改進(jìn)的臺(tái)風(fēng)下單樁海上風(fēng)機(jī)易損性分析方法及應(yīng)用

黃國慶　趙晨旭　周緒紅　 魏凱　吳鳳波　 張?jiān)娨?/p>

摘要： 提出了一種改進(jìn)的臺(tái)風(fēng)作用下單樁海上風(fēng)機(jī)易損性分析方法，該方法包括：進(jìn)行臺(tái)風(fēng)模擬，根據(jù)模擬臺(tái)風(fēng)確定單樁海上風(fēng)機(jī)處的風(fēng)浪強(qiáng)度指標(biāo);將風(fēng)浪荷載施加在單樁海上風(fēng)機(jī)上，在考慮荷載隨機(jī)性的情況下得到風(fēng)機(jī)塔筒和樁基的響應(yīng)極值概率分布曲線;基于非線性屈曲分析得到風(fēng)機(jī)主要構(gòu)件的承載力概率分布曲線;結(jié)合風(fēng)機(jī)主要構(gòu)件的屈服和屈曲等承載力概率分布曲線，求得單樁海上風(fēng)機(jī)在屈服或屈曲模式下的破壞概率。同時(shí)結(jié)合江蘇某風(fēng)電場的風(fēng)浪特性對某?5 MW風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)致易損性分析。分析結(jié)果可為提升海上風(fēng)機(jī)抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)能力提供參考。

關(guān)鍵詞：?易損性;?單樁海上風(fēng)機(jī);?臺(tái)風(fēng);?屈服;?屈曲

中圖分類號(hào)： TU352.2;?TK83 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號(hào)： 1004-4523（2022）02-0331-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.008

引??言

風(fēng)能由于分布廣泛、儲(chǔ)量巨大以及風(fēng)電技術(shù)的快速提升等原因，目前已成為最具備大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源之一。截至2019年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為651 GW，較2001年底增長超過26倍。

相對于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具有風(fēng)速更高、年利用小時(shí)長和不占用土地資源等優(yōu)點(diǎn)。此外，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)，便于就地消納電能。截止到2018年，全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到23 GW，自2011年以來每年增長將近30%。中國在近年更是躋身于海上風(fēng)電市場領(lǐng)導(dǎo)者之列。目前，中國海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量已達(dá)到5 GW，今后還有更加廣闊的開發(fā)前景。但中國海上風(fēng)電在快速發(fā)展的同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的極端災(zāi)害挑戰(zhàn)，其中臺(tái)風(fēng)是引起經(jīng)濟(jì)損失和結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約7個(gè)臺(tái)風(fēng)會(huì)登陸中國，對沿海陸上風(fēng)機(jī)造成巨大威脅。2008年，臺(tái)風(fēng)“薔薇”導(dǎo)致中國臺(tái)灣臺(tái)中港一臺(tái)陸上風(fēng)機(jī)倒塌，五臺(tái)陸上風(fēng)機(jī)葉片損壞;2010年，臺(tái)風(fēng)“鲇魚”造成福建六鰲風(fēng)電場三期Z13號(hào)風(fēng)電機(jī)組倒塌、Z10號(hào)機(jī)組葉片折斷。與陸上風(fēng)機(jī)相比，中國海上風(fēng)機(jī)建設(shè)時(shí)間較短，暫未有相關(guān)災(zāi)害報(bào)道。但臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，海上風(fēng)速更大，而且存在波浪，海上風(fēng)機(jī)面對的風(fēng)險(xiǎn)可能更大。因此，有必要對海上風(fēng)機(jī)在臺(tái)風(fēng)下的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

