考虑桩土相互作用的海上风电站防撞能力研究

李艳贞 黎剑

摘    要：桩与土之间的相互作用对导管架式海上风电站结构的防撞能力有较大影响。本文针对不同的地基土特性，利用瞬态仿真程序MSC.Dytran对一艘5000t多用途工作船撞击海上风电站的动态过程进行了数值计算。计算结果表明，地基土的软硬程度对海上风电站结构的损伤特性、碰撞载荷大小以及结构的能量吸收有比较明显的影响。

关键词：海上风电站;桩土相互作用;船舶碰撞;结构抗撞性

中图分类号：U661.4                                文献标识码：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

近年来，世界海上风电场的建设进入了规模化发展时期，全球海上风电机组总装机容量已超过23 GW。我国也正在东海、山东威海海域建立大型海上风电场，并在诸多沿海海域筹建更多的海上风电场。随着海上风电场的蓬勃发展，海上风电站遭受过往船只撞击的可能性增加，因此有必要对海上风电站的防撞能力进行研究，为其耐撞性结构设计提供参考。

集总参数法是分析桩-土动力相互作用问题的一种重要方法。该方法是由美国学者Penzime等提来的;Trochanis等用地基梁来表示土对桩的影响并与有限元方法进行了比较，得到的结果基本一致;Nogami和Konagai对地基梁方法进行了完善，用阻尼力来表示土对桩的作用问题[1]。由于土的可压缩性，桩土相互作用时土对桩的作用相当于弹簧对桩的作用并同时并对桩提供阻尼，因此可简化为弹簧和阻尼器的简易物理模型;Gazetas等将这种简易的物理方法进行优化和完善，并应用于桥梁和地基的相互作用问题的分析中，得到了较好的结果。

本文采用集总参数法考虑海上风电站桩基和土的相互作用问题，并采用瞬态仿真程序MSC.Dytran对海上风电站的防撞能力进行了详细的计算分析，得到海上风电站被一艘5 000 t多用途工作船撞击后的变形情况、碰撞力随撞入深度的变化曲线、碰撞力随时间的变化曲线以及各种碰撞能量之间的相互转化曲线等，并分析了不同地基类型对风电站结构防撞能力的影响。

2     分析模型

2.1   分析模型及其简化

本文研究的风电站模型为一桁架式海上风电站，包括：叶片、机舱、塔架、导管架和桩基等。该风电站模型总高48 m，其中水面以上桁架总高30 m、水面以下桁架总高18 m;共有3个叶片，每片长35 m、重量6.8 t;，機舱整体重量76 t、塔架整体重量128 t;塔架整体为桁架结构，顶端宽度2.8 m、底端最大宽度3.8 m。由3根主管和若干撑管组成，主管的直径为760 mm、厚度28 mm，材料为普通强度钢;撑管的直径为448 mm、厚度18 mm;泥面以下的桩基础采用3根钢管，长度为42 m。材料为高强度钢。

与海上风电站发生碰撞的船舶是一艘多用途工作船，满载时排水量约为5 000 t、型宽14.8 m、型深7.25 m、吃水6.2 m。由于本文的分析重点是海上风电站结构被撞击后的结构破坏情况，所以在仿真分析中仅建立多用途工作船的舱段模型，而海上风电站的模型则采用全尺度模型。

5 000 t多用途工作船与海上风电站碰撞示意图如图1所示。

5 000 t多用途工作船撞击海上风电站时，海上风电站结构的破坏比较大，而多用途工作船的结构受损较小。因此，有限元分析模型中将多用途工作船结构作为刚性体，在撞击过程中不产生变形;海上风电站结构受损较严重的地方位于海平面附近，建立该部分结构的详细模型，有限元模型中的材料类型采用弹塑性材料;叶片和机舱离水面较远，基本不参与碰撞，其材料类型采用刚性材料。

采用集总参数法是将海底以下的土体简化为弹簧加阻尼器的模型，根据土层的厚度和性质对桩-土系统进行离散，用连接在节点上的非线性阻尼单元和双线性滞回弹簧单元处理土层对桩的作用。根据实际的海底地质情况，作以下简化处理：

