基于实测的风电基础锥体冰载荷研究

王国军,王帅飞,宋 础，于嵩松,张大勇，张明飞

（1.大连理工大学 工程力学系，辽宁 大连 116023；2.大连理工大学海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221；3.上海勘测设计研究院有限公司 新能源设计研究院，上海 200434）

0 引 言

在海洋结构的设计中，风、波浪、流、地震等环境荷载的影响都需要加以考虑，对于会出现海冰的寒冷海域，也要考虑海冰对结构的作用。在很多情况下，冰荷载常常也是海洋工程结构的控制荷载。冰载荷的研究，对于保证结构的安全、经济、可靠等问题，显得尤为重要。

通过对海冰的物理力学性能研究的不断加深，人们发现冰的弯曲破坏强度明显小于压缩强度。基于这一理念，人们设想将海洋结构水线位置的桩柱设计成带有角度的形式，在实际工程应用中，对海上石油平台等结构物加装锥体，可以改变海冰的破碎形式（由挤压破碎改变为弯曲破碎），从而降低海冰对结构的作用力以及消除挤压破碎引起的频率锁定现象。对于锥体冰载荷的研究，大部分都集中在锥体静冰力方面，锥体动冰力方面的研究较少。现有关于锥体动冰力的研究主要采用原型观测、理论分析、模型试验三种研究方式[1]。Wessels 等[2]和Izumiyama[3]描述了冰的弯曲断裂过程，认为冰与锥体相互作用时主要发生弯曲断裂，首先出现径向裂纹；Yue 等[4]在渤海的三座多腿平台上进行了冰与结构作用的原型试验，从现场记录的录像及测得的数据分析中发现，冰排与锥体作用呈弯曲破坏，在高冰速下，冰排的破坏频率可能会和结构的自振频率一致，产生动力放大效应；岳前进等[5]基于渤海导管架平台多年的现场实测数据，研究了冰与锥体结构相互作用过程，建立了确定性的三参数冰力函数，并指出冰荷载的周期可以通过海冰的断裂长度与冰速的比值得到；Qu 等[6-7]在已经建立的确定性冰力函数的基础上，利用实测的冰力数据，分析锥体冰力幅值和周期的统计特性，建立了随机冰力函数，并借鉴波浪荷载的Neumann谱形式，建立了锥体冰力谱；黄焱[8]发现冰排前缘在柔性锥体结构前以二次特殊断裂形式发生破坏，导致很多试验结果中冰力明显含有两个主要频率。这些研究成果可作为海上风机基础冰荷载研究的重要借鉴和基础。然而，海上风电基础属于一种柔性细长结构，其超出水面高度达到80 m，而导管架平台结构超出水面高度一般为20 m。另外，风机基础水面处直径为4～5 m，加装锥体后直径可达9～10 m，而导管架平台结构的抗冰锥体直径一般在4～6 m左右[9]。这些因素使得海冰与其相互作用的破坏形式及动力模型仍存在一定的不确定性。为了揭示海冰与该类结构的相互作用形式，明确适用于该类宽大锥体结构的冰荷载的冰力周期模型，本文将对海上风机的结构特性进行探讨分析，基于对冬季冰期内黄海北部某风电基础结构的现场监测，分析海冰与锥体结构的破坏规律，依据实测数据，修正适用于风电基础宽大锥体结构的冰力周期模型，并与实测冰况下的结构冰振响应计算结果进行对比分析。

1 海上风电基础结构特性

一般来讲，抗冰结构按照结构尺度可以分为宽结构和窄结构，按照刚度可以分为刚性结构和柔性结构。冰与结构相互作用时，冰荷载与冰振响应对结构形式十分敏感，结构特性不一样，冰荷载模型和振动响应都有很大差异[10]。因此，对海上风电锥体冰荷载模型的研究，首先要明确其结构特性。

