考慮樁土相互作用的海上風電站防撞能力研究

李艷貞 黎劍

摘? ? 要：樁與土之間的相互作用對導管架式海上風電站結構的防撞能力有較大影響。本文針對不同的地基土特性，利用瞬態仿真程序MSC.Dytran對一艘5000t多用途工作船撞擊海上風電站的動態過程進行了數值計算。計算結果表明，地基土的軟硬程度對海上風電站結構的損傷特性、碰撞載荷大小以及結構的能量吸收有比較明顯的影響。

關鍵詞：海上風電站;樁土相互作用;船舶碰撞;結構抗撞性

中圖分類號：U661.4? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Pile-soil interaction has great influence on the anti-collision ability of offshore wind turbines. By using the transient simulation program MSC.DYTRAN， the dynamic process of a 5000t multi-purpose working ship impacting an offshore wind turbine in the lateral direction is numerically calculated based on different characteristics of foundation soil. Calculation results show that soil rigidity has obvious influence on the structural damage characteristics， collision load and energy absorption of offshore wind turbines.

Key words： Offshore wind turbine; Pile-soil interaction; Ship collision; Structural anti-collision characteristics

1? ? ?前言

近年來，世界海上風電場的建設進入了規?；l展時期，全球海上風電機組總裝機容量已超過23 GW。我國也正在東海、山東威海海域建立大型海上風電場，并在諸多沿海海域籌建更多的海上風電場。隨著海上風電場的蓬勃發展，海上風電站遭受過往船只撞擊的可能性增加，因此有必要對海上風電站的防撞能力進行研究，為其耐撞性結構設計提供參考。

集總參數法是分析樁-土動力相互作用問題的一種重要方法。該方法是由美國學者Penzime等提來的;Trochanis等用地基梁來表示土對樁的影響并與有限元方法進行了比較，得到的結果基本一致;Nogami和Konagai對地基梁方法進行了完善，用阻尼力來表示土對樁的作用問題[1]。由于土的可壓縮性，樁土相互作用時土對樁的作用相當于彈簧對樁的作用并同時并對樁提供阻尼，因此可簡化為彈簧和阻尼器的簡易物理模型;Gazetas等將這種簡易的物理方法進行優化和完善，并應用于橋梁和地基的相互作用問題的分析中，得到了較好的結果。

本文采用集總參數法考慮海上風電站樁基和土的相互作用問題，并采用瞬態仿真程序MSC.Dytran對海上風電站的防撞能力進行了詳細的計算分析，得到海上風電站被一艘5 000 t多用途工作船撞擊后的變形情況、碰撞力隨撞入深度的變化曲線、碰撞力隨時間的變化曲線以及各種碰撞能量之間的相互轉化曲線等，并分析了不同地基類型對風電站結構防撞能力的影響。

2? ? ?分析模型

2.1? ?分析模型及其簡化

本文研究的風電站模型為一桁架式海上風電站，包括：葉片、機艙、塔架、導管架和樁基等。該風電站模型總高48 m，其中水面以上桁架總高30 m、水面以下桁架總高18 m;共有3個葉片，每片長35 m、重量6.8 t;，機艙整體重量76 t、塔架整體重量128 t;塔架整體為桁架結構，頂端寬度2.8 m、底端最大寬度3.8 m。由3根主管和若干撐管組成，主管的直徑為760 mm、厚度28 mm，材料為普通強度鋼;撐管的直徑為448 mm、厚度18 mm;泥面以下的樁基礎采用3根鋼管，長度為42 m。材料為高強度鋼。

與海上風電站發生碰撞的船舶是一艘多用途工作船，滿載時排水量約為5 000 t、型寬14.8 m、型深7.25 m、吃水6.2 m。由于本文的分析重點是海上風電站結構被撞擊后的結構破壞情況，所以在仿真分析中僅建立多用途工作船的艙段模型，而海上風電站的模型則采用全尺度模型。

