基于實(shí)測的風(fēng)電基礎(chǔ)錐體冰載荷研究

王國軍,王帥飛,宋 礎(chǔ)，于嵩松,張大勇，張明飛

（1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221；3.上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司 新能源設(shè)計(jì)研究院，上海 200434）

0 引 言

在海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，風(fēng)、波浪、流、地震等環(huán)境荷載的影響都需要加以考慮，對(duì)于會(huì)出現(xiàn)海冰的寒冷海域，也要考慮海冰對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。在很多情況下，冰荷載常常也是海洋工程結(jié)構(gòu)的控制荷載。冰載荷的研究，對(duì)于保證結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠等問題，顯得尤為重要。

通過對(duì)海冰的物理力學(xué)性能研究的不斷加深，人們發(fā)現(xiàn)冰的彎曲破壞強(qiáng)度明顯小于壓縮強(qiáng)度?；谶@一理念，人們設(shè)想將海洋結(jié)構(gòu)水線位置的樁柱設(shè)計(jì)成帶有角度的形式，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)海上石油平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物加裝錐體，可以改變海冰的破碎形式（由擠壓破碎改變?yōu)閺澢扑椋?，從而降低海冰?duì)結(jié)構(gòu)的作用力以及消除擠壓破碎引起的頻率鎖定現(xiàn)象。對(duì)于錐體冰載荷的研究，大部分都集中在錐體靜冰力方面，錐體動(dòng)冰力方面的研究較少?，F(xiàn)有關(guān)于錐體動(dòng)冰力的研究主要采用原型觀測、理論分析、模型試驗(yàn)三種研究方式[1]。Wessels 等[2]和Izumiyama[3]描述了冰的彎曲斷裂過程，認(rèn)為冰與錐體相互作用時(shí)主要發(fā)生彎曲斷裂，首先出現(xiàn)徑向裂紋；Yue 等[4]在渤海的三座多腿平臺(tái)上進(jìn)行了冰與結(jié)構(gòu)作用的原型試驗(yàn)，從現(xiàn)場記錄的錄像及測得的數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，冰排與錐體作用呈彎曲破壞，在高冰速下，冰排的破壞頻率可能會(huì)和結(jié)構(gòu)的自振頻率一致，產(chǎn)生動(dòng)力放大效應(yīng)；岳前進(jìn)等[5]基于渤海導(dǎo)管架平臺(tái)多年的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用過程，建立了確定性的三參數(shù)冰力函數(shù)，并指出冰荷載的周期可以通過海冰的斷裂長度與冰速的比值得到；Qu 等[6-7]在已經(jīng)建立的確定性冰力函數(shù)的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測的冰力數(shù)據(jù)，分析錐體冰力幅值和周期的統(tǒng)計(jì)特性，建立了隨機(jī)冰力函數(shù)，并借鑒波浪荷載的Neumann譜形式，建立了錐體冰力譜；黃焱[8]發(fā)現(xiàn)冰排前緣在柔性錐體結(jié)構(gòu)前以二次特殊斷裂形式發(fā)生破壞，導(dǎo)致很多試驗(yàn)結(jié)果中冰力明顯含有兩個(gè)主要頻率。這些研究成果可作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)冰荷載研究的重要借鑒和基礎(chǔ)。然而，海上風(fēng)電基礎(chǔ)屬于一種柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)，其超出水面高度達(dá)到80 m，而導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)超出水面高度一般為20 m。另外，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)水面處直徑為4～5 m，加裝錐體后直徑可達(dá)9～10 m，而導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗冰錐體直徑一般在4～6 m左右[9]。這些因素使得海冰與其相互作用的破壞形式及動(dòng)力模型仍存在一定的不確定性。為了揭示海冰與該類結(jié)構(gòu)的相互作用形式，明確適用于該類寬大錐體結(jié)構(gòu)的冰荷載的冰力周期模型，本文將對(duì)海上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行探討分析，基于對(duì)冬季冰期內(nèi)黃海北部某風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測，分析海冰與錐體結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律，依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，修正適用于風(fēng)電基礎(chǔ)寬大錐體結(jié)構(gòu)的冰力周期模型，并與實(shí)測冰況下的結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性

