海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳 立

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海200434)

0 前 言

渤海及黃海北部海域風(fēng)能儲備密度大，秦皇島、曹妃甸、蓬萊等一系列環(huán)渤海地區(qū)，均已成為我國“十三五”海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部署的重要組成部分。然而，在渤海及黃海北部海域冬季，伴隨巨大風(fēng)能儲備的是大面積的海冰作用威脅和低溫凍結(jié)威脅。目前，我國已建立的海上風(fēng)電場多針對無冰海域，對于有冰海域的海上風(fēng)電場建設(shè)尚缺乏經(jīng)驗。大量的工程顯示，海冰會對海洋結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)生巨大的危害。1969年渤海發(fā)生特大冰封，巨大的海冰直接將矗立在海上的“海二井”石油平臺推倒，造成了建國以來最大的由于海冰導(dǎo)致的石油平臺事故。多年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，渤海及北黃海冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)(特別是海洋石油平臺結(jié)構(gòu))一直受到海冰的影響，2000年錦州20-2MSW平臺在海冰的強烈作用下，平臺上的放空管因劇烈晃動而斷裂，導(dǎo)致了天然氣泄漏事故[1-2]。放眼全球，阿拉斯加庫克灣的采油平臺[3- 4]、北歐的Bothnia灣燈塔[5]等冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)都不同程度地遭到過海冰的破壞。因此可以說，海冰是關(guān)乎海洋結(jié)構(gòu)安全的全球性問題。

海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)作為一種高聳的柔性結(jié)構(gòu)，較之傳統(tǒng)的海洋工程結(jié)構(gòu)，在海冰的作用之下，會產(chǎn)生更加敏感和復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)行為。本文基于渤海及北黃海海域海上石油平臺的抗冰錐設(shè)計理念，給出了單樁基礎(chǔ)的抗冰錐設(shè)計方法，并針對北黃海某一海上風(fēng)電工程，詳細研究了該工程海域的海冰冰情，采用本文的方法對抗冰錐體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并利用ANSYS有限元軟件建立能夠反映所設(shè)計抗冰錐體實際體形的三維有限元分析模型并進行強度校核。

1 錐體結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計

1.1 錐體結(jié)構(gòu)抗冰原理

通常情況下，冰排在結(jié)構(gòu)物前可能產(chǎn)生擠壓、壓屈、剪切、彎曲等破壞形式，由于海冰的彎曲強度遠遠小于其抗壓強度，因此，采用合適的結(jié)構(gòu)形式將使得海冰變?yōu)閺澢茐模梢源蟠鬁p小海冰的作用力。對于直立樁而言，在樁身潮位附近加裝錐體結(jié)構(gòu)，冰與錐體在相互作用時能夠?qū)⒑１钠茐哪Ｊ接蓴D壓破壞改變?yōu)閺澢茐模梢允沟煤１饔迷诮Y(jié)構(gòu)上的荷載大大降低。這種觀點已經(jīng)得到了理論和室內(nèi)試驗的驗證[6-7]，許多原型抗冰結(jié)構(gòu)在冰作用面也被設(shè)計成錐面形式[8-9]。

此外，柔性結(jié)構(gòu)在海冰動力作用下，通常會產(chǎn)生一定幅值的振動，被稱為冰激振動。在特定冰況下，受結(jié)構(gòu)運動的影響，海冰擠壓破壞穩(wěn)定在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間，形成與結(jié)構(gòu)固有頻率“鎖定”的“鋸齒形”冰力，現(xiàn)場觀測和模型試驗均發(fā)現(xiàn)，冰力作用下結(jié)構(gòu)的振動存在“頻率鎖定”現(xiàn)象。已有的研究成果表明，我國渤海及黃海北部的海冰特征所導(dǎo)致的冰激振動問題比極區(qū)國家更加突出，強烈的穩(wěn)態(tài)加速度振動會影響設(shè)備運行和導(dǎo)致人員感受不適[10]，而大量的試驗與現(xiàn)場監(jiān)測也表明，當結(jié)構(gòu)上增加錐體結(jié)構(gòu)后，冰激振動的危害會大大降低[11]。