5 000 t多用途工作船與海上風電站碰撞示意圖如圖1所示。

5 000 t多用途工作船撞擊海上風電站時，海上風電站結構的破壞比較大，而多用途工作船的結構受損較小。因此，有限元分析模型中將多用途工作船結構作為剛性體，在撞擊過程中不產生變形;海上風電站結構受損較嚴重的地方位于海平面附近，建立該部分結構的詳細模型，有限元模型中的材料類型采用彈塑性材料;葉片和機艙離水面較遠，基本不參與碰撞，其材料類型采用剛性材料。

采用集總參數法是將海底以下的土體簡化為彈簧加阻尼器的模型，根據土層的厚度和性質對樁-土系統進行離散，用連接在節點上的非線性阻尼單元和雙線性滯回彈簧單元處理土層對樁的作用。根據實際的海底地質情況，作以下簡化處理：

（1）假定海底的土層具有連續的線彈性性質，每層土的物理參數可以不一樣，但土的側向土物理性質在2個正交方向上不相關;

（2）主要研究樁基受到碰撞載荷后的變形情況和位移情況，不考慮樁基在受到撞擊后結構的振動過程，因此在考慮該問題時土的材料阻尼可忽略不計。

2.2? ?材料特性與失效準則

多用途工作船與海上風電站的碰撞是一個不斷變化的動態過程，在計算過程中，采用如下關系式來考慮應變速率對風電站結構變形的影響 ：

失效準則是判斷材料是否失效的衡準。在本文分析中，海上風電站結構的失效準則采用塑性應變準則。失效應變與網格尺寸和風電站結構的材料有關，構成海上風電站結構的材料主要為普通強度鋼和高強度鋼，而本算例中網格尺寸為50 mm，因此本算例中材料的失效應變取為0.3。

3? ? 土彈簧剛度的求解及計算工況

3.1? ?等效土彈簧剛度

在地基對樁的作用問題中，將地基等效為不同彈性模量的彈簧，并假定海底的土層具有連續的線彈性性質，得到樁側土壓力為：

3.2? ?計算工況

由于土層組成不一樣，利用瞬態非線性有限元分析程序MSC.Dytran計算表1所示兩種工況。

表1? 計算工況

4? ? 計算結果及分析

在t=1 s、撞擊速度為2 m/s條件下的計算結果如下：

4.1? ?應力應變值

工況1的剛性固定是指地基土的剛度趨于無窮大的情形。由仿真分析結果可以看出，在同一艘船的撞擊下，海上風電站結構在相同時刻兩種工況下的應力分布和結構變形情況都有差別。

（1）圖2所示為兩種工況的應力圖，從圖中可以得到：多用途工作船撞擊海上風電站后，出現高應力的位置基本上是一樣的，均在處于高危險碰撞位置處的管節點及與撞擊方向同一側的斜向撐管上;當地基性質不一樣時，工況1剛性地基時碰撞區域內管節點處高應力范圍比工況2大，這表明地基土的剛度對海上風電站的防撞能力有較大影響，剛度越大高應力區域也越大;

（2）在同一艘船的撞擊下，地基越軟、剛度越小，樁基礎和地基土吸收的能量就越多，海上風電站結構吸收的彈塑性變形能就越少，風電站結構的損傷就越小;反之，地基越硬、剛度越大，樁基礎和地基土吸收的能量就越少，而轉移到海上風電站結構上的彈塑性變形能就越多，風電站結構的損傷就會變大。

（3）圖3是同一時刻相同撞擊能量下，兩種工況的導管架結構應力應變圖。從圖中可以看出：工況1和工況2風電站結構應力較大的區域出現在相同的位置，主要是管節點和兩根斜撐管上;工況1由于地基剛度比較大，總體上各部位的應力和變形要比工況2大，管節點部位產生凹陷變形，部分撐管產生屈曲的情況。由此可見，剛性地基下的風電站的結構損傷比較大，這是由于地基是剛性的不能吸收能量，撞擊能量大部分被上部結構吸收了的緣故。

（4）圖4、圖5為工況2樁柱的應力應變圖。計及土對樁的反力作用時，鋼管樁中上部開始產生變形，越靠近泥面鋼管樁中上部的變形逐漸增大，應力也逐漸增加，而遠離泥面處的鋼管樁，應力及應力變化也較小。

