海上風電單樁基礎抗冰錐結構研究

劉聰斌

摘要：作為一種具有一定高度的柔性支撐結構，海上風機單樁基礎很容易受到海冰的負面影響，進而威脅到風機的安全運行。基于此，必須研究一種具有抗冰能力的單樁基礎結構。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計，結合以往項目的成功經驗對海上風電單樁基礎抗冰錐結構進行探討及研究，希望可以為海上風電工程項目建設提供一定的幫助。

關鍵詞：海上風電；單樁基礎；冰荷載；抗冰錐結構

近幾年來，我國海上風電發展十分迅猛，天津、河北、遼寧、山東等省相繼開工建設多個風電項目。在我國北方海域，臺風等自然災害對風電機組的影響較小，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電單樁基礎，產生復雜敏感的動態響應行為，影響到風機的穩定運行。基于此，為了有效的提升單樁基礎的使用效率及壽命，為其建構一種能夠抵抗海冰作用的結構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構物設計的控制荷載，在海上風電工程項目設計建造的過程中，海冰對單樁基礎結構的擠壓沖擊，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海冰的力學性質

首先，海冰的壓縮強度。海冰在很多結構物前的破壞都會表現為擠壓破壞，尤其是對于直立的抗冰結構，壓縮強度是海冰的重要物理性質，近些年來針對海冰和結構物相互作用的研究大部分都是從該力學性質入手。結合大量的測量試驗結果來看，海冰壓縮強度的影響參數主要包括兩類，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相關。

其次，海冰的拉伸強度。海冰所能承受的最大拉伸應力即是其拉伸強度，這是一種反映海冰抗拉強度的力學參數，拉應力是導致海冰出現裂紋的主要原因。海冰的拉伸強度和很多參數都存在緊密聯系，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。結合現有的測量分析數據來看，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相關。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構物，二者之間會產生相互作用，若結構物的強度不足，就會被冰排破壞。若其強度較大，冰排則會被切割，同時使結構物出現強烈的振動。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破碎。其二，壓屈破壞，大面積冰排和結構物接觸，冰排因受壓而失穩，在樁柱前隆起后破壞。其三，縱向剪切破壞，冰排剪應力達到強度極限，產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構物接觸時，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，冰排與結構物之間產生的相互作用也存在著較大的差異。

結合上述內容，冰排在接觸到結構物時會產生擠壓、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，可以通過合理的結構形式設計將海冰變為彎曲破壞，這樣就可以大幅度的削弱海冰產生的負面作用。

2海上風電場單樁基礎抗冰結構的研究

當前階段，我國已經頒布的和海上導管架平臺結構設計相關的規范性文件包括《海上固定平臺入級和建造規范》、《中國海海冰條件及應用規定》、《淺海鋼質固定式平臺結構設計規定》等，基本上未涉及到海上風電基礎抗冰設計的內容。因此，在進行海上風場結構基礎抗冰設計的過程中，設計人員大多都是參考海洋石油平臺的設計理念。

錐型結構是現階段抗冰設計中最常用的一種結構形式，想要使其作用得到充分的發揮，必須要對錐面冰荷載和單樁基礎的安全作用進行深入的分析。借助錐型結構能夠將冰排以彎曲的形式破壞，從而將冰荷載壓縮到最低。

根據我國海上石油平臺抗冰設計的理念和經驗，在項目所處海域的潮位變化區間加設錐型體結構是最有效的方法，在單樁基礎上加設錐型體結構，能夠在單樁基礎與海冰接觸時將海冰的破壞形式由擠壓破壞轉變為彎曲破壞，從而削弱海冰施加在單樁基礎結構上的荷載，同時降低冰激振動對海上設備運行穩定性產生的影響，及對海上人員帶來的不適感。

海上風電單樁基礎采用的錐體結構通常是由兩個圓錐體對接構成的正、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、潮差大小等參數相關。當海水水位處于平均水位之下時，海冰會作用于倒錐體，冰排出現表面彎曲破壞。當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，就可以設計出高度合理的正、倒錐組合體。

在設計過程中可以參考以下設計參數：冰錐標高，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高滿足錐體高度完全覆蓋冰磨蝕區的要求。冰錐角度，錐結構起到的抗冰效果很大程度上取決于冰錐角度，結合大量的試驗數據來看，當冰錐角度處于50°～65°之間時，能夠獲得最優異的抗冰作用效果。冰錐高度，考慮到冰在錐面上的運動，應將冰爬升/堆積高度和施工測量等方面的誤差進行綜合考慮。

抗冰錐中各個構件的精確尺寸及所選用材料的強度等級必須經過有限元分析計算校驗，并滿足構造要求后才能確定。同時，還應考慮到錐結構制作過程中，錐殼內部設置徑向肋板，肋板端部和抗冰錐套筒以及水密隔板之間應該采取何種焊接的方式。此外，錐體直徑設定必須滿足電纜管、灌漿管線、靠船結構等相關附屬設施的布置需求。若是遇到附屬設施需要穿過抗冰錐結構的情況，應在其內部設置加強環，避免結構上存在圓孔或凹槽影響到其穩定性。為了防止冰堵塞問題的發生，錐體上的附屬設施應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提供極大的便利。

3結語

綜上所述，為了有效防止海冰可能會對海上風電單樁基礎結構造成的破壞，應該將抗冰錐結構應用其中，通過其與海冰的相互作用，將擠壓破壞形式轉變為彎曲破壞形式，已達到降低冰荷載及冰激振動強度的目的。同時由于我國相關規范并不完善，因此在抗冰錐結構的設計過程中，應合理的參考海洋石油平臺抗冰錐結構的設計理念和方法。

參考文獻：

[1]陳立. 海上風電單樁基礎抗冰錐結構設計[J]. 水力發電，2018，44（09）：93-96.

（作者單位：華電曹妃甸重工裝備有限公司）