一般來講，抗冰結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)尺度可以分為寬結(jié)構(gòu)和窄結(jié)構(gòu)，按照剛度可以分為剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)。冰與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，冰荷載與冰振響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)形式十分敏感，結(jié)構(gòu)特性不一樣，冰荷載模型和振動(dòng)響應(yīng)都有很大差異[10]。因此，對(duì)海上風(fēng)電錐體冰荷載模型的研究，首先要明確其結(jié)構(gòu)特性。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性主要由其質(zhì)量、阻尼比和剛度決定。結(jié)構(gòu)的阻尼是研究其動(dòng)力問題中一個(gè)很重要的參數(shù)，一般鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比ζ通常在0.01～0.02 范圍內(nèi)，海上導(dǎo)管架平臺(tái)阻尼比一般在0.02～0.05 之間[11]。通常用來確定阻尼比的方法包括自相關(guān)函數(shù)法、半功率頻帶法[12]和隨機(jī)減量技術(shù)[13]等。針對(duì)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)衰減曲線，利用對(duì)數(shù)縮減法就能得到結(jié)構(gòu)的阻尼比。自由振動(dòng)衰減率γ表達(dá)式為

現(xiàn)場監(jiān)測的海上風(fēng)機(jī)容量為3.3 MW，機(jī)頭重218 t，結(jié)構(gòu)高出水面90 m 左右，錐體結(jié)構(gòu)高度為7.5 m，錐體最大直徑為9.2 m。監(jiān)測點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和塔筒連接處，通過加速度傳感器拾取海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到該結(jié)構(gòu)的自由衰減曲線，其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)為加速度，如圖1 所示，對(duì)應(yīng)的頻譜分析如圖2 所示，其能量主要集中在0.037 9 Hz。對(duì)圖2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取m=5，利用式（3）可以得到結(jié)構(gòu)的阻尼比，其計(jì)算結(jié)果如表1所示，海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的實(shí)測阻尼比約為0.02。

表1 海上風(fēng)機(jī)阻尼比計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of offshore wind turbine damping ratio

圖1 實(shí)測加速度自由衰減曲線Fig.1 Measured acceleration free decay curve

圖2 實(shí)測加速度數(shù)據(jù)頻譜分析Fig.2 Spectrum analysis of measured acceleration data

剛度是指結(jié)構(gòu)抵抗靜荷載作用下的變形能力，可以定義為使結(jié)構(gòu)頂面發(fā)生單位廣義位移（水平線位移或角位移）所需要施加的廣義力（集中力、均布力或力矩），稱為該結(jié)構(gòu)的靜剛度，用K表示，單位為N/m。海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)水線處的剛度計(jì)算值為2.66×107N/m。

將海上風(fēng)機(jī)與導(dǎo)管架平臺(tái)的力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。通過對(duì)比分析，在水線處，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與多數(shù)導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度接近，阻尼比也接近，所以在海冰作用下，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)也會(huì)有劇烈的冰激振動(dòng)。海上風(fēng)機(jī)在海面上的結(jié)構(gòu)要比導(dǎo)管架平臺(tái)高很多，是一種柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)，在與冰作用過程中，會(huì)有更顯著的動(dòng)力效應(yīng)。

表2 導(dǎo)管架平臺(tái)與海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of jacket platform and offshore wind turbine

2 海冰與寬大錐體結(jié)構(gòu)作用的破壞形式分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測視頻資料可以明確，海冰與錐體結(jié)構(gòu)作用時(shí)主要發(fā)生彎曲破壞，如圖3所示。其主要的破碎過程如下：

圖3 錐體結(jié)構(gòu)前的海冰彎曲破壞Fig.3 Flexural failure of ice sheet against conical structure

（1）當(dāng)平整海冰與錐面接觸后，首先產(chǎn)生徑向裂紋，同時(shí)將產(chǎn)生幾個(gè)楔形梁。

（2）海冰在后續(xù)來冰的推動(dòng)下繼續(xù)沿錐面上爬，徑向裂紋擴(kuò)展，當(dāng)其擴(kuò)展到一定長度后，錐面產(chǎn)生的豎向力將導(dǎo)致楔形梁在底部同時(shí)斷裂，形成環(huán)向裂紋。

