海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)研究

劉聰斌

摘要：作為一種具有一定高度的柔性支撐結(jié)構(gòu)，海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)很容易受到海冰的負(fù)面影響，進而威脅到風(fēng)機的安全運行?；诖?，必須研究一種具有抗冰能力的單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。本文借鑒我國渤海和黃海海域海上石油鉆井平臺抗冰裝置的設(shè)計，結(jié)合以往項目的成功經(jīng)驗對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)進行探討及研究，希望可以為海上風(fēng)電工程項目建設(shè)提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；單樁基礎(chǔ)；冰荷載；抗冰錐結(jié)構(gòu)

近幾年來，我國海上風(fēng)電發(fā)展十分迅猛，天津、河北、遼寧、山東等省相繼開工建設(shè)多個風(fēng)電項目。在我國北方海域，臺風(fēng)等自然災(zāi)害對風(fēng)電機組的影響較小，但每年冬季長達3個月的冰期時間中，漂流在海中的浮冰會擠壓沖擊風(fēng)電單樁基礎(chǔ)，產(chǎn)生復(fù)雜敏感的動態(tài)響應(yīng)行為，影響到風(fēng)機的穩(wěn)定運行。基于此，為了有效的提升單樁基礎(chǔ)的使用效率及壽命，為其建構(gòu)一種能夠抵抗海冰作用的結(jié)構(gòu)型式就顯得尤為重要。

1抗冰原理分析

冰荷載是重冰海域海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計的控制荷載，在海上風(fēng)電工程項目設(shè)計建造的過程中，海冰對單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的擠壓沖擊，以及因此所引起的冰激震動，是一個需要重點考慮的問題。

1.1海冰的力學(xué)性質(zhì)

首先，海冰的壓縮強度。海冰在很多結(jié)構(gòu)物前的破壞都會表現(xiàn)為擠壓破壞，尤其是對于直立的抗冰結(jié)構(gòu)，壓縮強度是海冰的重要物理性質(zhì)，近些年來針對海冰和結(jié)構(gòu)物相互作用的研究大部分都是從該力學(xué)性質(zhì)入手。結(jié)合大量的測量試驗結(jié)果來看，海冰壓縮強度的影響參數(shù)主要包括兩類，分別是海冰特性和測試條件，前者包括溫度、晶體類型、鹽度等，后者包括約束條件、加載方向、加載速率等。例如海冰的壓縮強度和鹽度呈負(fù)相關(guān)。

其次，海冰的拉伸強度。海冰所能承受的最大拉伸應(yīng)力即是其拉伸強度，這是一種反映海冰抗拉強度的力學(xué)參數(shù)，拉應(yīng)力是導(dǎo)致海冰出現(xiàn)裂紋的主要原因。海冰的拉伸強度和很多參數(shù)都存在緊密聯(lián)系，如局部冰荷載水平、大面積冰排運動等。

再次，海冰的彎曲強度。結(jié)合現(xiàn)有的測量分析數(shù)據(jù)來看，海冰的彎曲強度和加載速率、鹽水體積、孔隙率以及鹽度等參數(shù)相關(guān)。在對其彎曲強度進行測量時，比較常用的兩種方法為懸臂梁測試以及簡支梁測試。

1.2海冰的破壞理論

冰排在運動過程中若是遭遇結(jié)構(gòu)物，二者之間會產(chǎn)生相互作用，若結(jié)構(gòu)物的強度不足，就會被冰排破壞。若其強度較大，冰排則會被切割，同時使結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)強烈的振動。冰排的破壞類型可以分為四種：其一，擠壓破壞，冰排作用在樁柱的接觸面上因受擠壓而逐塊斷續(xù)破碎。其二，壓屈破壞，大面積冰排和結(jié)構(gòu)物接觸，冰排因受壓而失穩(wěn)，在樁柱前隆起后破壞。其三，縱向剪切破壞，冰排剪應(yīng)力達到強度極限，產(chǎn)生與運動方向平行的裂縫，造成冰排破壞。其四，彎曲破壞，冰排與具有一定的坡度的結(jié)構(gòu)物接觸時，形成受彎的梁或是板，最終因彎曲而破壞。在不同的破壞類型下，冰排與結(jié)構(gòu)物之間產(chǎn)生的相互作用也存在著較大的差異。

結(jié)合上述內(nèi)容，冰排在接觸到結(jié)構(gòu)物時會產(chǎn)生擠壓、剪切、彎曲等破壞效果，基于海冰的彎曲強度遠低于其抗壓強度這一特點，可以通過合理的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計將海冰變?yōu)閺澢茐?，這樣就可以大幅度的削弱海冰產(chǎn)生的負(fù)面作用。

