裝配式SEMI型浮式筒型基礎抗波浪穩定性

王 悅，付茜雅，何文坤，李鵬飛，韓粟宇，王 輝

（1. 北方工業大學 土木工程學院，北京 100144；2. 江蘇巨鑫石油鋼管有限公司，江蘇 揚州 225004；3. 重慶交通大學，重慶 400074）

0 引 言

海上風力發電產生的能源是無污染的可再生能源，目前國際上多采用固定基礎結構進行海上風力發電。近些年，隨著海上風電的規模不斷擴大，為得到良好的收益，通常將風電場建設在深海區。從經濟性和技術可行性的角度看，深海風電浮式基礎的抗波浪穩定性問題是必須解決的關鍵問題。

浮式風電基礎主要分為張力腿式平臺（Tension Leg Platform, TLP）結構基礎、單柱式平臺（Spar）結構基礎和半潛式平臺（Semi-Submersible, SEMI）結構基礎等3種。近年來，各國學者已針對海上浮式結構物的穩定性開展很多試驗研究和數值分析，但仍存在很多問題[1]。

1) 在試驗研究方面：Principle Power公司和Hydro Oil & Energy[2]進行了縮尺比例的模型試驗研究；Principle Power公司[2]對浮式風電的概念進行了模型試驗測試；緬因州大學[3]在荷蘭MARIN水池開展了一項名為DeepCwind的模型試驗項目，對Spar、TLP和SEMI型平臺的水動力性能進行了比較；DUAN等[4]研究了Spar式浮式風機與SEMI型浮式風機的耦合動力性能，結果發現，平臺的縱搖運動與縱蕩運動的耦合程度較大，塔架頂部的彎矩主要取決于一階振蕩分量；DUAN等[5]對Spar式浮式風機的渦激運動進行了分析，結果發現，風荷載對渦激運動有明顯的抑制作用，橫蕩方向鎖定現象的出現時間相對早于縱蕩方向；WAYMAN等[6]對TLP與駁船平臺進行了對比，結果表明，TLP更適用于深水環境；BACHYNSKIE等[7]對TLP式浮式風機進行了研究，試驗結果表明，TLP式浮式風機受固有頻率和剛度變化的影響較大，受直徑、水深和浮筒半徑的影響相對較小。

2) 在數值分析方面：葛沛[8]對TLP進行了靜態分析，推導出了平臺和張力腿在六自由度方向上的回復剛度；JEON等[9]對Spar式浮式風機在非規則波激勵下的動態響應進行了分析；馬鈺[2]運用頻域勢流理論對OC3-Hywind Spar浮體進行了頻域水動力性能計算，并應用整體時域計算程序對風機進行了整體動力響應計算，分析了風浪載荷對系統動力響應性能的影響。

為探討裝配式SEMI型風機基礎的工作特性，在以上研究的基礎上，設計適應作業現場的結構形式并開展室內模型試驗研究，通過數值模型和室內模型對這類結構進行大量變動參數分析，得到波浪與風機耦合狀態下結構的工作機理，獲得裝配式SEMI型浮式基礎的設計和分析理論。

國內外學者對浮式基礎的試驗研究多集中于Spar式浮式基礎和TLP式浮式基礎上，對結構形式簡單、施工安裝易行的SEMI型浮式基礎的研究相對較少。已有研究多是針對SEMI型浮式基礎進行傳統的頻域分析和時域分析，對其波浪穩定性的研究較少[10]。因此，本文對SEMI型浮式基礎的穩定性進行試驗研究和理論分析。

1 裝配式SEMI型浮式基礎模型抗波浪穩定性試驗

1.1 浮式基礎模型設計和制作

目前研究的SEMI型浮式基礎大都采用浮筒組合的結構形式[11]，該結構形式會影響浮式結構的穩定性，因此本文選擇四浮筒三角形式。模型尺寸參考Tri-Floater的參數選取，浮筒等主要結構的尺寸按 20:1的縮尺比確定，對部分與穩定性關系不大的構件進行刪減或大比例縮尺。浮式基礎原型與試驗模型參數對比見表1。

