海上風機高樁承臺基礎(chǔ)船舶碰撞動力分析

陸南辛，祝周杰

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州311122）

高樁承臺基礎(chǔ)是一種常見的海上風電機組基礎(chǔ)形式，其具有結(jié)構(gòu)安全性能高、抗水平荷載能力強、施工工藝相對成熟和造價較低等優(yōu)點[1]，在水深10～30 m、表層土體工程性狀較差的區(qū)域，得到廣泛采用。我國目前海上風電開發(fā)主要集中在近海（離岸50 km以內(nèi)）海域，這部分海域港口碼頭建設(shè)和航運高度發(fā)展，大量船舶往返。風機基礎(chǔ)一旦遭受船舶撞擊，不僅會造成建設(shè)方的發(fā)電量損失，甚至還有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，造成重大傷亡。對于高樁承臺基礎(chǔ)而言，由于其結(jié)構(gòu)的特性，如果發(fā)生船舶碰撞，承受撞擊的往往是單根較細的鋼管樁，相對其他風機基礎(chǔ)形式，受損的風險更高。

目前國內(nèi)海上風電開發(fā)現(xiàn)處于興起階段，雖然項目眾多，但是由于技術(shù)相對歐洲海上風電開發(fā)起步較晚，尚未成熟，對應(yīng)的海上風機基礎(chǔ)船舶碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標準規(guī)范可供參考。Gary R Consolazio等[2]利用ADINA有限元程序?qū)︸g船撞擊圓形墩和方墩進行了仿真計算，并將計算結(jié)果與AASHTO規(guī)范進行比較；劉建成等[3]運用非線性有限元程序仿真模擬，分析了長江上油輪與懸索橋梁的碰撞，通過模擬分析，得出了船舶、橋梁、橋面等主要結(jié)構(gòu)的碰撞力與時程的關(guān)系；王自力等[4]基于數(shù)值仿真的技術(shù)的理論研究，對船舶發(fā)生碰撞的受力過程進行了有限元仿真模擬，分析了船舶碰撞過程中的動力學特性。

本文對船舶與海上風機高樁承臺基礎(chǔ)相互碰撞的研究，借鑒了高樁梁板式碼頭、橋梁橋墩方面的部分研究經(jīng)驗[5]?；贏NSYS/LS-DYNA 軟件，通過數(shù)字化建模及數(shù)值仿真計算，分析了船舶與風機高樁承臺基礎(chǔ)碰撞力的過程和規(guī)律，以及高樁承臺基礎(chǔ)受撞擊后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而為海上風機高樁承臺基礎(chǔ)設(shè)計、維護、防撞措施等提供理論上的支持。

1 基本理論

1.1 經(jīng)驗公式

船舶與結(jié)構(gòu)之間的撞擊力的計算主要還是來源于經(jīng)驗公式?，F(xiàn)在對于海上風機的撞擊力研究還很少，經(jīng)驗公式主要借鑒橋梁、海洋平臺的船橋碰撞經(jīng)驗公式。目前國外主要的經(jīng)驗公式總結(jié)如下。

（1）Woisin公式

德國Woisin教授于20世紀70年代通過進行縮比后船舶模型試驗，分析24艘不同船舶船型，總結(jié)出船舶與橋墩撞擊過程中有效撞擊力的經(jīng)驗計算公式。

式中：Pt為時間平均有效撞擊力（MN）；Pmax為有效最大撞擊力（MN）；Pm為平均撞擊力（MN）；DWT為船舶的載重量（t）。

（2）AASHTO規(guī)范公式[6]

美國聯(lián)邦公路與運輸協(xié)會指導規(guī)范與美國公路橋梁規(guī)范是基于Meir-Dornberg理論基礎(chǔ)，提出的指導規(guī)范。Meir-Dornberg理論主要通過落錘來模擬船舶與結(jié)構(gòu)物的碰撞，總結(jié)了船橋碰撞中碰撞荷載的經(jīng)驗公式。公式中主要包含了兩個方面，一是上述船舶撞擊的撞擊力預(yù)測，另外一部分是船舶的撞擊的風險評估內(nèi)容。

