海上單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)破碎波載荷及其動力響應(yīng)

許蓮

摘 ? ?要：破碎波沖擊載荷是極淺水固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計中不可忽略的載荷，但工程實踐中對其評估方法并不成熟。本文介紹了海上固定式單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在破碎波作用下的準(zhǔn)靜力和時域沖擊力的計算原理和方法，以實際案例為基礎(chǔ)，對于不同規(guī)范方法計算的破碎波沖擊力進(jìn)行了對比，采用SACS軟件進(jìn)行破碎波沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)分析，給出了若干結(jié)論和建議，可為同類型項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：海上單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；破碎波載荷；動力響應(yīng)分析

中圖分類號：U664.8 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Breaking Wave Impact Evaluation and Dynamic Response Analysis for Offshore Monopile WTG Foundation

XU Lian

（ CIMC Raffles Offshore Engineering Limited， Research & Develop Department， Yantai 264670 ）

Abstract： Breaking wave loads have significant impact on offshore monopile WTG foundation， and there is no mature engineering practice to evaluate its impact on the structure appropriately. This paper summarize different evaluation methods on static and time-history impact loads from breaking waves， and a typical monopile WTG foundation is presented to analyze the breaking wave impact and overall dynamic response， several conclusions and reasonable suggestions are presented for monopile WTG foundation design and analysis. The proposed method and suggestion in this paper can provide reference for other similar project.

Key words： Offshore monopile WTG foundation; Breaking wave impact; Dynamic analysis

1 ? ? 前言

固定式單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由于其開發(fā)建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)成本低，是當(dāng)前世界廣泛采用的淺水海上風(fēng)電開發(fā)基礎(chǔ)形式。波浪荷載是固定式單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承受的主要荷載之一。波浪在由深水向淺水傳播的過程中，由于水深逐漸變淺，無法維持原有波形，發(fā)生破碎即破碎波。破碎波會對結(jié)構(gòu)造成瞬時的沖擊載荷，對于下部風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、樁基承載力，甚至上部風(fēng)機(jī)的響應(yīng)都有直接影響。

工程實踐中，對破碎波載荷沖擊力是根據(jù)規(guī)范計算破碎波的準(zhǔn)靜力沖擊載荷，并與波浪產(chǎn)生的慣性力和拖曳力進(jìn)行疊加，以此模擬波浪對于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的總的荷載效應(yīng)。但不同的規(guī)范，計算方法、參數(shù)和計算結(jié)果都有較大的區(qū)別，同時單純用準(zhǔn)靜力加載也不能較好模擬風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在波浪沖擊載荷下的響應(yīng)，存在一定的不確定性。本文整理了國內(nèi)外多個規(guī)范對于破碎波載荷的計算方法，包含國家能源局發(fā)布的海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范、挪威船級社2019年發(fā)布的環(huán)境條件和載荷規(guī)范、國際電工協(xié)會2019年發(fā)布的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計要求，以及美國土木工程師協(xié)會發(fā)布的ASCE/SEI 7-05 建筑和其它結(jié)構(gòu)最小設(shè)計荷載規(guī)范，并結(jié)合實際案例，對于破碎波載荷大小及其動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，可以作為后續(xù)項目的參考。

2 ? ?基本原理和方法

2.1 ? 破碎波載荷

Wienke通過測量作用在圓柱結(jié)構(gòu)物上的破碎波載荷表明，沖擊力F1可作為波浪力的附加部分添加到莫里森方程中。

（1）

式中：FD—波浪力的拖曳分量；

FM波浪力的慣性分量；

F1破碎波浪力的沖擊分量。

2.2 波浪理論

海洋工程中，常用的波浪理論有：線性波理論；有限振幅波理論；橢圓余弦波理論；孤立波理論和流函數(shù)理論。但至今尚無一種波浪理論可以適用于任意水深、波高和波長的海況條件，各種波浪理論都只能適用于各自特定的海況條件。流函數(shù)理論是純粹的數(shù)值表達(dá)形式，相較于其他波浪理論具備更為廣泛的適用范圍，高階流函數(shù)是較為適用于破碎波載荷評估的基本波浪理論。

流函數(shù)理論通用表達(dá)式如下：

（2）

式中：c—波速（m/s）；

，波數(shù)；

d—平均水深（m）；

N—波浪理論階數(shù)。N取決于波浪參數(shù)如波陡S和淺水參數(shù)μ：當(dāng)N=1時，流函數(shù)理論等同于線性波理論；若波高越接近于破碎波波高，就需要采用更大的階數(shù)N以獲得較為精確的波浪表達(dá)。

