shí)忠民.錐體結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)與冰力函數(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36（02）：16-19+32.

[4]史慶增，彭忠.冰力作用下錐體的合理結(jié)構(gòu)形式及在柱體上設(shè)計(jì)錐體的合理性探討[J].中國(guó)海上油氣，2005，17（05）：56-60.

作者簡(jiǎn)介：趙業(yè)彬（1986-），男，山東新泰人，工學(xué)博士，研究方向：復(fù)雜水工及海工結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)，從事海上風(fēng)電等新能源領(lǐng)域的規(guī)劃咨詢、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。