海上風機高樁承臺基礎船舶碰撞動力分析

陸南辛，祝周杰

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州311122）

高樁承臺基礎是一種常見的海上風電機組基礎形式，其具有結構安全性能高、抗水平荷載能力強、施工工藝相對成熟和造價較低等優點[1]，在水深10～30 m、表層土體工程性狀較差的區域，得到廣泛采用。我國目前海上風電開發主要集中在近海（離岸50 km以內）海域，這部分海域港口碼頭建設和航運高度發展，大量船舶往返。風機基礎一旦遭受船舶撞擊，不僅會造成建設方的發電量損失，甚至還有可能出現結構破壞，造成重大傷亡。對于高樁承臺基礎而言，由于其結構的特性，如果發生船舶碰撞，承受撞擊的往往是單根較細的鋼管樁，相對其他風機基礎形式，受損的風險更高。

目前國內海上風電開發現處于興起階段，雖然項目眾多，但是由于技術相對歐洲海上風電開發起步較晚，尚未成熟，對應的海上風機基礎船舶碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標準規范可供參考。Gary R Consolazio等[2]利用ADINA有限元程序對駁船撞擊圓形墩和方墩進行了仿真計算，并將計算結果與AASHTO規范進行比較；劉建成等[3]運用非線性有限元程序仿真模擬，分析了長江上油輪與懸索橋梁的碰撞，通過模擬分析，得出了船舶、橋梁、橋面等主要結構的碰撞力與時程的關系；王自力等[4]基于數值仿真的技術的理論研究，對船舶發生碰撞的受力過程進行了有限元仿真模擬，分析了船舶碰撞過程中的動力學特性。

本文對船舶與海上風機高樁承臺基礎相互碰撞的研究，借鑒了高樁梁板式碼頭、橋梁橋墩方面的部分研究經驗[5]。基于ANSYS/LS-DYNA 軟件，通過數字化建模及數值仿真計算，分析了船舶與風機高樁承臺基礎碰撞力的過程和規律，以及高樁承臺基礎受撞擊后的結構響應，從而為海上風機高樁承臺基礎設計、維護、防撞措施等提供理論上的支持。

1 基本理論

1.1 經驗公式

船舶與結構之間的撞擊力的計算主要還是來源于經驗公式。現在對于海上風機的撞擊力研究還很少，經驗公式主要借鑒橋梁、海洋平臺的船橋碰撞經驗公式。目前國外主要的經驗公式總結如下。

（1）Woisin公式

德國Woisin教授于20世紀70年代通過進行縮比后船舶模型試驗，分析24艘不同船舶船型，總結出船舶與橋墩撞擊過程中有效撞擊力的經驗計算公式。

式中：Pt為時間平均有效撞擊力（MN）；Pmax為有效最大撞擊力（MN）；Pm為平均撞擊力（MN）；DWT為船舶的載重量（t）。

（2）AASHTO規范公式[6]

美國聯邦公路與運輸協會指導規范與美國公路橋梁規范是基于Meir-Dornberg理論基礎，提出的指導規范。Meir-Dornberg理論主要通過落錘來模擬船舶與結構物的碰撞，總結了船橋碰撞中碰撞荷載的經驗公式。公式中主要包含了兩個方面，一是上述船舶撞擊的撞擊力預測，另外一部分是船舶的撞擊的風險評估內容。

在AASHTO規范中，船舶與剛性橋墩的碰撞荷載可以按照如下經驗公式計算。

式中：Ps為船舶碰撞荷載等效靜力荷載（MN）；V為撞擊時速度（m/s）。

在美國公路橋梁設計規范中，船舶與橋墩的平均撞擊力可以按照如下經驗公式進行計算。

式中：F為撞擊力（MN）；V為撞擊時速度（m/s）。

船舶最大撞擊力與船舶的剛度是有密切關系，船舶剛度會導致最大撞擊力有一定幅度變化。

（3）歐洲規范公式[7]

Eurocode是歐洲在1999年制定的統一規范。其中對于船舶撞擊力的規定如下：

式中：K為撞擊體的等效剛度，此處是指船舶剛度，對于內河航道船舶K=5 MK/m；遠洋船舶，K=15 MN/m；V為撞擊體撞擊時速度（m/s）；M為撞擊體的質量（t）。

