海上风电单桩基础抗冰锥结构设计

陈 立

(上海勘测设计研究院有限公司，上海200434)

0 前 言

渤海及黄海北部海域风能储备密度大，秦皇岛、曹妃甸、蓬莱等一系列环渤海地区，均已成为我国“十三五”海上风电产业战略部署的重要组成部分。然而，在渤海及黄海北部海域冬季，伴随巨大风能储备的是大面积的海冰作用威胁和低温冻结威胁。目前，我国已建立的海上风电场多针对无冰海域，对于有冰海域的海上风电场建设尚缺乏经验。大量的工程显示，海冰会对海洋结构工程产生巨大的危害。1969年渤海发生特大冰封，巨大的海冰直接将矗立在海上的“海二井”石油平台推倒，造成了建国以来最大的由于海冰导致的石油平台事故。多年来的监测数据显示，渤海及北黄海冰区海洋结构(特别是海洋石油平台结构)一直受到海冰的影响，2000年锦州20-2MSW平台在海冰的强烈作用下，平台上的放空管因剧烈晃动而断裂，导致了天然气泄漏事故[1-2]。放眼全球，阿拉斯加库克湾的采油平台[3- 4]、北欧的Bothnia湾灯塔[5]等冰区海洋结构都不同程度地遭到过海冰的破坏。因此可以说，海冰是关乎海洋结构安全的全球性问题。

海上风电单桩基础作为一种高耸的柔性结构，较之传统的海洋工程结构，在海冰的作用之下，会产生更加敏感和复杂的动态响应行为。本文基于渤海及北黄海海域海上石油平台的抗冰锥设计理念，给出了单桩基础的抗冰锥设计方法，并针对北黄海某一海上风电工程，详细研究了该工程海域的海冰冰情，采用本文的方法对抗冰锥体结构进行了设计，并利用ANSYS有限元软件建立能够反映所设计抗冰锥体实际体形的三维有限元分析模型并进行强度校核。

1 锥体结构抗冰设计

1.1 锥体结构抗冰原理

通常情况下，冰排在结构物前可能产生挤压、压屈、剪切、弯曲等破坏形式，由于海冰的弯曲强度远远小于其抗压强度，因此，采用合适的结构形式将使得海冰变为弯曲破坏，可以大大减小海冰的作用力。对于直立桩而言，在桩身潮位附近加装锥体结构，冰与锥体在相互作用时能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，可以使得海冰作用在结构上的荷载大大降低。这种观点已经得到了理论和室内试验的验证[6-7]，许多原型抗冰结构在冰作用面也被设计成锥面形式[8-9]。

此外，柔性结构在海冰动力作用下，通常会产生一定幅值的振动，被称为冰激振动。在特定冰况下，受结构运动的影响，海冰挤压破坏稳定在韧脆转变区间，形成与结构固有频率“锁定”的“锯齿形”冰力，现场观测和模型试验均发现，冰力作用下结构的振动存在“频率锁定”现象。已有的研究成果表明，我国渤海及黄海北部的海冰特征所导致的冰激振动问题比极区国家更加突出，强烈的稳态加速度振动会影响设备运行和导致人员感受不适[10]，而大量的试验与现场监测也表明，当结构上增加锥体结构后，冰激振动的危害会大大降低[11]。

1.2 海上风场单桩抗冰设计

现阶段，我国有关海上导管架平台结构设计的规范主要有《海上固定平台入级与建造规范》、《浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范》、《渤海海域钢质固定式平台结构设计规定》、《中国海海冰条件及应用规定》等，还没有针对海上风电基础的抗冰设计规范或者指导文件。目前对于北方海上风场结构基础的抗冰设计也是主要参考海洋石油平台的设计理念，选择可靠的抗冰工程措施。

因此，借鉴海上石油平台的抗冰设计经验，在单桩上加装锥体结构进行抗冰，选择的单桩基础抗冰锥由正、倒锥组合体一般由两个圆锥体对接构成，如图1所示。针对这样的海上风机单桩基础抗冰锥，列出几个主要的设计参数如下[12]：①冰锥标高。海冰与锥体作用位置随潮位而变化，冰锥的上下标高要使得锥体的高度能够完全覆盖冰磨蚀区。②冰锥角度。冰锥角度决定了抗冰的作用效果，大量试验表明，冰锥锥角在50°～65°时效果较好。③冰锥高度。考虑冰在锥面上的运动，在冰锥设计时，除了冰磨蚀范围，还要结合冰的爬升/堆积高度和施工、测量等方面的误差综合考量。冰锥的角度与高度确定后，冰锥的直径也随之确定。

图1 抗冰锥结构示意

冰锥的各个构件的厚度需要通过计算校验其强度，并满足相应的构造要求。除此之外，设计需要考虑抗冰锥制作时，锥壳内部设径向肋板，肋板端部与风机钢管桩及水密隔板焊接。锥体直径应充分考虑电缆管、靠船件、灌浆管线(如有)、牺牲阳极等其他附属设施的布置要求，当有附属设施穿过时，锥体处开有圆孔或凹槽，内部设置加强环。综上，单桩结构的主要设计流程如图2所示。

