海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究

李静晖 陈果 马晟翔

摘要：文章以大连庄河临近的渤海海域为例，基于S A C S模型研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能。研究结果表明：在静冰力方面，根据不同规范推荐公式设计的大直径单桩基础材料的用量可相差约1 0%；在动冰力方面，在不同冰速和冰厚的组合工况下，低冰速和大冰厚作用下的大直径单桩基础结构更易产生持续振动。

关键词：海上风电；大直径单桩基础；冰荷载；渤海；海洋工程

中图分类号： P 7 5； P 7 3 1 . 1 5 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 9 3-0 4

R e a c t i o n s t oI c eL o a d so fS i n g l eL a r g e - d i a m e t e rP i l eF o u n d a t i o no f O f f s h o r eW i n dT u r b i n e i nS e aI c eE n v i r o n m e n t o fB o h a i S e a

L I J i n g h u i， CHE NG u o，MAS h e n g x i a n g

（ C C C CS h a n g h a iH a r b o u rE n g i n e e r i n gD e s i g n& R e s e a r c hI n s t i t u t eC o . ， L t d . ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2， C h i n a）

A b s t r a c t： T h i sp a p e r t o o kt h eB o h a iS e aa r e an e a r b yD a l i a nZ h u a n g h ea sa ne x a m p l e， t os t u d yt h e r e a c t i o n s t o i c el o a d so fs i n g l el a r g e - d i a m e t e rp i l ef o u n d a t i o no fo f f s h o r ew i n dt u r b i n eb a s e do n t h eS A C Sm o d e l .I nt e r m so fs t a t i c i c ef o r c e， t h er e c o mm e n d e df o r m u l a so fd i f f e r e n tc o d e sw e r e c o m p a r e d， a n d i tw a s f o u n d t h a t a c c o r d i n g t od i f f e r e n t c o d e s， i t c o u l d l e a d t oa b o u t 1 0%d i f f e r e n c e i nt h e a m o u n t o f l a r g e - d i a m e t e r s i n g l ep i l e f o u n d a t i o nm a t e r i a l s .I n t e r m so f d y n a m i c i c e f o r c e， d i f -f e r e n t i c es p e e d s a n d i c e t h i c k n e s s e s c o m b i n a t i o n sw e r e a n a l y z e d . T h e i c ev i b r a t i o nr e s p o n s eo f t h e l a r g e - d i a m e t e rs i n g l e - p i l ef o u n d a t i o ns t r u c t u r ei n d i c a t e dt h a tt h es t r u c t u r ew a s m o r el i k e l yt o g e n e r a t ec o n t i n u o u sv i b r a t i o nu n d e rt h ea c t i o no fc o m b i n a t i o n so fl o wi c es p e e d sa n dl a r g ei c e t h i c k n e s s e s .

K e y w o r d s：O f f s h o r e w i n dt u r b i n e，S i n g l el a r g e - d i a m e t e rp i l ef o u n d a t i o n， I c el o a d，B o h a iS e a， O c e a ne n g i n e e r i n g

0 引言

我國北方的渤海海域具有丰富的风能资源，可开发潜力巨大，在国家政策的支持下，其海上风电建设将迅速发展。渤海因地处寒冷地带，冬季普遍受到海冰的影响。根据该海域大量石油平台的建设经验，海冰对海洋结构的作用不可轻视。大直径单桩基础结构因具有适应性良好和施工方便等优势，占据海上风电基础形式的主导地位。因此，研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能，对于渤海海上风电建设具有积极作用。本研究以大连庄河临近的渤海海域为例，研究大直径单桩基础结构在总静冰力和动冰力作用下的抗冰性能。