Kim等對地震作用下的單樁海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行了易損性分析，得到了單樁風(fēng)機(jī)在四種損壞限定條件下的易損性曲線，但該研究僅考慮了地震作用，而忽略了風(fēng)浪荷載帶來的影響。Asareh等在考慮多種損壞模式的情況下，得到陸上風(fēng)機(jī)在風(fēng)和地震共同作用時(shí)的易損性曲線，該研究認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，即使在較小的地震強(qiáng)度作用下，風(fēng)機(jī)塔筒也會(huì)發(fā)生損壞。但該研究重點(diǎn)關(guān)注地震荷載的作用，考慮的最大風(fēng)速為10 m/s，未能體現(xiàn)出大風(fēng)情況下風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)破壞的影響程度。Mardfekri等進(jìn)行了風(fēng)浪荷載以及地震荷載作用下處于運(yùn)行狀態(tài)的單樁海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的易損性分析。該研究在剪切破壞和彎曲破壞兩種失效模式下對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行損壞概率分析，發(fā)現(xiàn)單樁風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載的作用下主要為受彎破壞。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)破壞受風(fēng)速的影響較大，且達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)破壞概率最大。高慶水等在50年一遇的極端風(fēng)和不同強(qiáng)度的地震耦合作用下對風(fēng)機(jī)塔架進(jìn)行了倒塌分析，得到了風(fēng)機(jī)在近場和遠(yuǎn)場地震作用下的易損性曲線。

近年來海上風(fēng)機(jī)易損性研究都著眼于地震帶來的風(fēng)險(xiǎn)，而對極端風(fēng)浪下的風(fēng)險(xiǎn)評估研究較少。Wilkie等選擇以美國東部海岸以及北部海域?yàn)檠芯奎c(diǎn)，在考慮材料和尺寸隨機(jī)性的情況下對單樁海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)浪作用下的易損性分析。該研究以重現(xiàn)期為強(qiáng)度指標(biāo)，假設(shè)同一重現(xiàn)期下的風(fēng)速和波高一一對應(yīng)，得到了不同重現(xiàn)期下風(fēng)機(jī)各構(gòu)件的損壞概率。Hallowell等以美國大西洋沿岸多個(gè)風(fēng)電場為研究點(diǎn)，量化了單樁海上風(fēng)機(jī)在颶風(fēng)引起的風(fēng)和浪中失效的風(fēng)險(xiǎn)。該研究計(jì)算出了美國大西洋沿岸風(fēng)機(jī)在偏航系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)以及偏航系統(tǒng)失效時(shí)的損壞概率。

在進(jìn)行臺(tái)風(fēng)作用下的易損性分析時(shí)，風(fēng)浪強(qiáng)度的正確評估直接影響到了風(fēng)機(jī)響應(yīng)的概率分布。在Hallowell等的研究中分別采用Holland模型以及Young模型計(jì)算風(fēng)速和波高。值得注意的是，Young模型對于有效波高的計(jì)算僅適用于無限水深的情況，而單樁海上風(fēng)機(jī)的適用條件都是在30 m水深以內(nèi)的淺海區(qū)域，所以對于波浪要素的計(jì)算需要更為合適的模型。另外，該研究中的塔筒以及樁基的屈曲承載力是基于圓鋼管受彎實(shí)驗(yàn)得到的，而真實(shí)風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)是變截面的，其風(fēng)致屈曲更為復(fù)雜，所以要選擇更合適的方法評估結(jié)構(gòu)承載力。

針對以上情況，本文提出了一種改進(jìn)的臺(tái)風(fēng)作用下海上風(fēng)機(jī)易損性分析方法，并應(yīng)用于中國的某海上風(fēng)電場。本文的主要內(nèi)容如下：1）介紹了臺(tái)風(fēng)下易損性分析框架;2）以江蘇某風(fēng)電場為研究點(diǎn)，根據(jù)歷史臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)樣本模擬，根據(jù)臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)采用更為合理的風(fēng)浪模型計(jì)算出研究點(diǎn)處的風(fēng)浪強(qiáng)度;3）以風(fēng)浪強(qiáng)度作為外荷載輸入，基于FAST計(jì)算出單樁海上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)響應(yīng);4）基于ANSYS計(jì)算出支撐結(jié)構(gòu)屈曲承載力;5）根據(jù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)概率分布曲線和承載力概率分布曲線計(jì)算出風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)（塔筒及樁基）的損壞概率。