结构动力特性主要由其质量、阻尼比和刚度决定。结构的阻尼是研究其动力问题中一个很重要的参数，一般钢结构的阻尼比ζ通常在0.01～0.02 范围内，海上导管架平台阻尼比一般在0.02～0.05 之间[11]。通常用来确定阻尼比的方法包括自相关函数法、半功率频带法[12]和随机减量技术[13]等。针对监测结构的自由振动衰减曲线，利用对数缩减法就能得到结构的阻尼比。自由振动衰减率γ表达式为

现场监测的海上风机容量为3.3 MW，机头重218 t，结构高出水面90 m 左右，锥体结构高度为7.5 m，锥体最大直径为9.2 m。监测点位于风机基础和塔筒连接处，通过加速度传感器拾取海上风电基础结构的现场监测数据，得到该结构的自由衰减曲线，其中结构响应为加速度，如图1 所示，对应的频谱分析如图2 所示，其能量主要集中在0.037 9 Hz。对图2 中的数据进行处理，取m=5，利用式（3）可以得到结构的阻尼比，其计算结果如表1所示，海上风电基础结构的实测阻尼比约为0.02。

表1 海上风机阻尼比计算结果Tab.1 Calculation results of offshore wind turbine damping ratio

图1 实测加速度自由衰减曲线Fig.1 Measured acceleration free decay curve

图2 实测加速度数据频谱分析Fig.2 Spectrum analysis of measured acceleration data

刚度是指结构抵抗静荷载作用下的变形能力，可以定义为使结构顶面发生单位广义位移（水平线位移或角位移）所需要施加的广义力（集中力、均布力或力矩），称为该结构的静刚度，用K表示，单位为N/m。海上风机结构水线处的刚度计算值为2.66×107N/m。

将海上风机与导管架平台的力学特性参数进行对比，如表2 所示。通过对比分析，在水线处，海上风机结构与多数导管架平台的结构刚度接近，阻尼比也接近，所以在海冰作用下，海上风机结构也会有剧烈的冰激振动。海上风机在海面上的结构要比导管架平台高很多，是一种柔性细长结构，在与冰作用过程中，会有更显著的动力效应。

表2 导管架平台与海上风机结构参数Tab.2 Structural parameters of jacket platform and offshore wind turbine

2 海冰与宽大锥体结构作用的破坏形式分析

通过现场监测视频资料可以明确，海冰与锥体结构作用时主要发生弯曲破坏，如图3所示。其主要的破碎过程如下：

图3 锥体结构前的海冰弯曲破坏Fig.3 Flexural failure of ice sheet against conical structure

（1）当平整海冰与锥面接触后，首先产生径向裂纹，同时将产生几个楔形梁。

（2）海冰在后续来冰的推动下继续沿锥面上爬，径向裂纹扩展，当其扩展到一定长度后，锥面产生的竖向力将导致楔形梁在底部同时断裂，形成环向裂纹。

（3）破碎后的楔形梁将在后续冰的推动力作用下，继续沿锥面上爬。

（4）平整冰楔形梁在上爬阶段会发生二次断裂。

（5）碎冰沿锥体两侧滑落清除，此时后续冰还未接触到锥面。当后续冰与锥体接触时又重复前一个过程。

通过秸秆覆盖的方法可以很好的改善土壤的物理性状，同时，在不同的覆盖年限以及覆盖数量的情况下，对于土壤物理性状的改善也会存在不同的效果。在实际应用秸秆覆盖的过程中，我们可以发现秸秆覆盖对于降低降水对土壤的拍打、淋洗以及冲击都存在明显的效果，从而保证土壤的通透性。在此基础上，秸秆覆盖还可以有效减轻由于阳光暴晒使土壤表层出现龟裂的现象。通过以上两方面的作用，更好的保证土壤物理结构的良好。

劈裂破坏主要发生在冰厚较小、海冰内部存在预裂纹、或者浮动海冰面积较小时，劈裂的裂缝与压力的作用线平行，如图4所示。这种情况下通常采用冲量来计算冰与结构作用的冲击荷载，或者通过海冰的断裂韧性和边界条件进行计算[14］（结构几何尺寸和海冰参数）。结构前海冰发生劈裂破坏时的冰厚较小，在海冰发生弯曲破坏前，劈裂裂纹已经形成，海冰会先发生劈裂破坏，从而劈裂破坏对结构作用力小于结构前海冰发生弯曲破坏，同时大块海冰的劈裂破坏不会连续发生，无法形成持续的动力作用，从而破裂破坏的荷载可以认为为静荷载，劈裂破坏后大块海冰被分为小块，对结构的整体作用力减小，从而对结构不会造成严重的影响。