4.2? ?防撞能力曲線及數據

（1）由圖6、圖7可知：工況1和工況2碰撞力隨撞入深度的變化關系圖和碰撞力隨時間的變化關系圖基本上具有相同的變化曲勢，都具有很強的非線性特征。多用途工作船剛接觸到風電站時，碰撞力迅速增加;碰撞進行到一定程度時，碰撞力呈波浪形狀緩慢變化;在碰撞的最后時刻，碰撞力線性地減小;

（2）由圖6圖7可知：最大碰撞力約為2.3×107 N。兩種工況的不同之處在于，工況1的最大碰撞力出現的時間比工況2早，最大碰撞力出現在0.2 s，而工況2出現在0.8 s，這說明地基越硬，最大碰撞力出現的時間越早;

（3）工況1的最大撞入深度為1.1 m、工況2下的最大撞入深度為1.3 m;地基的類型和剛度對最大撞入深度值有一定的影響，地基越硬，最大撞入深度也越深;

（4）圖8表示兩種工況下結構吸收能量的狀況。從圖8可以看出：同樣撞入深度下，地基的剛度越大，導管架結構吸收的能量就越多;

（5）圖9是兩種工況下能量的轉化時歷曲線。當多用途工作船撞擊海上風電站時，整個系統的能量主要是多用途工作船運動產生的動能和海上風電站結構變形時吸收的彈塑性變形能，而其他形式的能量較小;整個碰撞過程中，多用途工作船的動能轉化為不同類型的能量，包括導管架結構的彈塑性變形能、風電站增加的動能、地基的阻尼能、沙漏能等。為了較為清楚地反映這些能量在碰撞過程中的變化情況，圖9中給出了多用途工作船的動能和海上風電站彈塑性變形能的變化曲線。工況1和工況2的相同之處在于，工作船剛接觸到風電站時，工作船的動能約為2.07×107? J;碰撞進行到一定程度時，工作船的動能慢慢減小，風電站的彈塑性變形能慢慢加大，最后動能幾乎完全轉化成了風電站的彈塑性變形能;工況1和工況2的不同之處在于，地基的剛度越大，各種能量的轉化速率就越快，剛度越小，各種能量的轉化速率就越小。

由以上的計算分析可以得到：地基剛度對海上風電站結構的破壞程度、碰撞力和撞入深度的大小、結構的變形情況、應力情況都有一定程度的影響。剛度越大，地基吸收的能力就越少，海上風電站結構破壞就越嚴重;剛度越小，就可以幫助海上風電站結構吸收一部分能量，從而降低其破壞程度。但地基的剛度影響不了其破壞的模式和部位，只是破壞程度有所不同。

5? ? 結論

利用瞬態仿真程序MSC.Dytran，計算了剛性固定和考慮樁土相互作用時的海上風電站與多用途工作船碰撞時的情形，比較了兩種不同地基條件對海上風電站防撞能力的影響，得出以下結論：

（1）多用途工作船撞擊海上風電站，出現高應力的位置基本上是一樣的，均在處于高危險碰撞位置處的管節點及與撞擊方向同一側的斜向撐管上;地基土的剛度和參數對海上風電站防撞能力有一定影響，剛度越大高應力區域也越大;

（2）在同一艘船的撞擊下，地基越軟、剛度越小，樁基礎和地基土吸收的能量就越多，海上風電站吸收的彈塑性變形能就越少，風電站的損傷就越小;反之，地基越硬、剛度越大，樁基礎和地基土吸收的能量就越少，而轉移到海上風電站上的彈塑性變形能就越多，風電站的損傷就變大;

（3）計及土對樁的反力作用時，鋼管樁中上部開始產生變形：越靠近泥面，鋼管樁中上部的變形逐漸增大，應力也逐漸增加;而遠離泥面處的鋼管樁，應力較小，應力變化也較小;

（4）不同地基類型時，碰撞力隨撞入深度關系圖和碰撞力隨時間的變化關系圖基本上具有相同的變化曲勢，且都具有很強的非線性特征;

（5）地基的類型和剛度對最大碰撞力和撞入深度的值有一定的影響，地基越硬，碰撞力的最大值就越大，撞入深度的最大值就越大;

（6）地基的剛度越大，各種能量的轉化速率就越快;剛度越小，各種能量的轉化速率就越小。

參考文獻

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