在AASHTO規(guī)范中，船舶與剛性橋墩的碰撞荷載可以按照如下經(jīng)驗公式計算。

式中：Ps為船舶碰撞荷載等效靜力荷載（MN）；V為撞擊時速度（m/s）。

在美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范中，船舶與橋墩的平均撞擊力可以按照如下經(jīng)驗公式進行計算。

式中：F為撞擊力（MN）；V為撞擊時速度（m/s）。

船舶最大撞擊力與船舶的剛度是有密切關(guān)系，船舶剛度會導致最大撞擊力有一定幅度變化。

（3）歐洲規(guī)范公式[7]

Eurocode是歐洲在1999年制定的統(tǒng)一規(guī)范。其中對于船舶撞擊力的規(guī)定如下：

式中：K為撞擊體的等效剛度，此處是指船舶剛度，對于內(nèi)河航道船舶K=5 MK/m；遠洋船舶，K=15 MN/m；V為撞擊體撞擊時速度（m/s）；M為撞擊體的質(zhì)量（t）。

北歐公共道路管理局和挪威公共道路局分別規(guī)定了船舶與橋梁碰撞中等效靜態(tài)碰撞力的計算公式，其中，北歐公共道路管理局規(guī)定：

式中：P為等效碰撞力（MN）。

挪威公共道路局規(guī)定：

式中：P為等效碰撞力（MN）。

此外，我國《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》及《港口工程荷載規(guī)范》也有相應(yīng)的經(jīng)驗公式可以參考。

1.2 理論數(shù)值方法

數(shù)值解法的理論基礎(chǔ)是船舶撞擊理論，并在其撞擊理論基礎(chǔ)之上運用有限元的方法進行了發(fā)展和細化，船舶碰撞的數(shù)值方案最初是運用于船舶與船舶之間，進而擴展到船舶與橋梁碰撞當中。值得注意的是，在船舶撞擊的數(shù)值方法中，對于非線性有限元法的運用是經(jīng)過了合理的簡化的，簡化方法是對于實際分析過程中的模型進行了精度縮減，采用了比較粗糙的網(wǎng)格單元，同時對與較復雜的模型結(jié)構(gòu)采用了理想化的假設(shè)。因此，數(shù)值分析同時也是計算機模擬仿真的基礎(chǔ)。

1.3 有限元動力仿真法

在工程實際中，模型試驗是最為廣泛的研究方法之一，其缺點在于模型試驗的工程代價較高，對于模型的縮放比例、模型的精細化程度、試驗場所等都會對試驗結(jié)果有著不同程度的影響，制約性因素較多。隨著計算機功能和計算能力的快速增長，有限元模擬仿真在越來越多的工程中得到了運用，并且其有效性和可靠性已經(jīng)在眾多研究項目中得到了很好的驗證。對于海上風電而言，在工程設(shè)計和研究中，利用有限元進行模擬風機基礎(chǔ)已經(jīng)是較為成熟的做法。通過仿真分析，可以計算出時域中船舶的變形以及碰撞能量，同時也能提取風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的位移、應(yīng)力、損壞情況等一系列有效信息?；趯φ麄€系統(tǒng)作用時程中，碰撞過程中的數(shù)據(jù)提取和分析，可以對船舶—風機高樁承臺基礎(chǔ)的整個碰撞過程進行較好的描述[8]。相對于模型試驗，有限元仿真在試驗邊界條件的固定、調(diào)整、對比分析方面具有不可替代的優(yōu)勢。

2 有限元模型建立及分析工況說明

本文以我國東南某海上風電場高樁承臺基礎(chǔ)為原型。基礎(chǔ)由8根鋼管樁斜向打入海床底部以提供結(jié)構(gòu)整體承載能力，鋼管樁采用Q345C型鋼材，樁徑均為2.0 m，樁長為97.0 m。樁頂嵌入承臺以實現(xiàn)樁基和混凝土承臺剛性連接，樁頂端小段內(nèi)樁內(nèi)填芯混凝土以利于混凝土承臺與基樁受力傳遞。承臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風機高樁承臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 模型基本假設(shè)

