三维有限元法在冰区海上风电抗冰结构分析中应用研究

赵业彬 褚洪民 张发

摘 要：依托渤海冰区某拟建海上风电场，采用三维有限元法从静冰力角度计算分析了有、无加装抗冰锥结构工况下桩基的应力变形规律。结果表明，海上风机抗冰桩基的最大等效应力和极值静位移较普通桩基均大幅降低，证明了三维有限元法在冰区海上风电工程应用中的可行性。

关键词：冰区海域;海上风电;抗冰结构;三维有限元法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.120

在国家积极开发和利用可再生能源的战略背景下，渤海近海风电场的建设势在必行。然而，渤海海域每年冬季都会出现不同程度的结冰现象，历史上曾发生过多起海上平台被海冰推倒的重大事故[1]。因此，如何保障冰区海上风电场在海冰作用下的安全运行成为该海域海上风电场设计中亟待解决的关键问题。本文依托渤海冰区某拟建海上风电场，在借鉴渤海海上油气平台抗冰经验的基础上[2-4]，采用三维有限元法研究在冰区海上风电场超大直径桩基加装抗冰锥结构以减小海冰作用的可行性。

1 计算模型及参数选取

本文主要从静冰力角度考察在海上风机超大直径桩基加装抗冰结构的可行性。结合研究重点，建立了如图1所示的风机抗冰桩基-地基三维计算模型。计算模型以海平面处桩基圆心为原点，以海床泥面处为地基表面，泥面高程-15m，地基采用三维实体单元模拟，计算范围取60m×60m×70m（长×宽×高）。桩基和抗冰锥结构则采用壳单元模拟，其中，桩基长70m，桩径6.0m，壁厚70mm，入土深度45m;锥壳板由厚度为22mm的钢板焊制而成，中心点设计标高位于平均海平面处，锥角为60°，高程-3.0m～3.0m，最大锥径9.46m。计算模型共离散为72216个节点，70117个单元。

计算中，地基侧面约束其水平向位移，底部为全约束。桩基和地基均采用线弹性本构模型，其中，地基土饱和容重为20kN/m3，弹性模量为30MPa，泊松比为0.28;钢材密度为7850kg/m3，弹性模量为210MPa，泊松比为0.30。桩基与地基之间接触采用库伦摩擦模型，界面摩擦系数取0.5。海冰厚度取五十年一遇工况，冰厚达34cm，其压缩强度为2.27MPa，弯曲强度为588kPa。计算考虑风电机组极限载荷作用于塔筒底端，见表1。受潮差影响，海冰作用在抗冰锥结构上的位置会有所不同，选取设计高水位作为计算工况。

2 结果分析

计算工况下桩基的最大等效应力和极值静位移见表2，风机基础等效应力分布云图和位移分布云圖如图2和图3所示。由表2可知，计算工况下抗冰桩基的最大等效应力和极值静位移均小于普通桩基，其中，抗冰桩基的最大等效应力为50.91MPa，较普通桩基减幅约为26.92%;抗冰桩基的极值静位35.03mm较普通桩基48.78mm减幅达28.19%。

通过对有、无加装抗冰锥结构工况下桩基的等效应力、静位移进行对比分析，可以发现加装抗冰锥结构可有效减小海冰对桩基的作用，抗桩基础静力抗冰性能良好，说明在冰区海域超大直径桩基加装抗冰结构是合理有效的。

3 结论

针对冰区海上风电场建设所面临的海冰问题，建立了以海上风机超大直径桩基、抗冰锥结构和地基的三维计算模型，采用三维有限元法从静冰力角度对计算工况下桩基的应力变形作对比分析。结果表明，采用三维有限元法可较为直观地揭示冰区海上风电场风机基础的应力状态和变形特征，抗冰桩基的应力、变形较原普通桩基均大幅降低，证明了在海上风机超大直径桩基上加装抗冰锥结构有效性。

参考文献：

[1]时忠民，屈衍.渤海新型抗冰导管架平台研究[J].中国海上油气，2008，20（05）：336-341.

[2]杨国金，刘春厚，陈祥余，卢敏.正倒锥组合体现场破冰试验与分析[J].中国海上油气（工程），1992，4（03）：33-37+4.

[3]岳前进，毕祥军，于晓，时忠民.锥体结构的冰激振动与冰力函数[J].土木工程学报，2003，36（02）：16-19+32.

[4]史庆增，彭忠.冰力作用下锥体的合理结构形式及在柱体上设计锥体的合理性探讨[J].中国海上油气，2005，17（05）：56-60.

作者简介：赵业彬（1986-），男，山东新泰人，工学博士，研究方向：复杂水工及海工结构的数值仿真计算与优化设计，从事海上风电等新能源领域的规划咨询、结构设计等工作。