1 海冰物理力学参数

在有实测条件的情况下，海上风电基础结构设计的海冰物理力学参数应由实测结果确定。对于无实测条件的区域或处于前期阶段的项目，海冰参数的确定可参考我国企业标准《中国海海冰条件及应用规定》和国际广泛应用的I S O1 9 9 0 6。其中，《中国海海冰条件及应用规定》是我国科研工作者对渤海及黄海北部海域长期观测和实践经验的总结，而I S O1 9 9 0 6是多国联合研究的极区海洋工程结构工程设计标准。与I S O1 9 9 0 6相比，根据《中国海海冰条件及应用规定》确定的海冰参数更符合渤海的实际情况[ 1]。

根据《中国海海冰条件及应用规定》，庄河海域属于1 8冰区，平均总冰期为8 0d，最长有效冰期为2 2d； 5 0年一遇的最大单层冰厚为3 3 . 2m， 5 0年一遇的平均单层冰厚为2 0 . 4m，统计单层冰厚度的平均值为1 3c m、最大值为3 5c m；海冰压缩强度为2 . 1 5M P a；平均冰速为0 . 3m/s，最大冰速为0 . 7m/s。

2 总静冰力作用

根据国内外观测研究结果，冰在与直立结构的作用中可能产生挤压、压屈、剪切和弯曲等破坏形式。对于单桩结构，应考虑挤压破坏产生的总静冰力。

根据《中国海海冰条件及应用规定》，作用在垂直和接近垂直的孤立柱上的水平冰力F= m I f cσc D h；该公式引入形状、嵌入和接触系数，适用范围为直径不大于2 . 5m的桩；而对于直径为2 . 5～1 0 m的桩，规范建议I f c的取值为0 . 4。I S O1 9 9 0 6提供的直立桩前的挤压冰力FG = PGw h，其中PG = CR（ h/ h1）n（ w/ h）m，经验参数m的推荐值为-0 . 1 6。有学者认为，考虑到大直径单桩比普通单桩具有更高的径厚比，冰排的非同时破坏效应相对显著，结构前会发生局部的压屈破坏；因此，与适用范围较小的《中国海海冰条件及应用规定》公式相比， I S O1 9 9 0 6公式可反应单桩径厚比的影响，更适用于计算大直径单桩结构的冰荷载；同时根据模型试验，建议将m值修正为-0 . 1 9，以更好地适应我国渤海的冰情[ 2]。

本研究选取的3 . 0 MW海上风电机组采用的大直径单桩桩径为5 . 5～6 . 1 m、壁厚为6 5～ 7 5mm、桩长为7 1 m、入土深度为4 1 m、水深为2 1m，采用《中国海海冰条件及应用规定》公式、I S O 1 9 9 0 6公式和修正的I S O1 9 9 0 6公式，分别计算总静冰力（表1）。

由表1可以看出， I S O1 9 9 0 6公式的总静冰力计算值是《中国海海冰条件及应用规定》的2 . 7 4倍，可见公式的选取对结构设计的影响很大。

分别采用《中国海海冰条件及应用规定》和修正的I S O 1 9 9 0 6公式计算得到的冰荷载，利用S A C S计算大直径单桩的结果如表2所示。

采用《中国海海冰条件及应用规定》公式算得的较小冰荷载，大直径单桩结构的各项指标（结果1）均能满足设计要求。而采用修正的I S O1 9 9 0 6公式算得的冰荷载，结构的基础泥面转角超过允许值（结果2） ，不能满足设计要求，须对结构进行调整。

经试算，在樁长和入土深度不变的情况下，为使大直径单桩结构在修正的I S O1 9 9 0 6冰荷载计算值的作用下能满足设计要求，单桩基础桩径须增大为5 . 5～6 . 6m，壁厚须增大为6 5～8 5mm，调整后的基础S A C S分析结果如表2（结果3）所示。据估算，原基础结构的单桩基础用钢量为7 1 2 . 5t，调整后的单桩基础用钢量为7 8 6 . 0t，表明如采用不同的规范，基础的材料费用可能相差约1 0%。

目前国内针对大直径单桩结构冰荷载的研究还不多，《中国海海冰条件及应用规定》的冰荷载计算公式不能适应大直径单桩结构，而国际规范也不能很好地适应我国渤海的冰情。因此，为配合渤海地区海上风电的建设需求，相关研究迫在眉睫。