2.3 ? 莫里森方程

細(xì)長桿件（波長λ> 5D）所承受的波浪載荷，可以用莫里森方程求解；當(dāng)波浪和海流共同作用時，應(yīng)將波浪和海流引起的水質(zhì)點速度進(jìn)行疊加；對于在波浪和海流中固定不動的結(jié)構(gòu)，波浪載荷計算式如下：

（3）

式中：v —波浪和/或海流導(dǎo)致的流體質(zhì)點速度（m/s）；

—流體質(zhì)點加速度（m/s2）；

A—構(gòu)件截面積（m2）；

D—直徑或代表性截面尺寸（m）；

ρ流體密度（kg/m3）；

CA附加質(zhì)量系數(shù)；

CD拖曳力系數(shù)。

2.4 ?海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范方法（NB/T 10105-2018）

本規(guī)范破碎波載荷計算方法，適用于水底坡度的直立圓形樁柱，最大破碎波載荷P可按下式計算：

（4）

式中：D—圓柱體直徑（m）；

H'0計算深水波高（m）；

λ0深水波長（m）；

γ水的重度（N/m3）；

A，B1試驗系數(shù)，可按照規(guī)范圖示選??；

B2試驗系數(shù)，取0.35。

破碎波載荷的作用點在水底面以上的高度計算方法如下：

（5）

2.5環(huán)境條件和環(huán)境載荷方法（DNVGL-RP-C205 -2019）

本規(guī)范中給出了平均峰值沖擊載荷和沖擊載荷隨時間變化的計算方法，平均峰值沖擊載荷計算方法如下：

（6）

式中：ρ —海水密度，一般取1 025 kg/m?；

Cs —沖擊系數(shù)，工程中可以取 ? ? ?；

A—暴露于破碎波沖擊壓力的面積，可以認(rèn)為是圓周45度范圍內(nèi)，Hb /4的高度范圍的圓柱外表面，即 A=

（m2）；

Hb—破碎波波高（m）；

u—破碎波水體垂直于構(gòu)件表面的相對速度，可以取波浪相速度c的1.1倍。

破碎波沖擊載荷的沖擊區(qū)域，如圖1所示。

破碎波沖擊載荷作用于結(jié)構(gòu)的時間非常短暫，對于直立樁柱，破碎波沖擊載荷持續(xù)時間為：

（7）

式中：R—直立圓柱的半徑（m）；

C—破碎波的相速度（m/s）。

破碎波沖擊的開始時間為波峰在圓柱面的上游部分，自由水面的最大高度ηB可以用高階流函數(shù)理論進(jìn)行計算，破碎波作用于構(gòu)件的沖擊載荷隨時間變化的關(guān)系式如下：

（8）

（9）

（10）

（11）

式中：ηB波峰在靜水面以上的高度（m），可以通過高階流函數(shù)計算。

2.6海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計要求（IEC- 61400-3-2019）

本規(guī)范僅提供了破碎波時域載荷的計算方法，該方法與DNVGL的計算方法較為類似，但不僅適用于直立樁柱，也適用于具有一定斜度的樁柱；另外，在沖擊面積的定義上與DNVGL規(guī)范有所不同。此處對IEC方法不再贅述。

2.7建筑和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計荷載規(guī)范（ASCE 7-2005）

該方法認(rèn)為由破碎波浪作用在剛性豎直樁或柱上產(chǎn)生的載荷作用點位于靜水面，計算方法如下：

（12）

式中：FD—破碎波波浪載荷；

γw—海水單位重量，10.05 kN/m3；

CD—破碎波拖曳力系數(shù)，圓形樁或柱取1.75，方形樁或柱取2.25；

D—對于圓形截面樁或柱，取直徑（m）；方形截面樁或柱，取1.4倍邊長；

Hb—破碎波波高（m）。

3 ? ? 案例分析

3.1 ? 基本參數(shù)

本文以最大靜水水深為10.5 m場址、搭載5MW風(fēng)機(jī)、直徑7.0 m單樁海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例，采用不同的規(guī)范方法評估破碎波準(zhǔn)靜力載荷及沖擊時域載荷，并評估單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在破碎波沖擊時域載荷下的響應(yīng)。

3.2 ? 破碎波波高評估

最大靜水水深為10.5 m，海底泥面坡度為1‰。根據(jù)《JTS145-2015，港口與航道水文規(guī)范》，海底泥面坡度i≤1/500時，（Hb/db）max=0.60，即極限破碎波高Hb為0.6倍水深db。因此，本文破碎波波高為6.28 m，相應(yīng)波周期為7.36 s。