（1）假定海底的土层具有连续的线弹性性质，每层土的物理参数可以不一样，但土的侧向土物理性质在2个正交方向上不相关;

（2）主要研究桩基受到碰撞载荷后的变形情况和位移情况，不考虑桩基在受到撞击后结构的振动过程，因此在考虑该问题时土的材料阻尼可忽略不计。

2.2   材料特性与失效准则

多用途工作船与海上风电站的碰撞是一个不断变化的动态过程，在计算过程中，采用如下关系式来考虑应变速率对风电站结构变形的影响 ：

失效准则是判断材料是否失效的衡准。在本文分析中，海上风电站结构的失效准则采用塑性应变准则。失效应变与网格尺寸和风电站结构的材料有关，构成海上风电站结构的材料主要为普通强度钢和高强度钢，而本算例中网格尺寸为50 mm，因此本算例中材料的失效应变取为0.3。

3    土弹簧刚度的求解及计算工况

3.1   等效土弹簧刚度

在地基对桩的作用问题中，将地基等效为不同弹性模量的弹簧，并假定海底的土层具有连续的线弹性性质，得到桩侧土压力为：

3.2   计算工况

由于土层组成不一样，利用瞬态非线性有限元分析程序MSC.Dytran计算表1所示两种工况。

表1  计算工况

4    计算结果及分析

在t=1 s、撞击速度为2 m/s条件下的计算结果如下：

4.1   应力应变值

工况1的刚性固定是指地基土的刚度趋于无穷大的情形。由仿真分析结果可以看出，在同一艘船的撞击下，海上风电站结构在相同时刻两种工况下的应力分布和结构变形情况都有差别。

（1）图2所示为两种工况的应力图，从图中可以得到：多用途工作船撞击海上风电站后，出现高应力的位置基本上是一样的，均在处于高危险碰撞位置处的管节点及与撞击方向同一侧的斜向撑管上;当地基性质不一样时，工况1刚性地基时碰撞区域内管节点处高应力范围比工况2大，这表明地基土的刚度对海上风电站的防撞能力有较大影响，刚度越大高应力区域也越大;

（2）在同一艘船的撞击下，地基越软、刚度越小，桩基础和地基土吸收的能量就越多，海上风电站结构吸收的弹塑性变形能就越少，风电站结构的损伤就越小;反之，地基越硬、刚度越大，桩基础和地基土吸收的能量就越少，而转移到海上风电站结构上的弹塑性变形能就越多，风电站结构的损伤就会变大。

（3）图3是同一时刻相同撞击能量下，两种工况的导管架结构应力应变图。从图中可以看出：工况1和工况2风电站结构应力较大的区域出现在相同的位置，主要是管节点和两根斜撑管上;工况1由于地基刚度比较大，总体上各部位的应力和变形要比工况2大，管节点部位产生凹陷变形，部分撑管产生屈曲的情况。由此可见，刚性地基下的风电站的结构損伤比较大，这是由于地基是刚性的不能吸收能量，撞击能量大部分被上部结构吸收了的缘故。

（4）图4、图5为工况2桩柱的应力应变图。计及土对桩的反力作用时，钢管桩中上部开始产生变形，越靠近泥面钢管桩中上部的变形逐渐增大，应力也逐渐增加，而远离泥面处的钢管桩，应力及应力变化也较小。

4.2   防撞能力曲线及数据

（1）由图6、图7可知：工况1和工况2碰撞力随撞入深度的变化关系图和碰撞力随时间的变化关系图基本上具有相同的变化曲势，都具有很强的非线性特征。多用途工作船刚接触到风电站时，碰撞力迅速增加;碰撞进行到一定程度时，碰撞力呈波浪形状缓慢变化;在碰撞的最后时刻，碰撞力线性地减小;

（2）由图6图7可知：最大碰撞力约为2.3×107 N。两种工况的不同之处在于，工况1的最大碰撞力出现的时间比工况2早，最大碰撞力出现在0.2 s，而工况2出现在0.8 s，这说明地基越硬，最大碰撞力出现的时间越早;