（3）破碎后的楔形梁將在后續(xù)冰的推動(dòng)力作用下，繼續(xù)沿錐面上爬。

（4）平整冰楔形梁在上爬階段會(huì)發(fā)生二次斷裂。

（5）碎冰沿錐體兩側(cè)滑落清除，此時(shí)后續(xù)冰還未接觸到錐面。當(dāng)后續(xù)冰與錐體接觸時(shí)又重復(fù)前一個(gè)過程。

通過秸稈覆蓋的方法可以很好的改善土壤的物理性狀，同時(shí)，在不同的覆蓋年限以及覆蓋數(shù)量的情況下，對(duì)于土壤物理性狀的改善也會(huì)存在不同的效果。在實(shí)際應(yīng)用秸稈覆蓋的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋對(duì)于降低降水對(duì)土壤的拍打、淋洗以及沖擊都存在明顯的效果，從而保證土壤的通透性。在此基礎(chǔ)上，秸稈覆蓋還可以有效減輕由于陽光暴曬使土壤表層出現(xiàn)龜裂的現(xiàn)象。通過以上兩方面的作用，更好的保證土壤物理結(jié)構(gòu)的良好。

劈裂破壞主要發(fā)生在冰厚較小、海冰內(nèi)部存在預(yù)裂紋、或者浮動(dòng)海冰面積較小時(shí)，劈裂的裂縫與壓力的作用線平行，如圖4所示。這種情況下通常采用沖量來計(jì)算冰與結(jié)構(gòu)作用的沖擊荷載，或者通過海冰的斷裂韌性和邊界條件進(jìn)行計(jì)算[14］（結(jié)構(gòu)幾何尺寸和海冰參數(shù)）。結(jié)構(gòu)前海冰發(fā)生劈裂破壞時(shí)的冰厚較小，在海冰發(fā)生彎曲破壞前，劈裂裂紋已經(jīng)形成，海冰會(huì)先發(fā)生劈裂破壞，從而劈裂破壞對(duì)結(jié)構(gòu)作用力小于結(jié)構(gòu)前海冰發(fā)生彎曲破壞，同時(shí)大塊海冰的劈裂破壞不會(huì)連續(xù)發(fā)生，無法形成持續(xù)的動(dòng)力作用，從而破裂破壞的荷載可以認(rèn)為為靜荷載，劈裂破壞后大塊海冰被分為小塊，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體作用力減小，從而對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)造成嚴(yán)重的影響。

圖4 錐體結(jié)構(gòu)前的海冰劈裂破壞Fig.4 Splitting failure of ice sheet against conical structure

如果破碎的海冰在沿著錐面滑落的過程中受到阻礙，將導(dǎo)致碎冰無法迅速清除，會(huì)在結(jié)構(gòu)前形成堆積，如圖5 所示。錐體結(jié)構(gòu)通過推動(dòng)前面的堆積冰，大大增加了與后續(xù)海冰接觸的面積，影響后續(xù)冰與錐體結(jié)構(gòu)作用的破壞形式、破壞過程和冰力的形成。碎冰堆積大多發(fā)生在寬錐結(jié)構(gòu)或者錐體表面摩擦系數(shù)較大的情況下。

圖5 錐體結(jié)構(gòu)前的海冰堆積Fig.5 Front ice jams on conical structure

基于以上分析，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加裝錐體后，與海冰作用的破壞模式主要是彎曲破壞，海冰破碎過程與監(jiān)測到的渤海油氣平臺(tái)錐體結(jié)構(gòu)與冰作用過程相似，所以針對(duì)渤海石油平臺(tái)樁腿提出的錐體冰荷載模型適用于風(fēng)電基礎(chǔ)錐體冰荷載計(jì)算?，F(xiàn)場監(jiān)測到的破壞形式還有劈裂破壞、剪切斷裂等。另外，對(duì)于該類寬錐結(jié)構(gòu)，會(huì)存在海冰在錐體結(jié)構(gòu)前堆積的現(xiàn)象，這使得海冰在破壞過程中會(huì)發(fā)生包含有彎曲的多模式混合破壞。