3 动冰力作用

海上风电大直径单桩结构具有高耸的特征，同时受上部大型动力设备的影响，对结构振动具有很高的敏感度[ 3]。有研究表明，冰力的主频率集中在0 . 2 7～0 . 8 4H z[ 4]，海上风电结构系统频率须避开风机机组运行频率， 3 . 0MW风机整体结构的安全频率范围为0 . 2 3 2～0 . 3 6 2H z，与冰力主频率有重合的部分，即动冰力有可能引起海上风电结构的共振，影响结构的安全和寿命[ 5]。

利用S A C S得到海上风电大直径单桩结构的固有振型（图1） ，前6阶的固有频率如表3所示，可见结构固有频率处于安全频率范围。

根据1 8冰区的海冰参数，冰厚取1 0～3 5c m，间隔取5c m，冰速取0 . 1 ～ 0 . 7m/s，间隔取0 . 1m/s，共有3 5个工况组合[ 6]。当冰速为0 . 1m/s、冰厚大于2 0c m时，结构将发生持续振动。由于结构所处海域5 0年一遇的平均单层冰厚为2 0 . 4m，平均冰速为0 . 3m/s，可以推得结构发生持续振动的概率不大。

总结计算结果可知，对于大直径单桩结构，在同一冰速下，冰厚越大，冰振响应越显著；当冰速较低而冰厚较大时，结构容易产生持续振动而失稳，即厚冰层的慢速运动对大直径单桩结构不利；随着冰速的增加，冰速对冰振响应的影响不显著。

选取6个工况组合，结构的前3阶冰振响应如表4所示。

由表4可以看出，在工况4的荷载作用下，最大基底剪力和最大倾覆力矩均比其他工况增大近1 0倍，冰振响应剧烈。

按有效冰期为2 2d，计算结构在各组合荷载作用下的疲劳寿命。在非持续振动的工况下，结构的疲劳寿命远大于设计使用年限，不是大直径单桩基础设计的控制工况；在持续振动的工况下，结构的疲劳寿命大大减少，可降至1年以内。

4 结语

本研究以大连庄河临近的渤海海域为例，研究大直径单桩基础结构在总静冰力作用和动冰力作用下的抗冰性能，主要得到2点结论。

（ 1）采用不同的规范推荐公式计算而得的总静冰力差异较大，据此设计的大直径单桩基础材料费用可能相差约1 0%；针对我国渤海地区大直径单桩结构的静冰力研究迫在眉睫。

（ 2）大直径单桩结构在动冰荷载的作用下，当冰速相同时，冰厚越大，冰振响应越显著；当冰速低而冰厚大时，结构易产生持续振动；随着冰速的增加，冰速对冰振响应的影响不显著。未引起结构持续振动的动冰荷载对大直径单桩结构的影响很小，不是设计的控制荷载。

参考文献

[ 1] 屈衍，张大勇，许宁，等.《中国海冰条件及应用》与I S O1 9 9 0 6冰荷载规定比较[ J].哈尔滨工程大学学报， 2 0 1 8， 3 9（ 4） ： 6 2 9.

[ 2] 武海斌，黄焱，李伟.大直径单桩风机基础冰荷载模型试验研究[ J].海洋工程， 2 0 1 8， 3 9（ 2） ： 8 3-9 1.

[ 3] 马玉贤.渤海海域海上风电工程结构冰激振动研究[ D].天津：天津大学， 2 0 1 5.

[ 4] 史庆增，徐继祖，宋安.海冰作用力的模拟实验[ J].海洋工程， 1 9 9 1， 1 2（ 2） ： 1 6-2 1.

[ 5] 王世敬.导管架平台冰激振动响应分析[ J].石油矿场机械， 2 0 0 7， 3 6（ 9） ： 2 1-2 4.

[ 6] 左晶晶.冰区海上升压站整体结构安全评价[ D].大连：大连理工大学， 2 0 1 6.