表1 浮式基礎原型與試驗模型參數對比

筒形基礎通過向鋼筒內澆筑混凝土制作，混凝土澆筑體積約為鋼筒體積的1/3；塔柱采用鋼管模擬；桁架采用鋼管與扣件拼接成的三角形式浮式平臺縮尺模型見圖1。

1.2 浮式基礎模型抗波浪穩定性試驗方法

在重慶交通大學船舶學院水動力實驗室進行等效波浪荷載下的穩定性試驗。造波池寬19m，長26m，試驗時放水深度55cm；采用搖板造波機制造規則波，波高分別為5cm、10cm和15cm，周期為1.5s，每段波持續3min。試驗初始階段，浮筒由靜止狀態突變為運動狀態，此時數值波動規律與穩定之后的波動規律有所不同，相對較大，因此數據采集從第二分鐘開始。采用VIC-3D系統對結構上的標識點進行位置跟蹤，將標識點運動數據導入主機軟件中；以垂直波浪前進方向x、波浪前進方向y和高度方向z為基準建立三維坐標系，根據兩標識點的連線在運動前后形成的夾角和標識點的運動范圍等參數評估結構在波浪荷載作用下的穩定性。圖2為波浪荷載模擬試驗示意和試驗實景。

圖1 四浮筒三角形式浮式平臺縮尺模型

圖2 波浪荷載模擬試驗示意和試驗實景

2 抗波浪穩定性試驗結果與分析

2.1 塔柱傾角分析

塔柱傾角包含塔柱在波浪前進方向上的投影與z軸的夾角α、塔柱在垂直波浪前進方向上的投影與z軸的夾角β和空間夾角γ。對試驗中追蹤的各時刻塔柱頂端和底端的標識點位置坐標進行計算，空間夾角計算原理圖見圖3。塔柱傾角分析結果見圖4。空間夾角是指塔柱頂端標識點在各時刻與原始坐標點相比，塔柱前后形成的直線在空間坐標系下的夾角；采集次數是指非接觸測量系統對標識點坐標數據進行采集的累計頻次；角度差是指相鄰的數據采集時刻，標識點塔柱傾角的角度差值，用來衡量塔柱傾角的變化幅度。

浮筒運動期間，上表面邊緣在浮筒運動時未淹沒至水下即為穩定，經測量可得4個浮筒的入水深度平均值約為30cm，露出水面部分約為40cm，傾覆時角度約為28°。

當波高為10cm時：塔柱沿波浪前進方向的夾角范圍為-16°～25°，空間夾角與波浪方向夾角的變化趨勢相同，最大角度差為25°；塔柱與垂直波浪前進方向的夾角最大約為3°。當波高為15cm時，塔柱與波浪前進方向的夾角范圍為-17°～26°，比10cm波高時略大，但整體結構的運動并沒有明顯加劇，最大角度差為33°，比10cm波高時增大8°，此時浮筒上表面邊緣與水面之間還有一定的安全距離。當波高為20cm時，振動幅度加劇，在數據采集范圍內，相鄰觀測點的最大角度差為35°，比10cm波高時增大2°，且15°的角度差頻繁出現，整體表現為塔柱的前進方向與波浪方向的夾角在-23°～26°范圍內晃動，范圍比15cm波高時大。垂直波浪前進方向最大角度為8°，比10cm波高時增大5°，但整體上看，該結構較為穩定，在3種波浪下的運動并不劇烈。

2.2 塔柱頂點投影區域分析

浮式筒型基礎的塔柱在規則波作用下的運動區域可反映浮式基礎的運動狀態，從而衡量其在波浪荷載作用下的穩定性。利用分析塔柱夾角時建立的三維坐標系，將標識點1的初始坐標轉換為坐標原點，并采用相同的方法對相同時刻下的所有標識點進行坐標轉換。在試驗過程中，塔柱的運動會使坐標原點發生變動，通過消除剛體位移，保證標識點1的坐標始終為坐標原點，對各時刻消除剛體位移之后的標識點0的坐標進行垂直投影處理，在平面內考察其運動區域，塔柱頂點運動區域投影對比見圖5。

圖3 空間夾角計算原理圖

圖4 塔柱傾角分析結果

圖5 塔柱頂點運動區域投影對比

從圖5中可看出，隨著波高的增大，塔柱頂點的運動區域增大。當波高為10cm時，浮式筒型基礎的塔柱頂點的運動范圍為0～200mm，沿垂直波浪前進方向的運動范圍為-20～30mm；當波高為15cm時，塔柱頂點的運動范圍為-100～200mm，沿垂直波浪前進方向的運動范圍為-15～30mm；當波高為20cm時，塔柱頂點沿波浪前進方向的運動范圍為-50～200mm，沿垂直波浪前進方向的運動范圍為-20～60mm。

2.3 結構運動幅值分析

波高固定為15cm，波浪周期取0.5～3.2s，從0.5s開始，每造波1次，波浪周期增加0.3s，共有10種波頻。試驗得到各波頻下沿波浪前進方向和垂直波浪前進方向的運動范圍，對其運動幅度的峰值進行提取，得到結構在各波頻下沿波浪前進方向（縱蕩）和垂直波浪方向（橫蕩）的運動幅值（見圖6）。