3 冰力周期模型研究

交變冰力是海冰對(duì)結(jié)構(gòu)的周期性沖擊載荷。冰力周期即為完整冰板沖擊結(jié)構(gòu)的時(shí)間間隔。根據(jù)上文中海冰與錐體相互作用的破碎過程分析，海冰前沿與錐體結(jié)構(gòu)表面沖擊作用會(huì)引起海冰底部形成的環(huán)向裂紋，此環(huán)向裂紋所處位置是后續(xù)完整海冰前沿。因此,后續(xù)完整海冰前端自環(huán)向裂紋形成位置運(yùn)動(dòng)至錐體表面的時(shí)間,即為冰力周期，海冰前沿與錐體結(jié)構(gòu)表面沖擊接觸位置與環(huán)向裂紋之間的距離為海冰彎曲斷裂長度L[15]。冰力周期可以簡化為冰在結(jié)構(gòu)前的斷裂長度L與冰速V的比值[16]，表示如下:

根據(jù)海冰斷裂的理論分析，彎曲斷裂長度主要受到海冰厚度的控制，依此簡化二者的線性關(guān)系為

式中，L為海冰斷裂長度，h為冰厚，Q為斷裂長度和冰厚的比值，簡稱長厚比，由上面兩式冰力周期可以寫為T=Qh/V。

海冰的破碎長度受到海冰破碎模式的影響，而海上結(jié)構(gòu)寬度與海冰厚度的比值（寬厚比D/h）作為控制參數(shù)影響海冰破壞模式[17]，在此采用該參數(shù)分析長厚比隨寬厚比的變化趨勢，如圖6所示。

圖6 平整海冰寬厚比和長厚比的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between sea ice width-to-thickness ratio and length-to-thickness ratio

圖7 海冰破碎長度與厚度關(guān)系擬合Fig.7 Relationship between sea ice broken length and ice thickness

4 基于實(shí)測冰況的數(shù)值模擬及對(duì)比分析

4.1 錐體結(jié)構(gòu)冰荷載

為了能夠分析冰與錐體結(jié)構(gòu)作用的冰力時(shí)程，岳前進(jìn)基于渤海現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)，建立了確定性的冰力函數(shù)[5]，如圖8所示，其數(shù)學(xué)模型為

圖8 簡化的冰力函數(shù)Fig.8 Simplified ice force function

式中：F0為冰力幅值；T為冰力周期；τ為冰與錐體的作用時(shí)間，為1/3的冰力周期T。

本文中采用Hiryama-Obara計(jì)算錐體結(jié)構(gòu)極值冰力[18]：

式中：σf為海冰彎曲強(qiáng)度，本文中取700 kPa；h為海冰厚度；D為錐體結(jié)構(gòu)的直徑，本文中為9.2 m；Lc為海冰冰板的特征長度；B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本文中取3.2。

式中，E為彈性模量，文中為0.5 GPa，ρ為海水密度1025 kg/m3，g為重力加速度9.8 m/s2。

4.2 結(jié)構(gòu)模型及模態(tài)分析

運(yùn)用ANSYS 軟件基于原型結(jié)構(gòu)建立有限元模型，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)采用shell 181 單元，風(fēng)機(jī)機(jī)頭采用MASS 21 質(zhì)量單元模擬，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為單樁形式，采用6 倍樁徑法建立風(fēng)機(jī)泥面以下基礎(chǔ)，冰力施加位置位于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平均海平面高度，即錐體結(jié)構(gòu)的最大直徑處，如圖9所示。模態(tài)分析得到前四階頻率，見表3。

表3 風(fēng)機(jī)前4階頻率(單位：Hz)Tab.3 Wind turbine frequency

圖9 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)模型Fig.9 Single pile wind turbine foundation model

從結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比風(fēng)機(jī)廠家提供的結(jié)構(gòu)整機(jī)基頻（范圍為0.26～0.297 Hz），數(shù)值模型能夠反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征。

