海上风电单桩基础抗冰锥结构研究

刘聪斌

摘要：作为一种具有一定高度的柔性支撑结构，海上风机单桩基础很容易受到海冰的负面影响，进而威胁到风机的安全运行。基于此，必须研究一种具有抗冰能力的单桩基础结构。本文借鉴我国渤海和黄海海域海上石油钻井平台抗冰装置的设计，结合以往项目的成功经验对海上风电单桩基础抗冰锥结构进行探讨及研究，希望可以为海上风电工程项目建设提供一定的帮助。

关键词：海上风电；单桩基础；冰荷载；抗冰锥结构

近几年来，我国海上风电发展十分迅猛，天津、河北、辽宁、山东等省相继开工建设多个风电项目。在我国北方海域，台风等自然灾害对风电机组的影响较小，但每年冬季长达3个月的冰期时间中，漂流在海中的浮冰会挤压冲击风电单桩基础，产生复杂敏感的动态响应行为，影响到风机的稳定运行。基于此，为了有效的提升单桩基础的使用效率及寿命，为其建构一种能够抵抗海冰作用的结构型式就显得尤为重要。

1抗冰原理分析

冰荷载是重冰海域海洋工程结构物设计的控制荷载，在海上风电工程项目设计建造的过程中，海冰对单桩基础结构的挤压冲击，以及因此所引起的冰激震动，是一个需要重点考虑的问题。

1.1海冰的力学性质

首先，海冰的压缩强度。海冰在很多结构物前的破坏都会表现为挤压破坏，尤其是对于直立的抗冰结构，压缩强度是海冰的重要物理性质，近些年来针对海冰和结构物相互作用的研究大部分都是从该力学性质入手。结合大量的测量试验结果来看，海冰压缩强度的影响参数主要包括两类，分别是海冰特性和测试条件，前者包括温度、晶体类型、盐度等，后者包括约束条件、加载方向、加载速率等。例如海冰的压缩强度和盐度呈负相关。

其次，海冰的拉伸强度。海冰所能承受的最大拉伸应力即是其拉伸强度，这是一种反映海冰抗拉强度的力学参数，拉应力是导致海冰出现裂纹的主要原因。海冰的拉伸强度和很多参数都存在紧密联系，如局部冰荷载水平、大面积冰排运动等。

再次，海冰的弯曲强度。结合现有的测量分析数据来看，海冰的弯曲强度和加载速率、盐水体积、孔隙率以及盐度等参数相关。在对其弯曲强度进行测量时，比较常用的两种方法为悬臂梁测试以及简支梁测试。

1.2海冰的破坏理论

冰排在运动过程中若是遭遇结构物，二者之间会产生相互作用，若结构物的强度不足，就会被冰排破坏。若其强度较大，冰排则会被切割，同时使结构物出现强烈的振动。冰排的破坏类型可以分为四种：其一，挤压破坏，冰排作用在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断续破碎。其二，压屈破坏，大面积冰排和结构物接触，冰排因受压而失稳，在桩柱前隆起后破坏。其三，纵向剪切破坏，冰排剪应力达到强度极限，产生与运动方向平行的裂缝，造成冰排破坏。其四，弯曲破坏，冰排与具有一定的坡度的结构物接触时，形成受弯的梁或是板，最终因弯曲而破坏。在不同的破坏类型下，冰排与结构物之间产生的相互作用也存在着较大的差异。

结合上述内容，冰排在接触到结构物时会产生挤压、剪切、弯曲等破坏效果，基于海冰的弯曲强度远低于其抗压强度这一特点，可以通过合理的结构形式设计将海冰变为弯曲破坏，这样就可以大幅度的削弱海冰产生的负面作用。

2海上风电场单桩基础抗冰结构的研究

当前阶段，我国已经颁布的和海上导管架平台结构设计相关的规范性文件包括《海上固定平台入级和建造规范》、《中国海海冰条件及应用规定》、《浅海钢质固定式平台结构设计规定》等，基本上未涉及到海上风电基础抗冰设计的内容。因此，在进行海上风场结构基础抗冰设计的过程中，设计人员大多都是参考海洋石油平台的设计理念。

锥型结构是现阶段抗冰设计中最常用的一种结构形式，想要使其作用得到充分的发挥，必须要对锥面冰荷载和单桩基础的安全作用进行深入的分析。借助锥型结构能够将冰排以弯曲的形式破坏，从而将冰荷载压缩到最低。

根据我国海上石油平台抗冰设计的理念和经验，在项目所处海域的潮位变化区间加设锥型体结构是最有效的方法，在单桩基础上加设锥型体结构，能够在单桩基础与海冰接触时将海冰的破坏形式由挤压破坏转变为弯曲破坏，从而削弱海冰施加在单桩基础结构上的荷载，同时降低冰激振动对海上设备运行稳定性产生的影响，及对海上人员带来的不适感。

海上风电单桩基础采用的锥体结构通常是由两个圆锥体对接构成的正、倒锥组合体。正、倒锥组合体一般是由两个高度相等、上下界面直径相同的圆锥体对接组成的，其小圆面直径取决于平台桩腿的直径，整个组合体的高度和大圆面直径则和海冰的类型、强度、潮差大小等参数相关。当海水水位处于平均水位之下时，海冰会作用于倒锥体，冰排出现表面弯曲破坏。当海水水位处于平均水位之上时，海冰作用于正锥体，冰排出现根部完全破坏。基于此，只需对潮差段进行合理的估计，就可以设计出高度合理的正、倒锥组合体。

在设计过程中可以参考以下设计参数：冰锥标高，考虑到海冰和锥体作用位置会随着潮位的起伏而变动，因此必须保障冰锥的上下标高满足锥体高度完全覆盖冰磨蚀区的要求。冰錐角度，锥结构起到的抗冰效果很大程度上取决于冰锥角度，结合大量的试验数据来看，当冰锥角度处于50°～65°之间时，能够获得最优异的抗冰作用效果。冰锥高度，考虑到冰在锥面上的运动，应将冰爬升/堆积高度和施工测量等方面的误差进行综合考虑。

抗冰锥中各个构件的精确尺寸及所选用材料的强度等级必须经过有限元分析计算校验，并满足构造要求后才能确定。同时，还应考虑到锥结构制作过程中，锥壳内部设置径向肋板，肋板端部和抗冰锥套筒以及水密隔板之间应该采取何种焊接的方式。此外，锥体直径设定必须满足电缆管、灌浆管线、靠船结构等相关附属设施的布置需求。若是遇到附属设施需要穿过抗冰锥结构的情况，应在其内部设置加强环，避免结构上存在圆孔或凹槽影响到其稳定性。为了防止冰堵塞问题的发生，锥体上的附属设施应尽可能的做到间隔均匀布置，这样做同时也可以为建造作业提供极大的便利。

3结语

综上所述，为了有效防止海冰可能会对海上风电单桩基础结构造成的破坏，应该将抗冰锥结构应用其中，通过其与海冰的相互作用，将挤压破坏形式转变为弯曲破坏形式，已达到降低冰荷载及冰激振动强度的目的。同时由于我国相关规范并不完善，因此在抗冰锥结构的设计过程中，应合理的参考海洋石油平台抗冰锥结构的设计理念和方法。

参考文献：

[1]陈立. 海上风电单桩基础抗冰锥结构设计[J]. 水力发电，2018，44（09）：93-96.

（作者单位：华电曹妃甸重工装备有限公司）