海上風(fēng)電深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)的應(yīng)力響應(yīng)研究

魏興麟，彭 亞，柯逸思

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335；2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司福建能源投資有限公司，福建 福州 350003)

近年來，隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)總體裝機(jī)容量增速不斷提高，風(fēng)電場選址逐步向開發(fā)潛力更大的深遠(yuǎn)海區(qū)域發(fā)展。眾多風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)類型中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)剛度較大，海上作業(yè)時(shí)間相對較短，基礎(chǔ)與波浪接觸范圍受力面較小等特點(diǎn)，這些獨(dú)特的優(yōu)勢使得導(dǎo)管架基礎(chǔ)逐步在深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電項(xiàng)目中推廣[1-3]。

國內(nèi)外的工程實(shí)踐與相關(guān)研究表明，導(dǎo)管架基礎(chǔ)適用于水深20～50 m左右的深水海域，導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一個(gè)鋼質(zhì)錐臺(tái)形空間框架，以鋼管為骨棱，根據(jù)樁數(shù)不同可設(shè)計(jì)成三樁、四樁等多樁導(dǎo)管架，其上部結(jié)構(gòu)采用桁架式，受力面積較小，結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)和桿件的連接是否可靠，在荷載作用下它們的抗力能否滿足承載強(qiáng)度的要求[4-8]。在深遠(yuǎn)海風(fēng)電場建設(shè)區(qū)域，海洋風(fēng)浪等環(huán)境荷載使基礎(chǔ)受荷載形式更為復(fù)雜，且在國內(nèi)工程實(shí)踐中尚未有過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。本文將針對深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海洋環(huán)境中的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，探究導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)體系中受力的關(guān)鍵位置，對導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海上風(fēng)電工程領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣有重要的意義。

在國內(nèi)外的工程實(shí)踐中，API-Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms - Load and Resistance Factor Design》(以下簡稱API RP2A-LRFD)的桿件校核方法獲得行業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)同，本文將基于等效約束的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型，利用API-RP2A-LRFD的應(yīng)力校核準(zhǔn)則對導(dǎo)管架基礎(chǔ)的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行研究[9-10]。

1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的應(yīng)力響應(yīng)

1.1 圓管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

鋼制導(dǎo)管架的主體結(jié)構(gòu)由圓柱形構(gòu)件相互連接組成，根據(jù)API RP2A-LRFD有關(guān)規(guī)定，針對導(dǎo)管架的所有圓柱形構(gòu)件，在外部荷載作用的情況下，所有的橫截面都滿足強(qiáng)度校核的要求，在聯(lián)合荷載作用下，圓柱形構(gòu)件發(fā)生軸向壓縮和彎曲時(shí)，設(shè)計(jì)長度上任一截面均要滿足[11]：

Fc<φcFxc

對于軸向拉伸和彎曲荷載聯(lián)合作用下的圓形構(gòu)件，在設(shè)計(jì)長度方向上的所有橫截面都需滿足：

另外，當(dāng)桿件在橫向剪切作用下，必須滿足：

fv≤φvFvn

在扭轉(zhuǎn)剪切作用下，必須滿足：

fvt≤φvFvtn

其中，F(xiàn)vn、Fvtn分別為名義剪切強(qiáng)度和名義扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度；fv、fvt分別為最大剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力；φv為橫向抗剪切系數(shù)，取0.95。

在強(qiáng)度校核的時(shí)候，引入U(xiǎn)C值(Interaction Unity Check Ratios)概念，確定管狀構(gòu)件統(tǒng)一驗(yàn)算的應(yīng)力比，對于每根管狀構(gòu)件，在所有工況下都需要檢查所有荷載組合作用下的強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值，并且將最高比例的UC值確定為極限值[12]。UC值可以表示桿件處于極限狀態(tài)的程度，UC值不大于1則表示桿件強(qiáng)度滿足強(qiáng)度校核的要求[11]。

1.2 深水導(dǎo)管架的應(yīng)力響應(yīng)

某海上風(fēng)電項(xiàng)目深水導(dǎo)管架的外部環(huán)境荷載如表1所示。

表1 環(huán)境荷載表

計(jì)算模型如圖1，其中建筑總高度49 m，頂部間距10 m，底部間距24 m，主體結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)形式，考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和建造便利性，桁架采用三層設(shè)計(jì)，每層弦桿首尾相接，弦桿之間通過X型節(jié)點(diǎn)相互連接，導(dǎo)管架下部插入鋼管樁，上部平臺(tái)法蘭與風(fēng)機(jī)機(jī)組連接平臺(tái)及其他輔助設(shè)備。