4.3 動(dòng)冰荷載結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

根據(jù)在北黃海采集到的海冰測量數(shù)據(jù)，選取風(fēng)速較小的時(shí)間段，以減小風(fēng)荷載對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響。冰況為：冰厚0.088 1 m，冰速0.27 m/s。分別采用長厚比Q為7.2，以及基于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)實(shí)測數(shù)據(jù)分析得到的長厚比Q為9.2 進(jìn)行數(shù)值模擬，相應(yīng)的冰力周期分別為T=7.2h/V，T=9.2h/V。

取監(jiān)測位置處（風(fēng)電基礎(chǔ)與塔筒連接處）數(shù)值模擬與實(shí)測的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)曲線，如圖10～12所示。

圖10 長厚比Q為7.2的數(shù)值模擬加速度曲線Fig.10 Acceleration simulation with length-to-thickness ratio Q of 7.2

實(shí)測加速度取時(shí)長25 s 的數(shù)據(jù)，共有11 個(gè)周期，故實(shí)測周期約為2.27 s。數(shù)值模擬曲線取時(shí)長21.4 s 的數(shù)據(jù)，其中長厚比Q為7.2 時(shí)，這段加速度曲線包含有9 個(gè)周期，得到數(shù)值模擬周期約為2.38 s。長厚比Q為9.2 時(shí)，有8 個(gè)周期，得到數(shù)值模擬周期約為2.68 s。數(shù)值模擬與實(shí)測的數(shù)據(jù)周期接近。實(shí)測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值在0.8 gal 左右。長厚比Q為7.2 時(shí)，數(shù)值模擬的加速度幅值在0.4 gal 左右。長厚比Q為9.2時(shí)，數(shù)值模擬的加速度幅值在0.5 gal左右。相較來說，長厚比Q為9.2時(shí)更接近于實(shí)測數(shù)據(jù)振動(dòng)加速度幅值。另外，考慮到原型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)可能還會(huì)有風(fēng)荷載等其他環(huán)境荷載的影響，且風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為輕微，實(shí)測與數(shù)值模擬之間的差值是在可以接受的范圍內(nèi)?；谝陨戏治?，新修正后的冰力周期計(jì)算模型更適用于風(fēng)電基礎(chǔ)寬大錐體結(jié)構(gòu)。

圖11 長厚比Q為9.2的數(shù)值模擬加速度曲線Fig.11 Acceleration simulation with length-to-thickness ratio Q of 9.2

圖12 實(shí)測加速度曲線Fig.12 Measured acceleration curve

5 結(jié) 論

冰區(qū)海上風(fēng)電首先要考慮結(jié)構(gòu)的抗冰性能要求，其中最重要的是動(dòng)冰荷載問題。目前在冰區(qū)海域還沒有大規(guī)模建設(shè)風(fēng)電場，對(duì)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)類寬大錐體結(jié)構(gòu)與冰的相互作用還沒有得到充分的認(rèn)識(shí)。

本文基于對(duì)冬季冰期內(nèi)黃海北部某風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測，首先對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，得到了實(shí)測的阻尼比并計(jì)算了其結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)比了海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)與固定式導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性差異?；趯?duì)風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測，揭示了冰與風(fēng)電基礎(chǔ)錐體結(jié)構(gòu)相互作用的破壞規(guī)律，明確了海冰斷裂長度與海冰厚度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)類寬大錐體結(jié)構(gòu)的冰力周期模型進(jìn)行了研究。最后，采用修正的確定性冰力函數(shù)進(jìn)行實(shí)測冰況下的結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論：

（1）海上風(fēng)機(jī)屬于一種柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)，相比導(dǎo)管架海上石油平臺(tái)，在海冰作用下，會(huì)有更顯著的動(dòng)力放大效應(yīng)，冰激振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

（2）冰與風(fēng)電基礎(chǔ)錐體結(jié)構(gòu)相互作用的破壞模式主要是彎曲破壞，其他破壞形式還有劈裂破壞、剪切斷裂等，以及會(huì)存在海冰堆積的現(xiàn)象。

（3）依據(jù)海上風(fēng)電現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到海冰斷裂長度與海冰厚度的線性比例關(guān)系，即長厚比Q為9.2，通過數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，新修正的冰力周期計(jì)算模型適用于風(fēng)電基礎(chǔ)類寬大錐體結(jié)構(gòu)。