图4 锥体结构前的海冰劈裂破坏Fig.4 Splitting failure of ice sheet against conical structure

如果破碎的海冰在沿着锥面滑落的过程中受到阻碍，将导致碎冰无法迅速清除，会在结构前形成堆积，如图5 所示。锥体结构通过推动前面的堆积冰，大大增加了与后续海冰接触的面积，影响后续冰与锥体结构作用的破坏形式、破坏过程和冰力的形成。碎冰堆积大多发生在宽锥结构或者锥体表面摩擦系数较大的情况下。

图5 锥体结构前的海冰堆积Fig.5 Front ice jams on conical structure

基于以上分析，海上风机基础加装锥体后，与海冰作用的破坏模式主要是弯曲破坏，海冰破碎过程与监测到的渤海油气平台锥体结构与冰作用过程相似，所以针对渤海石油平台桩腿提出的锥体冰荷载模型适用于风电基础锥体冰荷载计算。现场监测到的破坏形式还有劈裂破坏、剪切断裂等。另外，对于该类宽锥结构，会存在海冰在锥体结构前堆积的现象，这使得海冰在破坏过程中会发生包含有弯曲的多模式混合破坏。

3 冰力周期模型研究

交变冰力是海冰对结构的周期性冲击载荷。冰力周期即为完整冰板冲击结构的时间间隔。根据上文中海冰与锥体相互作用的破碎过程分析，海冰前沿与锥体结构表面冲击作用会引起海冰底部形成的环向裂纹，此环向裂纹所处位置是后续完整海冰前沿。因此,后续完整海冰前端自环向裂纹形成位置运动至锥体表面的时间,即为冰力周期，海冰前沿与锥体结构表面冲击接触位置与环向裂纹之间的距离为海冰弯曲断裂长度L[15]。冰力周期可以简化为冰在结构前的断裂长度L与冰速V的比值[16]，表示如下:

根据海冰断裂的理论分析，弯曲断裂长度主要受到海冰厚度的控制，依此简化二者的线性关系为

式中，L为海冰断裂长度，h为冰厚，Q为断裂长度和冰厚的比值，简称长厚比，由上面两式冰力周期可以写为T=Qh/V。

海冰的破碎长度受到海冰破碎模式的影响，而海上结构宽度与海冰厚度的比值（宽厚比D/h）作为控制参数影响海冰破坏模式[17]，在此采用该参数分析长厚比随宽厚比的变化趋势，如图6所示。

图6 平整海冰宽厚比和长厚比的关系曲线Fig.6 Relationship between sea ice width-to-thickness ratio and length-to-thickness ratio

图7 海冰破碎长度与厚度关系拟合Fig.7 Relationship between sea ice broken length and ice thickness

4 基于实测冰况的数值模拟及对比分析

4.1 锥体结构冰荷载

为了能够分析冰与锥体结构作用的冰力时程，岳前进基于渤海现场实测的数据，建立了确定性的冰力函数[5]，如图8所示，其数学模型为

图8 简化的冰力函数Fig.8 Simplified ice force function

式中：F0为冰力幅值；T为冰力周期；τ为冰与锥体的作用时间，为1/3的冰力周期T。

本文中采用Hiryama-Obara计算锥体结构极值冰力[18]：

式中：σf为海冰弯曲强度，本文中取700 kPa；h为海冰厚度；D为锥体结构的直径，本文中为9.2 m；Lc为海冰冰板的特征长度；B为经验系数，本文中取3.2。

式中，E为弹性模量，文中为0.5 GPa，ρ为海水密度1025 kg/m3，g为重力加速度9.8 m/s2。

4.2 结构模型及模态分析

运用ANSYS 软件基于原型结构建立有限元模型，风机结构采用shell 181 单元，风机机头采用MASS 21 质量单元模拟，风机基础为单桩形式，采用6 倍桩径法建立风机泥面以下基础，冰力施加位置位于结构设计的平均海平面高度，即锥体结构的最大直径处，如图9所示。模态分析得到前四阶频率，见表3。