（3）工况1的最大撞入深度为1.1 m、工况2下的最大撞入深度为1.3 m;地基的类型和刚度对最大撞入深度值有一定的影响，地基越硬，最大撞入深度也越深;

（4）图8表示两种工况下结构吸收能量的状况。从图8可以看出：同样撞入深度下，地基的刚度越大，导管架结构吸收的能量就越多;

（5）图9是两种工况下能量的转化时历曲线。当多用途工作船撞击海上风电站时，整个系统的能量主要是多用途工作船运动产生的动能和海上风电站结构变形时吸收的弹塑性变形能，而其他形式的能量较小;整个碰撞过程中，多用途工作船的动能转化为不同类型的能量，包括导管架结构的弹塑性变形能、风电站增加的动能、地基的阻尼能、沙漏能等。为了较为清楚地反映这些能量在碰撞过程中的变化情况，图9中给出了多用途工作船的动能和海上风电站弹塑性变形能的变化曲线。工况1和工况2的相同之处在于，工作船刚接触到风电站时，工作船的动能约为2.07×107  J;碰撞进行到一定程度时，工作船的动能慢慢减小，风电站的弹塑性变形能慢慢加大，最后动能几乎完全转化成了风电站的弹塑性变形能;工况1和工况2的不同之处在于，地基的刚度越大，各种能量的转化速率就越快，刚度越小，各种能量的转化速率就越小。

由以上的计算分析可以得到：地基刚度对海上风电站结构的破坏程度、碰撞力和撞入深度的大小、结构的变形情况、应力情况都有一定程度的影响。刚度越大，地基吸收的能力就越少，海上风电站结构破坏就越严重;刚度越小，就可以帮助海上风电站结构吸收一部分能量，从而降低其破坏程度。但地基的刚度影响不了其破坏的模式和部位，只是破坏程度有所不同。

5    结论

利用瞬态仿真程序MSC.Dytran，计算了刚性固定和考虑桩土相互作用时的海上风电站与多用途工作船碰撞时的情形，比较了两种不同地基条件对海上风电站防撞能力的影响，得出以下结论：

（1）多用途工作船撞击海上风电站，出现高应力的位置基本上是一样的，均在处于高危险碰撞位置处的管节点及与撞击方向同一侧的斜向撑管上;地基土的刚度和参数对海上风电站防撞能力有一定影响，刚度越大高应力区域也越大;

（2）在同一艘船的撞击下，地基越软、刚度越小，桩基础和地基土吸收的能量就越多，海上风电站吸收的弹塑性变形能就越少，风电站的损伤就越小;反之，地基越硬、刚度越大，桩基础和地基土吸收的能量就越少，而转移到海上风电站上的弹塑性变形能就越多，风电站的损伤就变大;

（3）计及土对桩的反力作用时，钢管桩中上部开始产生变形：越靠近泥面，钢管桩中上部的变形逐渐增大，应力也逐渐增加;而远离泥面处的钢管桩，应力较小，应力变化也较小;

（4）不同地基类型时，碰撞力随撞入深度关系图和碰撞力随时间的变化关系图基本上具有相同的变化曲势，且都具有很强的非线性特征;

（5）地基的类型和刚度对最大碰撞力和撞入深度的值有一定的影响，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）地基的刚度越大，各种能量的转化速率就越快;刚度越小，各种能量的转化速率就越小。

参考文献

[1]海上风电站遭遇船舶侧向撞击时的结构动力响应分析[J]. 振动与冲击， 2010（10）.

[2]船舶撞击速度对海上风电站结构防撞能力的影响[J]. 江苏科技大学学报自然科学版，  2010（3）.

[3]江华涛， 顾永宁. 油轮首部结构碰撞特性[J]. 上海交通大学学报， 2003， 37（7）， 985-989.

[4]中华人民共和国交通部. 公路桥涵地基与基础设计规范[S].  北京： 人民交通出版社， 1985.

[5]基于钢夹层板（SPS）的FPSO舷侧耐撞性能分析[J]. 广东造船，2014（6）.