2海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)抗冰結(jié)構(gòu)的研究

當(dāng)前階段，我國已經(jīng)頒布的和海上導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的規(guī)范性文件包括《海上固定平臺入級和建造規(guī)范》、《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》、《淺海鋼質(zhì)固定式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》等，基本上未涉及到海上風(fēng)電基礎(chǔ)抗冰設(shè)計的內(nèi)容。因此，在進行海上風(fēng)場結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)抗冰設(shè)計的過程中，設(shè)計人員大多都是參考海洋石油平臺的設(shè)計理念。

錐型結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段抗冰設(shè)計中最常用的一種結(jié)構(gòu)形式，想要使其作用得到充分的發(fā)揮，必須要對錐面冰荷載和單樁基礎(chǔ)的安全作用進行深入的分析。借助錐型結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈乓詮澢男问狡茐?，從而將冰荷載壓縮到最低。

根據(jù)我國海上石油平臺抗冰設(shè)計的理念和經(jīng)驗，在項目所處海域的潮位變化區(qū)間加設(shè)錐型體結(jié)構(gòu)是最有效的方法，在單樁基礎(chǔ)上加設(shè)錐型體結(jié)構(gòu)，能夠在單樁基礎(chǔ)與海冰接觸時將海冰的破壞形式由擠壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，從而削弱海冰施加在單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的荷載，同時降低冰激振動對海上設(shè)備運行穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，及對海上人員帶來的不適感。

海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)采用的錐體結(jié)構(gòu)通常是由兩個圓錐體對接構(gòu)成的正、倒錐組合體。正、倒錐組合體一般是由兩個高度相等、上下界面直徑相同的圓錐體對接組成的，其小圓面直徑取決于平臺樁腿的直徑，整個組合體的高度和大圓面直徑則和海冰的類型、強度、潮差大小等參數(shù)相關(guān)。當(dāng)海水水位處于平均水位之下時，海冰會作用于倒錐體，冰排出現(xiàn)表面彎曲破壞。當(dāng)海水水位處于平均水位之上時，海冰作用于正錐體，冰排出現(xiàn)根部完全破壞。基于此，只需對潮差段進行合理的估計，就可以設(shè)計出高度合理的正、倒錐組合體。

在設(shè)計過程中可以參考以下設(shè)計參數(shù)：冰錐標(biāo)高，考慮到海冰和錐體作用位置會隨著潮位的起伏而變動，因此必須保障冰錐的上下標(biāo)高滿足錐體高度完全覆蓋冰磨蝕區(qū)的要求。冰錐角度，錐結(jié)構(gòu)起到的抗冰效果很大程度上取決于冰錐角度，結(jié)合大量的試驗數(shù)據(jù)來看，當(dāng)冰錐角度處于50°～65°之間時，能夠獲得最優(yōu)異的抗冰作用效果。冰錐高度，考慮到冰在錐面上的運動，應(yīng)將冰爬升/堆積高度和施工測量等方面的誤差進行綜合考慮。

抗冰錐中各個構(gòu)件的精確尺寸及所選用材料的強度等級必須經(jīng)過有限元分析計算校驗，并滿足構(gòu)造要求后才能確定。同時，還應(yīng)考慮到錐結(jié)構(gòu)制作過程中，錐殼內(nèi)部設(shè)置徑向肋板，肋板端部和抗冰錐套筒以及水密隔板之間應(yīng)該采取何種焊接的方式。此外，錐體直徑設(shè)定必須滿足電纜管、灌漿管線、靠船結(jié)構(gòu)等相關(guān)附屬設(shè)施的布置需求。若是遇到附屬設(shè)施需要穿過抗冰錐結(jié)構(gòu)的情況，應(yīng)在其內(nèi)部設(shè)置加強環(huán)，避免結(jié)構(gòu)上存在圓孔或凹槽影響到其穩(wěn)定性。為了防止冰堵塞問題的發(fā)生，錐體上的附屬設(shè)施應(yīng)盡可能的做到間隔均勻布置，這樣做同時也可以為建造作業(yè)提供極大的便利。

3結(jié)語

綜上所述，為了有效防止海冰可能會對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的破壞，應(yīng)該將抗冰錐結(jié)構(gòu)應(yīng)用其中，通過其與海冰的相互作用，將擠壓破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐男问?，已達到降低冰荷載及冰激振動強度的目的。同時由于我國相關(guān)規(guī)范并不完善，因此在抗冰錐結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，應(yīng)合理的參考海洋石油平臺抗冰錐結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念和方法。

參考文獻：

[1]陳立. 海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 水力發(fā)電，2018，44（09）：93-96.

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