1.2 海上風(fēng)場單樁抗冰設(shè)計

現(xiàn)階段，我國有關(guān)海上導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范主要有《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》、《淺海鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造技術(shù)規(guī)范》、《渤海海域鋼質(zhì)固定式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》、《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》等，還沒有針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)的抗冰設(shè)計規(guī)范或者指導(dǎo)文件。目前對于北方海上風(fēng)場結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的抗冰設(shè)計也是主要參考海洋石油平臺的設(shè)計理念，選擇可靠的抗冰工程措施。

因此，借鑒海上石油平臺的抗冰設(shè)計經(jīng)驗，在單樁上加裝錐體結(jié)構(gòu)進行抗冰，選擇的單樁基礎(chǔ)抗冰錐由正、倒錐組合體一般由兩個圓錐體對接構(gòu)成，如圖1所示。針對這樣的海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)抗冰錐，列出幾個主要的設(shè)計參數(shù)如下[12]：①冰錐標高。海冰與錐體作用位置隨潮位而變化，冰錐的上下標高要使得錐體的高度能夠完全覆蓋冰磨蝕區(qū)。②冰錐角度。冰錐角度決定了抗冰的作用效果，大量試驗表明，冰錐錐角在50°～65°時效果較好。③冰錐高度。考慮冰在錐面上的運動，在冰錐設(shè)計時，除了冰磨蝕范圍，還要結(jié)合冰的爬升/堆積高度和施工、測量等方面的誤差綜合考量。冰錐的角度與高度確定后，冰錐的直徑也隨之確定。

圖1 抗冰錐結(jié)構(gòu)示意

冰錐的各個構(gòu)件的厚度需要通過計算校驗其強度，并滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求。除此之外，設(shè)計需要考慮抗冰錐制作時，錐殼內(nèi)部設(shè)徑向肋板，肋板端部與風(fēng)機鋼管樁及水密隔板焊接。錐體直徑應(yīng)充分考慮電纜管、靠船件、灌漿管線(如有)、犧牲陽極等其他附屬設(shè)施的布置要求，當有附屬設(shè)施穿過時，錐體處開有圓孔或凹槽，內(nèi)部設(shè)置加強環(huán)。綜上，單樁結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 海上風(fēng)電單樁抗冰錐設(shè)計流程

2 某海上風(fēng)場抗冰錐結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工程簡介

某海上風(fēng)電場項目位于遼寧省莊河市石城島東側(cè)、黑島電廠南側(cè)近海海域，場址中心距離岸線約22 km。風(fēng)場主要采用單樁基礎(chǔ)形式，該工程場址區(qū)域基礎(chǔ)水深平均海平面下約16～26 m。該風(fēng)場3 MW單樁基礎(chǔ)方案擬采用一根直徑為D5 500～5 800 mm鋼管樁打入海底基床深處，樁頂高程12.00 m。鋼管樁樁身外掛靠船設(shè)施、鋼爬梯及休息平臺、電纜J形管等。

工程海域潮汐屬規(guī)則半日潮。此海域各月平均潮差、最大潮差及最小潮差無明顯的季節(jié)變化規(guī)律，冬季的最大潮差約有7 m。

2.2 海域冰情

風(fēng)電場附近海域冰情狀況見表1。

結(jié)合海冰規(guī)范Q/HSn 3000—2002《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)范》，風(fēng)場位于規(guī)范中18冰區(qū)內(nèi)，50年一遇冰厚33.2 cm。冰的物理力學(xué)性質(zhì)參考《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)范》執(zhí)行。

表1 工程附近海域冰情狀況

2.3 單樁抗冰錐主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

擬選擇的抗冰錐的結(jié)構(gòu)為：在樁腿上的冰磨蝕區(qū)安裝正、倒錐組合體抗冰結(jié)構(gòu)。根據(jù)潮差計算冰磨蝕區(qū)的范圍，抗冰錐圓管環(huán)的位置設(shè)置于0.25 m高程處；根據(jù)所算的冰蝕區(qū)范圍，考慮冰排一定的爬高，整個抗冰錐高約7.5 m。上下錐對稱布置，錐角約為60°。為了便于單樁基礎(chǔ)安裝施工，抗冰錐設(shè)計為一個后灌漿套筒形式，在主體鋼管樁沉樁結(jié)束后，將冰錐套筒通過高強灌漿料后灌漿，使之與鋼管樁結(jié)構(gòu)成為一個整體。抗冰錐結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)設(shè)計