图2 海上风电单桩抗冰锥设计流程

2 某海上风场抗冰锥结构设计

2.1 工程简介

某海上风电场项目位于辽宁省庄河市石城岛东侧、黑岛电厂南侧近海海域，场址中心距离岸线约22 km。风场主要采用单桩基础形式，该工程场址区域基础水深平均海平面下约16～26 m。该风场3 MW单桩基础方案拟采用一根直径为D5 500～5 800 mm钢管桩打入海底基床深处，桩顶高程12.00 m。钢管桩桩身外挂靠船设施、钢爬梯及休息平台、电缆J形管等。

工程海域潮汐属规则半日潮。此海域各月平均潮差、最大潮差及最小潮差无明显的季节变化规律，冬季的最大潮差约有7 m。

2.2 海域冰情

风电场附近海域冰情状况见表1。

结合海冰规范Q/HSn 3000—2002《中国海海冰条件及应用规范》，风场位于规范中18冰区内，50年一遇冰厚33.2 cm。冰的物理力学性质参考《中国海海冰条件及应用规范》执行。

表1 工程附近海域冰情状况

2.3 单桩抗冰锥主体结构设计

拟选择的抗冰锥的结构为：在桩腿上的冰磨蚀区安装正、倒锥组合体抗冰结构。根据潮差计算冰磨蚀区的范围，抗冰锥圆管环的位置设置于0.25 m高程处；根据所算的冰蚀区范围，考虑冰排一定的爬高，整个抗冰锥高约7.5 m。上下锥对称布置，锥角约为60°。为了便于单桩基础安装施工，抗冰锥设计为一个后灌浆套筒形式，在主体钢管桩沉桩结束后，将冰锥套筒通过高强灌浆料后灌浆，使之与钢管桩结构成为一个整体。抗冰锥结构设计如图3所示。

图3 单桩抗冰锥结构设计

抗冰锥体结构采用Q345E级钢建造，抗冰锥体结合部设有水密隔板和圆管环，将抗冰锥体分隔为上、下两个独立的水密室。锥壳内部设径向肋板，肋板端部与导管架主腿及水密隔板焊接。锥壳板、水密隔板和肋板之间的连接均以圆管环为过渡构件。J形管等附属设施在锥体上的布置间隔匀称，避免出现冰堵塞，且便于抗冰锥体的建造。在主体及其他构件形式基本确定后，需要对结构进行有限元分析，确定各构件尺寸。

2.4 抗冰锥体强度校核

2.4.1 有限元计算模型

根据设计出的抗冰锥结构，利用ANSYS有限元软件建立了反映实际尺寸的三维有限元分析模型，抗冰锥单桩基础有限元模型共有102 424个节点，114 399个单元。冰锥的结构包括外部套筒、上下锥面、肋板、水密隔板、隔板、圆管环等部分组成，抗冰锥锥面钢结构冰蚀裕量取5 mm。

计算考虑3MW风机基础风机荷载，作用在塔架底端。参考DNV-OS-J101∶2014《Design of offshore wind turbine structures》、《海上风电场工程风电机组基础设计规范》(征求意见稿)以及JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》的相关规定的荷载分项系数及抗力系数求得冰荷载，并对设计高至设计低水位之间的各个水位工况进行抗冰锥结构的强度校核。

2.4.2 结果及分析

为了保证抗冰锥体结构满足要求，需要进行大量的试算工作，这里给出大量调试后最终的计算结果。表2给出了各个构件的最大Von-Mises应力值及发生的部位。从表2可以看出，结构的锥面板产生的应力较大，其他构件Von-Mises应力值均小于130 MPa。图4给出了从设计高水位到设计低水位作用下，抗冰锥体结构的最大应力值。从图4可以看出，最大应力发生在设计高水位位置，最大值为318 MPa，由于肋隔板的设置，有效地减小了抗冰锥表面的应力。

表2 冰荷载作用下抗冰锥结构Von-Mises应力最大值

图4 抗冰锥最大应力与海冰作用高程关系

在冰力作用下，抗冰锥主要体现冰荷载导致的局部应力较大，风机荷载对抗冰锥结构的应力影响较小，抗冰锥结构应力最大的部位位于两肘板的中间。综上，本文提出的抗冰锥结构强度能够满足要求。

2.5 抗冰锥最终结构

根据前述有限元计算结果，工程拟设计的抗冰锥结构尺寸为：正、倒锥壳板采用25 mm钢板，上下堆成布置；肋板采用20 mm钢板，沿抗冰锥面板共设18道(20°/道)；圆环管采用φ159 mm×16 mm的圆管，圆管环与抗冰锥套筒之间设置一道25 mm厚水密隔板；上下锥面内侧各设置3道16 mm厚肋隔板。考虑到结构的靠船、施工安装等附属构件，拟采用的抗冰锥结构最终设计效果如图5所示。

图5 单桩抗冰锥结构设计效果

3 结 论

本文借鉴海洋石油平台的抗冰锥设计方法，给出了海上风电单桩基础的设计方法，并对我国北方的某海上风电单桩基础抗冰锥结构进行设计，设计的抗冰锥结构能够抵御工程海域各个潮位的海冰，并且强度能够满足要求。目前，对于有冰区域海上

风机的抗冰研究还较少，为了更好地进行单桩结构的抗冰设计，需要继续开展海域冰情的调查与搜集、相关规范或标准的编写、冰荷载的计算、抗冰锥的优化、其他抗冰工程措施等研究工作。