本文采用LS_DYNA進行仿真分析[9]，該程序是全球著名的通用動力分析程序。

2.1.1 單元類型及材料模型 由于高樁承臺風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復雜，在建模過程中涉及眾多單元類型，模型主要部分的單元類型及材料模型見表1。

表1 模型單元及材料

鋼樁采用雙線性彈塑性材料，如圖2所示。材料彈模為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為3.00×108Pa，硬化模量為2.1×108Pa，橡膠護舷采用Mooney-Rivlin不可壓縮橡膠模型，這種橡膠模型適應(yīng)的應(yīng)變范圍在30%～200%，材料模型特性和參數(shù)如圖2和表2所示。

圖2 雙線性材料模型

表2 Mooney-Rivlin材料參數(shù)

本文中護舷采用半圓形包覆橡膠護舷形式，保護范圍為船舶撞擊點上下各2.5 m，橡膠護舷共5 m長，厚度為30 cm。高樁承臺—橡膠護舷—船舶系統(tǒng)的有限元模型如圖3所示。

圖3 高樁承臺—船舶有限元模型

2.1.2 樁土相互作用 鋼管樁與土層作用采用非線性彈簧單元COMBINE39進行模擬，參照Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（API RP 2A-WSD）[10]等相關(guān)規(guī)范，確定p-y曲線、t-z曲線和Q-z曲線，并分別用于定義水平方向、軸向及樁端非線性彈簧屬性。

2.2 船舶噸位及碰撞速度選擇

根據(jù)調(diào)查，海上風機的檢修及維護船舶噸位大多在500～1 000 t之間，船舶在靠泊到風機結(jié)構(gòu)時，為了保護風機基礎(chǔ)，船舶要減速慢行?？康斤L機基礎(chǔ)的靠船結(jié)構(gòu)上，靠泊速度一般需要控制在1 m/s以下。

根據(jù)上述結(jié)論，本文仿真計算選擇500 t和1 000 t兩種噸位的船舶作為碰撞分析典型船舶模型，碰撞速度分別考慮0.5 m/s，1 m/s，2 m/s的速度，其中0.5 m/s，1 m/s為正常碰撞速度，2 m/s為考慮了船舶失速、惡劣天氣環(huán)境等影響下的碰撞速度。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 碰撞計算結(jié)果

圖4和圖5給出了500 t和1 000 t船舶分別以0.5 m/s，1 m/s，2 m/s速度撞擊海上風機高樁承臺基礎(chǔ)時的撞擊力時程曲線圖。

圖4 500 t船舶以不同速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

圖5 1 000 t船舶以不同速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

從圖4和圖5中可以看出，考慮橡膠護舷的情況下，仿真模擬計算的撞擊力最大值僅為AASHTO規(guī)范的50%～60%。而國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范的計算出來的船舶撞擊力相對于國外規(guī)范及仿真結(jié)果偏低，在進行工程實際應(yīng)用時偏保守。其中，EUROCODE規(guī)范在考慮橡膠護舷的情況下，其計算值與撞擊力極值的吻合度較高，在實際工程設(shè)計中具有較高的參考意義。

為了進一步分析不同噸位船舶、不同撞擊速度對于船舶撞擊承臺的影響，設(shè)置了如下分析工況，如表3所示。

表3 船舶撞擊高承臺工況表

根據(jù)仿真分析模擬計算，得了給出了不同工況下，船舶的最大撞擊力、撞擊時間、撞擊時間內(nèi)撞擊力均值以及與規(guī)范計算值之間的對比，計算結(jié)果如表4和圖6所示。