北歐公共道路管理局和挪威公共道路局分別規定了船舶與橋梁碰撞中等效靜態碰撞力的計算公式，其中，北歐公共道路管理局規定：

式中：P為等效碰撞力（MN）。

挪威公共道路局規定：

式中：P為等效碰撞力（MN）。

此外，我國《鐵路橋涵設計基本規范》、《公路橋涵設計通用規范》及《港口工程荷載規范》也有相應的經驗公式可以參考。

1.2 理論數值方法

數值解法的理論基礎是船舶撞擊理論，并在其撞擊理論基礎之上運用有限元的方法進行了發展和細化，船舶碰撞的數值方案最初是運用于船舶與船舶之間，進而擴展到船舶與橋梁碰撞當中。值得注意的是，在船舶撞擊的數值方法中，對于非線性有限元法的運用是經過了合理的簡化的，簡化方法是對于實際分析過程中的模型進行了精度縮減，采用了比較粗糙的網格單元，同時對與較復雜的模型結構采用了理想化的假設。因此，數值分析同時也是計算機模擬仿真的基礎。

1.3 有限元動力仿真法

在工程實際中，模型試驗是最為廣泛的研究方法之一，其缺點在于模型試驗的工程代價較高，對于模型的縮放比例、模型的精細化程度、試驗場所等都會對試驗結果有著不同程度的影響，制約性因素較多。隨著計算機功能和計算能力的快速增長，有限元模擬仿真在越來越多的工程中得到了運用，并且其有效性和可靠性已經在眾多研究項目中得到了很好的驗證。對于海上風電而言，在工程設計和研究中，利用有限元進行模擬風機基礎已經是較為成熟的做法。通過仿真分析，可以計算出時域中船舶的變形以及碰撞能量，同時也能提取風機基礎結構相應的位移、應力、損壞情況等一系列有效信息。基于對整個系統作用時程中，碰撞過程中的數據提取和分析，可以對船舶—風機高樁承臺基礎的整個碰撞過程進行較好的描述[8]。相對于模型試驗，有限元仿真在試驗邊界條件的固定、調整、對比分析方面具有不可替代的優勢。

2 有限元模型建立及分析工況說明

本文以我國東南某海上風電場高樁承臺基礎為原型。基礎由8根鋼管樁斜向打入海床底部以提供結構整體承載能力，鋼管樁采用Q345C型鋼材，樁徑均為2.0 m，樁長為97.0 m。樁頂嵌入承臺以實現樁基和混凝土承臺剛性連接，樁頂端小段內樁內填芯混凝土以利于混凝土承臺與基樁受力傳遞。承臺結構如圖1所示。

圖1 風機高樁承臺結構示意圖

2.1 模型基本假設

本文采用LS_DYNA進行仿真分析[9]，該程序是全球著名的通用動力分析程序。

2.1.1 單元類型及材料模型 由于高樁承臺風機基礎結構復雜，在建模過程中涉及眾多單元類型，模型主要部分的單元類型及材料模型見表1。

表1 模型單元及材料

鋼樁采用雙線性彈塑性材料，如圖2所示。材料彈模為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為3.00×108Pa，硬化模量為2.1×108Pa，橡膠護舷采用Mooney-Rivlin不可壓縮橡膠模型，這種橡膠模型適應的應變范圍在30%～200%，材料模型特性和參數如圖2和表2所示。

圖2 雙線性材料模型

表2 Mooney-Rivlin材料參數

本文中護舷采用半圓形包覆橡膠護舷形式，保護范圍為船舶撞擊點上下各2.5 m，橡膠護舷共5 m長，厚度為30 cm。高樁承臺—橡膠護舷—船舶系統的有限元模型如圖3所示。

圖3 高樁承臺—船舶有限元模型

2.1.2 樁土相互作用 鋼管樁與土層作用采用非線性彈簧單元COMBINE39進行模擬，參照Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design（API RP 2A-WSD）[10]等相關規范，確定p-y曲線、t-z曲線和Q-z曲線，并分別用于定義水平方向、軸向及樁端非線性彈簧屬性。

2.2 船舶噸位及碰撞速度選擇

根據調查，海上風機的檢修及維護船舶噸位大多在500～1 000 t之間，船舶在靠泊到風機結構時，為了保護風機基礎，船舶要減速慢行停靠到風機基礎的靠船結構上，靠泊速度一般需要控制在1 m/s以下。