表3 风机前4阶频率(单位：Hz)Tab.3 Wind turbine frequency

图9 风机单桩基础模型Fig.9 Single pile wind turbine foundation model

从结构的模态分析结果对比风机厂家提供的结构整机基频（范围为0.26～0.297 Hz），数值模型能够反映结构的动力特征。

4.3 动冰荷载结构响应分析

根据在北黄海采集到的海冰测量数据，选取风速较小的时间段，以减小风荷载对风机振动的影响。冰况为：冰厚0.088 1 m，冰速0.27 m/s。分别采用长厚比Q为7.2，以及基于海上风电结构实测数据分析得到的长厚比Q为9.2 进行数值模拟，相应的冰力周期分别为T=7.2h/V，T=9.2h/V。

取监测位置处（风电基础与塔筒连接处）数值模拟与实测的结构加速度响应曲线，如图10～12所示。

图10 长厚比Q为7.2的数值模拟加速度曲线Fig.10 Acceleration simulation with length-to-thickness ratio Q of 7.2

实测加速度取时长25 s 的数据，共有11 个周期，故实测周期约为2.27 s。数值模拟曲线取时长21.4 s 的数据，其中长厚比Q为7.2 时，这段加速度曲线包含有9 个周期，得到数值模拟周期约为2.38 s。长厚比Q为9.2 时，有8 个周期，得到数值模拟周期约为2.68 s。数值模拟与实测的数据周期接近。实测的结构振动加速度幅值在0.8 gal 左右。长厚比Q为7.2 时，数值模拟的加速度幅值在0.4 gal 左右。长厚比Q为9.2时，数值模拟的加速度幅值在0.5 gal左右。相较来说，长厚比Q为9.2时更接近于实测数据振动加速度幅值。另外，考虑到原型结构现场监测时可能还会有风荷载等其他环境荷载的影响，且风机结构振动较为轻微，实测与数值模拟之间的差值是在可以接受的范围内。基于以上分析，新修正后的冰力周期计算模型更适用于风电基础宽大锥体结构。

图11 长厚比Q为9.2的数值模拟加速度曲线Fig.11 Acceleration simulation with length-to-thickness ratio Q of 9.2

图12 实测加速度曲线Fig.12 Measured acceleration curve

5 结 论

冰区海上风电首先要考虑结构的抗冰性能要求，其中最重要的是动冰荷载问题。目前在冰区海域还没有大规模建设风电场，对于海上风电基础类宽大锥体结构与冰的相互作用还没有得到充分的认识。

本文基于对冬季冰期内黄海北部某风电基础结构的现场监测，首先对海上风机结构特性进行了分析，得到了实测的阻尼比并计算了其结构刚度，对比了海上风电结构与固定式导管架平台的结构特性差异。基于对风电基础结构的现场监测，揭示了冰与风电基础锥体结构相互作用的破坏规律，明确了海冰断裂长度与海冰厚度的统计关系，对风电基础类宽大锥体结构的冰力周期模型进行了研究。最后，采用修正的确定性冰力函数进行实测冰况下的结构冰振响应对比分析，得到了以下结论：

（1）海上风机属于一种柔性细长结构，相比导管架海上石油平台，在海冰作用下，会有更显著的动力放大效应，冰激振动现象会更加明显。

（2）冰与风电基础锥体结构相互作用的破坏模式主要是弯曲破坏，其他破坏形式还有劈裂破坏、剪切断裂等，以及会存在海冰堆积的现象。

（3）依据海上风电现场实测数据，统计得到海冰断裂长度与海冰厚度的线性比例关系，即长厚比Q为9.2，通过数值模拟与实测数据的对比分析，新修正的冰力周期计算模型适用于风电基础类宽大锥体结构。