表4 船舶撞擊高承臺結(jié)果統(tǒng)計表

由表4可以看出，在考慮橡膠護舷的情況下，撞擊力在時間內(nèi)的均值為撞擊力極值的一半左右，另外，船舶停靠的速度越低，時間內(nèi)均值占規(guī)范計算值百分比越低，推測原因可能為船舶低速碰撞工況下橡膠護舷的吸能效果更好。

圖6給出了帶護舷工況下船舶的撞擊力時程曲線，從圖中可以看出，船舶噸位越大，撞擊力增加，撞擊時間變長；速度越大，撞擊力越大，撞擊時間沒有明顯變化。船舶噸位由500 t增加到1 000 t，最大撞擊力增加1.3至1.5倍，速度從0.5 m/s增加到1 m/s，最大撞擊力增加約2倍。由此分析，相對于噸位，撞擊力的大小受速度因素影響更加敏感。

圖6 不同工況船舶撞擊高承臺時的曲線圖

3.2 高樁承臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果

圖7和圖8給出了船舶在撞擊過程中承臺的位移曲線圖，可以看到500 t、1 000 t船舶以低速0.5 m/s撞擊時，樁臺位移為5 cm左右，基本滿足設(shè)計過程中風及塔筒及風基礎(chǔ)對于承臺位移的需求。隨著速度的增加，基礎(chǔ)承臺位移增大明顯。500 t、1 000 t船舶以速度1.0 m/s撞擊時，承臺位移分別為10 m、15 cm；500 t、1 000 t船舶以速度2.0 m/s撞擊時，承臺位移分別為20 cm、30 cm。根據(jù)各風機生產(chǎn)廠家提供的荷載報告，大于20 cm這種程度的位移，已經(jīng)會影響風機塔筒的安全及風機的正常運行。

圖7 500 t船舶撞擊高承臺基礎(chǔ)時承臺的位移曲線圖

圖8 1 000 t船舶撞擊高承臺基礎(chǔ)時承臺的位移曲線圖

圖9和圖10給出了500 t船舶及1 000 t船舶的有效應(yīng)力云圖，從曲線可以看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在撞擊的過程中，撞擊結(jié)束后應(yīng)力值迅速減小。速度越快，最大有效應(yīng)力值越大，1 000 t當船舶以2 m/s的速度靠泊時，有效應(yīng)力為286 Mpa，接近鋼材屈服應(yīng)力。

圖9 500 t船舶靠泊高承臺基礎(chǔ)時最大應(yīng)力時程曲線

圖10 1 000 t船舶靠泊高承臺基礎(chǔ)時最大應(yīng)力時程曲線

綜上所述，大噸位船舶高速撞擊時對于高承臺這種偏柔性結(jié)構(gòu)是十分危險，即使撞擊力不大情況下，也對導致結(jié)構(gòu)大幅度的振動位移，同時很可能導致承臺基礎(chǔ)鋼管樁超過屈服強度而破壞，從而導致風機因控制策略導致發(fā)電功率下降甚至停機。

3.3 橡膠護舷的保護作用分析

為進一步分析橡膠護舷對于高樁承臺基礎(chǔ)鋼管樁的保護作用，增加一組工況用于對比：在不設(shè)置橡膠護舷的情況下，用500 t、1 000 t分別以1 m/s的速度正向撞擊海上風機高樁承臺基礎(chǔ)。模型建立如圖11所示。

圖11 高樁承臺—船舶有限元模型（無橡膠護膝）

500 t船舶正向1 m/s速度碰撞高樁臺基礎(chǔ)（無橡膠護舷）。撞擊力時程曲線見圖12。

圖12 500 t船舶1 m/s速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

1 000 t船舶正向1 m/s速度碰撞高樁臺基礎(chǔ)（無橡膠護舷）。撞擊力時程曲線見圖13。

圖13 1 000 t船舶1 m/s速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

表5和表6給出了船舶在不同的保護條件的工況列表以及各工況下撞擊承臺結(jié)構(gòu)時的撞擊力數(shù)據(jù)。從表中可以看出，在有橡膠護舷工況時，撞擊過程較無保護工況持續(xù)時間更長，撞擊時間長度約為無護舷工況的兩倍；最大撞擊力值為沒有護舷工況的60%～70%，而撞擊時間內(nèi)撞擊力均值僅為無護舷工況的45%～60%?？梢娤鹉z護舷的作用主要為延長接觸時間，減少撞擊力峰值從而降低撞擊力均值。