根據上述結論，本文仿真計算選擇500 t和1 000 t兩種噸位的船舶作為碰撞分析典型船舶模型，碰撞速度分別考慮0.5 m/s，1 m/s，2 m/s的速度，其中0.5 m/s，1 m/s為正常碰撞速度，2 m/s為考慮了船舶失速、惡劣天氣環境等影響下的碰撞速度。

3 計算結果及分析

3.1 碰撞計算結果

圖4和圖5給出了500 t和1 000 t船舶分別以0.5 m/s，1 m/s，2 m/s速度撞擊海上風機高樁承臺基礎時的撞擊力時程曲線圖。

圖4 500 t船舶以不同速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

圖5 1 000 t船舶以不同速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

從圖4和圖5中可以看出，考慮橡膠護舷的情況下，仿真模擬計算的撞擊力最大值僅為AASHTO規范的50%～60%。而國內現行規范的計算出來的船舶撞擊力相對于國外規范及仿真結果偏低，在進行工程實際應用時偏保守。其中，EUROCODE規范在考慮橡膠護舷的情況下，其計算值與撞擊力極值的吻合度較高，在實際工程設計中具有較高的參考意義。

為了進一步分析不同噸位船舶、不同撞擊速度對于船舶撞擊承臺的影響，設置了如下分析工況，如表3所示。

表3 船舶撞擊高承臺工況表

根據仿真分析模擬計算，得了給出了不同工況下，船舶的最大撞擊力、撞擊時間、撞擊時間內撞擊力均值以及與規范計算值之間的對比，計算結果如表4和圖6所示。

表4 船舶撞擊高承臺結果統計表

由表4可以看出，在考慮橡膠護舷的情況下，撞擊力在時間內的均值為撞擊力極值的一半左右，另外，船舶停靠的速度越低，時間內均值占規范計算值百分比越低，推測原因可能為船舶低速碰撞工況下橡膠護舷的吸能效果更好。

圖6給出了帶護舷工況下船舶的撞擊力時程曲線，從圖中可以看出，船舶噸位越大，撞擊力增加，撞擊時間變長；速度越大，撞擊力越大，撞擊時間沒有明顯變化。船舶噸位由500 t增加到1 000 t，最大撞擊力增加1.3至1.5倍，速度從0.5 m/s增加到1 m/s，最大撞擊力增加約2倍。由此分析，相對于噸位，撞擊力的大小受速度因素影響更加敏感。

圖6 不同工況船舶撞擊高承臺時的曲線圖

3.2 高樁承臺結構響應結果

圖7和圖8給出了船舶在撞擊過程中承臺的位移曲線圖，可以看到500 t、1 000 t船舶以低速0.5 m/s撞擊時，樁臺位移為5 cm左右，基本滿足設計過程中風及塔筒及風基礎對于承臺位移的需求。隨著速度的增加，基礎承臺位移增大明顯。500 t、1 000 t船舶以速度1.0 m/s撞擊時，承臺位移分別為10 m、15 cm；500 t、1 000 t船舶以速度2.0 m/s撞擊時，承臺位移分別為20 cm、30 cm。根據各風機生產廠家提供的荷載報告，大于20 cm這種程度的位移，已經會影響風機塔筒的安全及風機的正常運行。

圖7 500 t船舶撞擊高承臺基礎時承臺的位移曲線圖

圖8 1 000 t船舶撞擊高承臺基礎時承臺的位移曲線圖

圖9和圖10給出了500 t船舶及1 000 t船舶的有效應力云圖，從曲線可以看出，應力最大值出現在撞擊的過程中，撞擊結束后應力值迅速減小。速度越快，最大有效應力值越大，1 000 t當船舶以2 m/s的速度靠泊時，有效應力為286 Mpa，接近鋼材屈服應力。

圖9 500 t船舶靠泊高承臺基礎時最大應力時程曲線

圖10 1 000 t船舶靠泊高承臺基礎時最大應力時程曲線

綜上所述，大噸位船舶高速撞擊時對于高承臺這種偏柔性結構是十分危險，即使撞擊力不大情況下，也對導致結構大幅度的振動位移，同時很可能導致承臺基礎鋼管樁超過屈服強度而破壞，從而導致風機因控制策略導致發電功率下降甚至停機。