3.3 ? 破碎波準(zhǔn)靜力載荷評估

按照前文所述NB/T 10105-2018、DNVGL-RP-C205和ASCE 7-05方法進(jìn)行破碎波靜力載荷的評估，評估結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從表1可以看出：（1）三種規(guī)范方法計算的破碎波沖擊載荷均與僅考慮慣性力和拖曳力的波浪載荷量值相當(dāng)，甚至更大，因此破碎波載荷在進(jìn)行固定式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的時候是不可忽視的關(guān)鍵要素；鑒于本案例項目執(zhí)行過程中不具備水池驗證條件，因此只能以規(guī)范計算結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)，建議后續(xù)條件具備的時候開展水池模型試驗，進(jìn)一步驗證破碎波沖擊載荷的大小及其對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響；（2）NB/T 10105-2018和ASCE 7-05兩本規(guī)范在沖擊力大小和作用位置的計算評估結(jié)果都比較接近；（3） 按照DNVGL-RP-C205的平均峰值沖擊力比NB/T 10105-2018的沖擊力小30%，但沖擊力作用點位置明顯高于NB/T 10105-2018和ASCE 7-05，因此最終基底傾覆彎矩差異不大，建議工程實踐中，根據(jù)項目的不同要求選擇合適的計算方法。

3.4 ? 破碎波沖擊載荷時程曲線評估

基于DNVGL-RP-C205所述方法，對于破碎波沖擊載荷隨時間變化的歷程曲線進(jìn)行評估，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：（1） 一個波浪周期內(nèi)，破碎波沖擊載荷的作用時間僅為0.15 s，非常短暫；（2）破碎波峰值沖擊載荷約為5 000 kN，高于按照各規(guī)范計算的準(zhǔn)靜力載荷，但迅速衰減，最終的沖擊載荷約為1 300 kN。

3.5 ? 單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)破碎波沖擊載荷動態(tài)響應(yīng)評估

基于破碎波沖擊載荷時歷曲線，采用SACS軟件建立固定式單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和塔筒結(jié)構(gòu)模型，樁土相互作用采用P-y、T-z和Q-z曲線模擬，上部風(fēng)機(jī)的葉輪和機(jī)艙組件采用質(zhì)量及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行模擬，評估固定式單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在破碎波瞬時沖擊力下的動態(tài)響應(yīng)。

由于動力響應(yīng)分析的要求，首先對于樁土文件線性化，生成模型基礎(chǔ)剛度矩陣；然后對于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，前15階模態(tài)對應(yīng)的周期如表2所示。

動態(tài)響應(yīng)分析中，對于整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)、傾覆彎矩和基底剪力進(jìn)行了分析，同時選取風(fēng)機(jī)塔筒底部連接法蘭和塔筒頂部連接法蘭作為參照點，分析在瞬時破碎波沖擊載荷下的速度、加速度和位移。

分析結(jié)果如圖3～圖7所示：（1） 破碎波沖擊載荷下，最大基底剪力4 000 kN，小于沖擊載荷峰值，但大于按照各規(guī)范準(zhǔn)靜力計算方法的破碎波載荷；（2） 最大傾覆彎矩31 000 kNm， 大于按照各規(guī)范準(zhǔn)靜力計算方法的傾覆彎矩；（3）塔筒底部和頂部法蘭位置瞬時加速度分別為0.51 g和0.14 g，但迅速衰減；（4） 塔筒底部和頂部法蘭位置瞬時速度分別為約27.8 cm/s和4.4 cm/s，且底部速度迅速衰減，但頂部會存在振蕩；（5） 塔筒底部和頂部法蘭位置最大位移分別為約3.2 cm和2.9 cm，且底部位移迅速衰減，但頂部會存在振蕩。

4 ? ? 結(jié)語

本文介紹了海上固定式單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在淺水破碎波作用下的準(zhǔn)靜力沖擊力和沖擊力時歷變化的計算原理和方法，并以實際案例為基礎(chǔ)，對于不同規(guī)范方法計算的破碎波沖擊力進(jìn)行了對比，采用SACS軟件進(jìn)行破碎波沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)分析，歸納出以下幾點結(jié)論：

（1）破碎波沖擊載荷量值較大，對于結(jié)構(gòu)分析具有顯著影響，在工程分析設(shè)計過程中不能被忽略；

（2）不同規(guī)范方法計算所得的破碎波準(zhǔn)靜力沖擊載荷在大小和作用位置上均存在差異，建議工程實踐中，根據(jù)項目的不同要求選擇合適的計算方法；

（3）破碎波沖擊時域載荷會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的基底剪力和傾覆彎矩、以及不可忽略的瞬時加速度和速度，需要在設(shè)計過程中予以考慮；

（4）破碎波沖擊時域載荷下，頂部風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位置會產(chǎn)生不可忽略的瞬時加速度，需要風(fēng)機(jī)廠商結(jié)合極端環(huán)境條件的氣動響應(yīng)進(jìn)行綜合評估。

本文總結(jié)的不同規(guī)范對破碎波沖擊力的評估方法和相關(guān)分析結(jié)論，可為類似項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考價值。

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