橡膠護舷在不同噸位船舶和不同撞擊速度下表現(xiàn)出來的防護效果也不一樣，由表6可以看出，在撞擊船舶為500 t的條件下，設(shè)置護舷的撞擊力比沒有設(shè)置護舷的撞擊力小了1.24 MN，而在撞擊船舶為1 000 t的條件下，設(shè)置護舷的撞擊力比沒有設(shè)置護舷的撞擊力僅小了0.91 MN，這說明在同樣設(shè)置橡膠護舷的情況下，橡膠護舷對于低噸位的船舶具有更好的吸能效果。

結(jié)合本文3.1節(jié)關(guān)于橡膠護舷對于撞擊速度的敏感性分析結(jié)論，我們可以得出：在船舶噸位較小、低速狀態(tài)下，吸能防護的效果相對較好，在船舶噸位較大、高速撞擊狀態(tài)下，吸能防護的效果相對較差。

表5 船舶撞擊高承臺工況表

表6 船舶撞擊高承臺結(jié)果對比表

4 結(jié) 論

本文運用非線性分析軟件LS-DYNA，結(jié)合我國東南某海上風電場實際情況，通過建立風機高樁承臺基礎(chǔ)與船舶碰撞的有限元模型，研究了船舶在撞擊過程中的撞擊力時程分布以及高樁承臺基礎(chǔ)在撞擊作用下的響應(yīng)，分析了船舶碰撞對于風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的動力影響，對于橡膠護舷對于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的保護作用進行了分析。

研究結(jié)論如下：（1）船舶的撞擊力與船舶的噸位和速度成正相關(guān)，噸位越大撞擊力越大，速度越大撞擊力越大。同時撞擊力對速度因素更為敏感，因此考慮到結(jié)構(gòu)的安全，海上風機檢修船舶、管理船舶靠泊結(jié)構(gòu)時應(yīng)控制速度，速度盡量不宜大于1.0 m/s，0.5 m/s以下最佳；（2）不同工況下的撞擊力仿真結(jié)果同不同撞擊力計算公式之間的對比分析可見：仿真結(jié)果與EUROCODE規(guī)范遠洋船舶的計算值接近。因此在采用經(jīng)驗公式時，推薦采用EUROCODE規(guī)范遠洋船舶，同時根據(jù)撞擊的具體情況，有無防護結(jié)構(gòu)、相撞結(jié)構(gòu)的剛度等條件乘以一定的系數(shù)作為撞擊力的設(shè)計值。國內(nèi)的主要規(guī)范的船舶撞擊力計算值保守，在對于結(jié)構(gòu)安全要求較高的工程實踐中可以采用；（3）船舶在較低速度海上風機基礎(chǔ)時，承臺結(jié)構(gòu)位移和鋼管樁應(yīng)力尚處在可接受范圍內(nèi)，但隨著船舶撞擊速度和船舶噸位的增大，承臺水平位移將達到30 cm，同時鋼管樁應(yīng)力接近鋼材屈服極限，對于風機基礎(chǔ)、風電機組及塔筒結(jié)構(gòu)，將會造成較大的損傷，影響結(jié)構(gòu)安全和風機發(fā)電量；（4）沒有設(shè)置橡膠護舷的承臺比有橡膠護舷的承臺承受的撞擊力更大，對于提高承臺的撞擊承載力有很大的好處。橡膠護舷作用在于延長接觸時間，消減接觸力峰值，但在船舶噸位較大、高速撞擊狀態(tài)下，橡膠護舷可能無法發(fā)揮出其最大效能。