3.3 橡膠護舷的保護作用分析

為進一步分析橡膠護舷對于高樁承臺基礎鋼管樁的保護作用，增加一組工況用于對比：在不設置橡膠護舷的情況下，用500 t、1 000 t分別以1 m/s的速度正向撞擊海上風機高樁承臺基礎。模型建立如圖11所示。

圖11 高樁承臺—船舶有限元模型（無橡膠護膝）

500 t船舶正向1 m/s速度碰撞高樁臺基礎（無橡膠護舷）。撞擊力時程曲線見圖12。

圖12 500 t船舶1 m/s速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

1 000 t船舶正向1 m/s速度碰撞高樁臺基礎（無橡膠護舷）。撞擊力時程曲線見圖13。

圖13 1 000 t船舶1 m/s速度碰撞時撞擊力時程曲線圖

表5和表6給出了船舶在不同的保護條件的工況列表以及各工況下撞擊承臺結構時的撞擊力數據。從表中可以看出，在有橡膠護舷工況時，撞擊過程較無保護工況持續時間更長，撞擊時間長度約為無護舷工況的兩倍；最大撞擊力值為沒有護舷工況的60%～70%，而撞擊時間內撞擊力均值僅為無護舷工況的45%～60%。可見橡膠護舷的作用主要為延長接觸時間，減少撞擊力峰值從而降低撞擊力均值。

橡膠護舷在不同噸位船舶和不同撞擊速度下表現出來的防護效果也不一樣，由表6可以看出，在撞擊船舶為500 t的條件下，設置護舷的撞擊力比沒有設置護舷的撞擊力小了1.24 MN，而在撞擊船舶為1 000 t的條件下，設置護舷的撞擊力比沒有設置護舷的撞擊力僅小了0.91 MN，這說明在同樣設置橡膠護舷的情況下，橡膠護舷對于低噸位的船舶具有更好的吸能效果。

結合本文3.1節關于橡膠護舷對于撞擊速度的敏感性分析結論，我們可以得出：在船舶噸位較小、低速狀態下，吸能防護的效果相對較好，在船舶噸位較大、高速撞擊狀態下，吸能防護的效果相對較差。

表5 船舶撞擊高承臺工況表

表6 船舶撞擊高承臺結果對比表

4 結 論

本文運用非線性分析軟件LS-DYNA，結合我國東南某海上風電場實際情況，通過建立風機高樁承臺基礎與船舶碰撞的有限元模型，研究了船舶在撞擊過程中的撞擊力時程分布以及高樁承臺基礎在撞擊作用下的響應，分析了船舶碰撞對于風機基礎結構的動力影響，對于橡膠護舷對于基礎結構的保護作用進行了分析。

研究結論如下：（1）船舶的撞擊力與船舶的噸位和速度成正相關，噸位越大撞擊力越大，速度越大撞擊力越大。同時撞擊力對速度因素更為敏感，因此考慮到結構的安全，海上風機檢修船舶、管理船舶靠泊結構時應控制速度，速度盡量不宜大于1.0 m/s，0.5 m/s以下最佳；（2）不同工況下的撞擊力仿真結果同不同撞擊力計算公式之間的對比分析可見：仿真結果與EUROCODE規范遠洋船舶的計算值接近。因此在采用經驗公式時，推薦采用EUROCODE規范遠洋船舶，同時根據撞擊的具體情況，有無防護結構、相撞結構的剛度等條件乘以一定的系數作為撞擊力的設計值。國內的主要規范的船舶撞擊力計算值保守，在對于結構安全要求較高的工程實踐中可以采用；（3）船舶在較低速度海上風機基礎時，承臺結構位移和鋼管樁應力尚處在可接受范圍內，但隨著船舶撞擊速度和船舶噸位的增大，承臺水平位移將達到30 cm，同時鋼管樁應力接近鋼材屈服極限，對于風機基礎、風電機組及塔筒結構，將會造成較大的損傷，影響結構安全和風機發電量；（4）沒有設置橡膠護舷的承臺比有橡膠護舷的承臺承受的撞擊力更大，對于提高承臺的撞擊承載力有很大的好處。橡膠護舷作用在于延長接觸時間，消減接觸力峰值，但在船舶噸位較大、高速撞擊狀態下，橡膠護舷可能無法發揮出其最大效能。