抗冰錐體結(jié)構(gòu)采用Q345E級鋼建造，抗冰錐體結(jié)合部設(shè)有水密隔板和圓管環(huán)，將抗冰錐體分隔為上、下兩個獨立的水密室。錐殼內(nèi)部設(shè)徑向肋板，肋板端部與導(dǎo)管架主腿及水密隔板焊接。錐殼板、水密隔板和肋板之間的連接均以圓管環(huán)為過渡構(gòu)件。J形管等附屬設(shè)施在錐體上的布置間隔勻稱，避免出現(xiàn)冰堵塞，且便于抗冰錐體的建造。在主體及其他構(gòu)件形式基本確定后，需要對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，確定各構(gòu)件尺寸。

2.4 抗冰錐體強度校核

2.4.1 有限元計算模型

根據(jù)設(shè)計出的抗冰錐結(jié)構(gòu)，利用ANSYS有限元軟件建立了反映實際尺寸的三維有限元分析模型，抗冰錐單樁基礎(chǔ)有限元模型共有102 424個節(jié)點，114 399個單元。冰錐的結(jié)構(gòu)包括外部套筒、上下錐面、肋板、水密隔板、隔板、圓管環(huán)等部分組成，抗冰錐錐面鋼結(jié)構(gòu)冰蝕裕量取5 mm。

計算考慮3MW風(fēng)機基礎(chǔ)風(fēng)機荷載，作用在塔架底端。參考DNV-OS-J101∶2014《Design of offshore wind turbine structures》、《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)以及JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定的荷載分項系數(shù)及抗力系數(shù)求得冰荷載，并對設(shè)計高至設(shè)計低水位之間的各個水位工況進行抗冰錐結(jié)構(gòu)的強度校核。

2.4.2 結(jié)果及分析

為了保證抗冰錐體結(jié)構(gòu)滿足要求，需要進行大量的試算工作，這里給出大量調(diào)試后最終的計算結(jié)果。表2給出了各個構(gòu)件的最大Von-Mises應(yīng)力值及發(fā)生的部位。從表2可以看出，結(jié)構(gòu)的錐面板產(chǎn)生的應(yīng)力較大，其他構(gòu)件Von-Mises應(yīng)力值均小于130 MPa。圖4給出了從設(shè)計高水位到設(shè)計低水位作用下，抗冰錐體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值。從圖4可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在設(shè)計高水位位置，最大值為318 MPa，由于肋隔板的設(shè)置，有效地減小了抗冰錐表面的應(yīng)力。

表2 冰荷載作用下抗冰錐結(jié)構(gòu)Von-Mises應(yīng)力最大值

圖4 抗冰錐最大應(yīng)力與海冰作用高程關(guān)系

在冰力作用下，抗冰錐主要體現(xiàn)冰荷載導(dǎo)致的局部應(yīng)力較大，風(fēng)機荷載對抗冰錐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較小，抗冰錐結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的部位位于兩肘板的中間。綜上，本文提出的抗冰錐結(jié)構(gòu)強度能夠滿足要求。

2.5 抗冰錐最終結(jié)構(gòu)

根據(jù)前述有限元計算結(jié)果，工程擬設(shè)計的抗冰錐結(jié)構(gòu)尺寸為：正、倒錐殼板采用25 mm鋼板，上下堆成布置；肋板采用20 mm鋼板，沿抗冰錐面板共設(shè)18道(20°/道)；圓環(huán)管采用φ159 mm×16 mm的圓管，圓管環(huán)與抗冰錐套筒之間設(shè)置一道25 mm厚水密隔板；上下錐面內(nèi)側(cè)各設(shè)置3道16 mm厚肋隔板。考慮到結(jié)構(gòu)的靠船、施工安裝等附屬構(gòu)件，擬采用的抗冰錐結(jié)構(gòu)最終設(shè)計效果如圖5所示。

圖5 單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)設(shè)計效果

3 結(jié) 論

本文借鑒海洋石油平臺的抗冰錐設(shè)計方法，給出了海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的設(shè)計方法，并對我國北方的某海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計的抗冰錐結(jié)構(gòu)能夠抵御工程海域各個潮位的海冰，并且強度能夠滿足要求。目前，對于有冰區(qū)域海上

風(fēng)機的抗冰研究還較少，為了更好地進行單樁結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計，需要繼續(xù)開展海域冰情的調(diào)查與搜集、相關(guān)規(guī)范或標準的編寫、冰荷載的計算、抗冰錐的優(yōu)化、其他抗冰工程措施等研究工作。