圖6 不同波頻下結構運動幅值

從圖6a中可看出：當波浪周期為0.5s時，結構的運動幅值為260mm；當波浪周期由0.5s變化到1.4s過程中，結構的縱蕩運動幅值逐漸增大，到1.4s時達到峰值，最大縱蕩運動幅值為350mm，這與塔柱運動區域投影的結果相吻合；在1.4s之后縱蕩運動幅值迅速下降，當波浪周期為2.0s時，結構的縱蕩運動幅值為280mm，與0.5s時的運動情況大致相似，隨后縱蕩運動逐漸變緩，到3.2s時縱蕩運動幅值為121mm。從圖6b中可看出：當波浪周期為0.5s時，結構的橫蕩運動幅值為43mm，隨后逐漸增大，到1.4s時達到峰值73mm；1.4s之后，結構的橫蕩運動迅速放緩，2.3s時橫蕩運動幅值為36mm，3.2s時橫蕩運動幅值為18mm，此時結構的橫蕩運動已非常緩和。

試驗結果表明，模型結構的運動周期在1.4～1.6s，對于波浪周期在該范圍內的水域，其各方向的運動將達到峰值，為防止結構在波浪動載荷作用下發生共振，試驗時避開了部分頻率。在實際工程中，應在結構中設置相關自動設備，改變結構自振周期，避免發生共振。

3 浮式筒型基礎結構水動力分析

3.1 頻域分析

采用水動力分析軟件AQWA進行頻域分析，AQWA是一套集成模塊，主要用于對各種結構的流體動力學特性進行評估分析[12]。本文采用Graphical Supervisor模塊進行頻域分析，主要包括浮式基礎結構在6個自由度方向上的運動，即橫搖roll(x)、縱搖pitch(y)、艏搖yaw(z)、縱蕩surge(x)、橫蕩sway(y)和垂蕩heave(z)。以三筒三角形結構形式為例，給出其6個自由度的運動方向示意（見圖7），本文所述四筒三角形的6個自由度的運動方向與此一致。

3.2 水動力分析模型建立

采用ANSYS建立四筒三角形結構中4個浮筒的面元模型，試驗模型尺寸如表1所示；在AQWA中采用Morison單元建立支撐管架模型，并將其附加在浮筒模型上，結果見圖8。

圖7 三筒三角形結構6個自由度運動方向示意

圖8 浮筒基礎AQWA計算模型

3.3 實驗室模型頻域響應計算結果

基于在實驗室對不同波頻下結構的運動幅值響應進行試驗時的波浪頻次，對頻次進行補充，取波浪周期為0.5～4.7s，進行波浪掃頻，逐級增加0.3s，對四筒三角形形式結構的縱蕩和橫蕩運動情況進行分析，并將所得結果與試驗結果相對比，結果見圖9和圖10。

圖9 實驗室模型縱蕩與頻域分析縱蕩對比

圖10 實驗室模型橫蕩與頻域分析橫蕩對比

由圖9和圖10可知，四筒三角形模型結構在不同波頻下的橫蕩運動幅值和縱蕩運動幅值與頻域分析結果的變化趨勢大致相同。頻域分析采用的波浪周期數據比試驗時要多，可更好地分析其頻域響應規律。總體來看，頻域分析結果與試驗數據稍有差異，但考慮到試驗誤差和數據采集偏差，兩者結果較為相近，可認為模擬方法正確，驗證了構建的模型和選用的模擬方法的可靠性，有助于后續開展浮式基礎風電平臺水動力響應研究。

4 結 語

本文基于SEMI型浮式基礎結構的設計方法設計了一種四筒三角形浮筒組合，并選用該組合形式制作了縮尺比為20:1縮尺的浮式基礎風電平臺模型。利用VIC-3D系統對結構上的標識點進行了位置跟蹤，記錄了變動過程，分析了塔柱傾角、塔柱頂點投影區域和結構運動幅值。通過分析，主要得出以下結論：

1) 四筒三角形浮式基礎風電平臺較為穩定，在3種波浪下的運動并不劇烈。

2) 在實驗室模型中，模型的運動周期為1.4～1.6s，對于波浪周期在該范圍內的水域，模型各方向的運動將達到峰值，實際工程中，應在結構中設置相關自動設備，改變結構的自振周期，避免發生共振。

3) 采用AQWA軟件建立了浮式基礎風電平臺模型，選用Graphical Supervisor模塊對浮式基礎風電平臺在不同波頻下的頻域響應進行了數值模擬，模擬結果與試驗數據吻合度較高，驗證了構建的模型和選用的模擬方法的可靠性。該數值模擬計算結果可供浮式基礎風電平臺的水動力響應分析參考。