三維有限元法在冰區海上風電抗冰結構分析中應用研究

趙業彬 褚洪民 張發

摘 要：依托渤海冰區某擬建海上風電場，采用三維有限元法從靜冰力角度計算分析了有、無加裝抗冰錐結構工況下樁基的應力變形規律。結果表明，海上風機抗冰樁基的最大等效應力和極值靜位移較普通樁基均大幅降低，證明了三維有限元法在冰區海上風電工程應用中的可行性。

關鍵詞：冰區海域;海上風電;抗冰結構;三維有限元法

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

在國家積極開發和利用可再生能源的戰略背景下，渤海近海風電場的建設勢在必行。然而，渤海海域每年冬季都會出現不同程度的結冰現象，歷史上曾發生過多起海上平臺被海冰推倒的重大事故[1]。因此，如何保障冰區海上風電場在海冰作用下的安全運行成為該海域海上風電場設計中亟待解決的關鍵問題。本文依托渤海冰區某擬建海上風電場，在借鑒渤海海上油氣平臺抗冰經驗的基礎上[2-4]，采用三維有限元法研究在冰區海上風電場超大直徑樁基加裝抗冰錐結構以減小海冰作用的可行性。

1 計算模型及參數選取

本文主要從靜冰力角度考察在海上風機超大直徑樁基加裝抗冰結構的可行性。結合研究重點，建立了如圖1所示的風機抗冰樁基-地基三維計算模型。計算模型以海平面處樁基圓心為原點，以海床泥面處為地基表面，泥面高程-15m，地基采用三維實體單元模擬，計算范圍取60m×60m×70m（長×寬×高）。樁基和抗冰錐結構則采用殼單元模擬，其中，樁基長70m，樁徑6.0m，壁厚70mm，入土深度45m;錐殼板由厚度為22mm的鋼板焊制而成，中心點設計標高位于平均海平面處，錐角為60°，高程-3.0m～3.0m，最大錐徑9.46m。計算模型共離散為72216個節點，70117個單元。

計算中，地基側面約束其水平向位移，底部為全約束。樁基和地基均采用線彈性本構模型，其中，地基土飽和容重為20kN/m3，彈性模量為30MPa，泊松比為0.28;鋼材密度為7850kg/m3，彈性模量為210MPa，泊松比為0.30。樁基與地基之間接觸采用庫倫摩擦模型，界面摩擦系數取0.5。海冰厚度取五十年一遇工況，冰厚達34cm，其壓縮強度為2.27MPa，彎曲強度為588kPa。計算考慮風電機組極限載荷作用于塔筒底端，見表1。受潮差影響，海冰作用在抗冰錐結構上的位置會有所不同，選取設計高水位作為計算工況。

2 結果分析

計算工況下樁基的最大等效應力和極值靜位移見表2，風機基礎等效應力分布云圖和位移分布云圖如圖2和圖3所示。由表2可知，計算工況下抗冰樁基的最大等效應力和極值靜位移均小于普通樁基，其中，抗冰樁基的最大等效應力為50.91MPa，較普通樁基減幅約為26.92%;抗冰樁基的極值靜位35.03mm較普通樁基48.78mm減幅達28.19%。

通過對有、無加裝抗冰錐結構工況下樁基的等效應力、靜位移進行對比分析，可以發現加裝抗冰錐結構可有效減小海冰對樁基的作用，抗樁基礎靜力抗冰性能良好，說明在冰區海域超大直徑樁基加裝抗冰結構是合理有效的。

3 結論

針對冰區海上風電場建設所面臨的海冰問題，建立了以海上風機超大直徑樁基、抗冰錐結構和地基的三維計算模型，采用三維有限元法從靜冰力角度對計算工況下樁基的應力變形作對比分析。結果表明，采用三維有限元法可較為直觀地揭示冰區海上風電場風機基礎的應力狀態和變形特征，抗冰樁基的應力、變形較原普通樁基均大幅降低，證明了在海上風機超大直徑樁基上加裝抗冰錐結構有效性。

參考文獻：

[1]時忠民，屈衍.渤海新型抗冰導管架平臺研究[J].中國海上油氣，2008，20（05）：336-341.

[2]楊國金，劉春厚，陳祥余，盧敏.正倒錐組合體現場破冰試驗與分析[J].中國海上油氣（工程），1992，4（03）：33-37+4.

[3]岳前進，畢祥軍，于曉，時忠民.錐體結構的冰激振動與冰力函數[J].土木工程學報，2003，36（02）：16-19+32.

[4]史慶增，彭忠.冰力作用下錐體的合理結構形式及在柱體上設計錐體的合理性探討[J].中國海上油氣，2005，17（05）：56-60.

作者簡介：趙業彬（1986-），男，山東新泰人，工學博士，研究方向：復雜水工及海工結構的數值仿真計算與優化設計，從事海上風電等新能源領域的規劃咨詢、結構設計等工作。