改进的台风下单桩海上风机易损性分析方法及应用

黄国庆　赵晨旭　周绪红　 魏凯　吴凤波　 张诗宜

摘要： 提出了一种改进的台风作用下单桩海上风机易损性分析方法，该方法包括：进行台风模拟，根据模拟台风确定单桩海上风机处的风浪强度指标;将风浪荷载施加在单桩海上风机上，在考虑荷载随机性的情况下得到风机塔筒和桩基的响应极值概率分布曲线;基于非线性屈曲分析得到风机主要构件的承载力概率分布曲线;结合风机主要构件的屈服和屈曲等承载力概率分布曲线，求得单桩海上风机在屈服或屈曲模式下的破坏概率。同时结合江苏某风电场的风浪特性对某 5 MW风机进行了风致易损性分析。分析结果可为提升海上风机抗台风风险能力提供参考。

关键词： 易损性; 单桩海上风机; 台风; 屈服; 屈曲

中图分类号： TU352.2; TK83    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0331-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.008

引  言

风能由于分布广泛、储量巨大以及风电技术的快速提升等原因，目前已成为最具备大规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源之一。截至2019年底，全球风电累计装机容量为651 GW，较2001年底增长超过26倍。

相对于陆上风电，海上风电具有风速更高、年利用小时长和不占用土地资源等优点。此外，沿海地区经济相对发达，便于就地消纳电能。截止到2018年，全球海上风电装机容量已达到23 GW，自2011年以来每年增长将近30%。中国在近年更是跻身于海上风电市场领导者之列。目前，中国海上风电并网装机容量已达到5 GW，今后还有更加广阔的开发前景。但中国海上风电在快速发展的同时也面临着严峻的极端灾害挑战，其中台风是引起经济损失和结构破坏最严重的自然灾害之一。据统计，每年约7个台风会登陆中国，对沿海陆上风机造成巨大威胁。2008年，台风“蔷薇”导致中国台湾台中港一台陆上风机倒塌，五台陆上风机叶片损坏;2010年，台风“鲇鱼”造成福建六鳌风电场三期Z13号风电机组倒塌、Z10号机组叶片折断。与陆上风机相比，中国海上风机建设时间较短，暂未有相关灾害报道。但台风过境时，海上风速更大，而且存在波浪，海上风机面对的风险可能更大。因此，有必要对海上风机在台风下的风险进行评估。

Kim等对地震作用下的单桩海上风机进行了易损性分析，得到了单桩风机在四种损坏限定条件下的易损性曲线，但该研究仅考虑了地震作用，而忽略了风浪荷载带来的影响。Asareh等在考虑多种损坏模式的情况下，得到陆上风机在风和地震共同作用时的易损性曲线，该研究认为，当风速达到额定风速时，即使在较小的地震强度作用下，风机塔筒也会发生损坏。但该研究重点关注地震荷载的作用，考虑的最大风速为10 m/s，未能体现出大风情况下风荷载对结构破坏的影响程度。Mardfekri等进行了风浪荷载以及地震荷载作用下处于运行状态的单桩海上风机支撑结构的易损性分析。该研究在剪切破坏和弯曲破坏两种失效模式下对支撑结构进行损坏概率分析，发现单桩风机支撑结构在环境荷载的作用下主要为受弯破坏。同时，研究发现在运行状态下，结构破坏受风速的影响较大，且达到额定风速时，支撑结构破坏概率最大。高庆水等在50年一遇的极端风和不同强度的地震耦合作用下对风机塔架进行了倒塌分析，得到了风机在近场和远场地震作用下的易损性曲线。

近年来海上风机易损性研究都着眼于地震带来的风险，而对极端风浪下的风险评估研究较少。Wilkie等选择以美国东部海岸以及北部海域为研究点，在考虑材料和尺寸随机性的情况下对单桩海上风机支撑结构进行风浪作用下的易损性分析。该研究以重现期为强度指标，假设同一重现期下的风速和波高一一对应，得到了不同重现期下风机各构件的损坏概率。Hallowell等以美国大西洋沿岸多个风电场为研究点，量化了单樁海上风机在飓风引起的风和浪中失效的风险。该研究计算出了美国大西洋沿岸风机在偏航系统正常运行时以及偏航系统失效时的损坏概率。

在进行台风作用下的易损性分析时，风浪强度的正确评估直接影响到了风机响应的概率分布。在Hallowell等的研究中分别采用Holland模型以及Young模型计算风速和波高。值得注意的是，Young模型对于有效波高的计算仅适用于无限水深的情况，而单桩海上风机的适用条件都是在30 m水深以内的浅海区域，所以对于波浪要素的计算需要更为合适的模型。另外，该研究中的塔筒以及桩基的屈曲承载力是基于圆钢管受弯实验得到的，而真实风机的支撑结构是变截面的，其风致屈曲更为复杂，所以要选择更合适的方法评估结构承载力。

针对以上情况，本文提出了一种改进的台风作用下海上风机易损性分析方法，并应用于中国的某海上风电场。本文的主要内容如下：1）介绍了台风下易损性分析框架;2）以江苏某风电场为研究点，根据历史台风的统计数据进行台风样本模拟，根据台风关键参数采用更为合理的风浪模型计算出研究点处的风浪强度;3）以风浪强度作为外荷载输入，基于FAST计算出单桩海上风机的结构响应;4）基于ANSYS计算出支撑结构屈曲承载力;5）根据结构的响应概率分布曲线和承载力概率分布曲线计算出风机结构（塔筒及桩基）的损坏概率。