圖1 導(dǎo)管架模型結(jié)構(gòu)圖

在等效約束模型中，上部平臺(tái)和風(fēng)機(jī)荷載(見表2)在導(dǎo)管架頂部法蘭連接面處可等效為集中荷載，波浪流荷載表現(xiàn)為模型環(huán)境中的流體場。土體模型部分，對于海上風(fēng)電樁式基礎(chǔ)，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，下部通過有限撓度和橫向作用的地基模型加以約束可以取得較好的效果，故本文中使用該方法模擬樁-土相互作用[13]。

表2 風(fēng)機(jī)荷載表

弦桿直徑1.2～1.5 m，壁厚40～50 mm；斜撐直徑0.5～0.6 m，壁厚20～30 mm；各層弦桿與斜撐之間的夾角為50°～60°。

經(jīng)荷載計(jì)算，導(dǎo)管架基礎(chǔ)各桿件的應(yīng)力云圖和強(qiáng)度校核結(jié)果如表3所示。

表3 UC值分布表

由表3可知，極限工況條件下，導(dǎo)管架架體自下而上彎曲應(yīng)力水平逐漸減小，軸向應(yīng)力逐漸增大，弦桿作為主體支撐結(jié)構(gòu)，UC值水平明顯較斜撐更大。故根據(jù)弦桿的應(yīng)力狀態(tài)分布，可以得到導(dǎo)管架整體自下而上的應(yīng)力狀態(tài)變化情況。且彎矩應(yīng)力的變化幅度明顯大于軸力變化，根據(jù)公式可知，故整體UC值的變化對導(dǎo)管架彎曲值的改變更為敏感。

弦桿長度方向自下而上彎矩分布如圖2所示。

圖2 弦桿應(yīng)力分布圖

由圖2可知，深水導(dǎo)管架的應(yīng)力水平在底層弦桿明顯較上層更大，弦桿的最大有效彎矩及最大UC值均出現(xiàn)在導(dǎo)管架架腿底部，一層弦桿整體應(yīng)力水平及UC值明顯比二三層弦桿更大；彎矩值在整體導(dǎo)管架架體上表現(xiàn)出自下而上逐漸減小的趨勢，底層弦桿彎矩值自26 000 kN·m，減小至20 000 kN·m，在一二層弦桿交界處(Z=8 m)迅速減小至6 000 kN·m左右，之后隨著距離底端距離的增加，弦桿彎矩值在區(qū)間內(nèi)均勻減小，頂端位置彎矩值約為3 500 kN·m。底層弦桿UC值約為0.7左右，在一二層弦桿交界處迅速減小至0.5左右，之后均保持在同一水平。

導(dǎo)管架自上而下的應(yīng)力狀態(tài)變化，表明導(dǎo)管架下層架體受力較大，隨著弦桿桿件尺寸的逐步減小，UC值可以保持同一水平，故在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐中，使用下層導(dǎo)管架“大直徑，大壁厚”，上層導(dǎo)管架“小直徑，小壁厚”的尺寸特點(diǎn)符合導(dǎo)管架的受力特性。

由此可見，導(dǎo)管架基礎(chǔ)應(yīng)力分布的關(guān)鍵位置在于弦桿的最下層與斜撐相交K節(jié)點(diǎn)位置(如圖3所示)，該處導(dǎo)管架整體彎曲應(yīng)力最大且UC值較大，安全余度不足，且該位置節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，下部為插入鋼管樁的豎直段，與斜撐相連，容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，若發(fā)生破壞，容易造成導(dǎo)管架整體危險(xiǎn)，故在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要針對該處進(jìn)行針對性加強(qiáng)。實(shí)際操作上，可以考慮將下層弦桿在保證徑厚比的前提下盡量增加壁厚，以增加桿件橫截面面積的方法，增加桿件強(qiáng)度；在節(jié)點(diǎn)連接處增大壁厚，也可以使鋼材的縱向性能局部加強(qiáng)。

圖3 底層導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示意圖

2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

深水導(dǎo)管架的應(yīng)力分布表現(xiàn)在底層應(yīng)力較大，弦桿的應(yīng)力相較于斜撐更大，且隨導(dǎo)管架弦桿距泥面距離的增加而減小。故本節(jié)將針對導(dǎo)管架底層弦桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析，討論底層桁架的桿件強(qiáng)度變化情況，并針對桿件校核結(jié)果，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。在分階段設(shè)計(jì)方法中導(dǎo)管架基礎(chǔ)的尺寸變化，不會(huì)影響導(dǎo)管架基礎(chǔ)周圍的流體環(huán)境荷載，可以將流體荷載考慮為不變的等效荷載考慮[14]。

2.1 敏感性分析

2.1.1 弦桿尺寸屬性

為了保證導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體剛性，控制每組變量變化值，單獨(dú)改變管狀節(jié)點(diǎn)的主要尺寸屬性直徑或壁厚，設(shè)置2類共10組對照組，如表4所示，表中值代表弦桿直徑或壁厚的增量。

表4 弦桿變量分析組表 cm

計(jì)算結(jié)果對比如圖4、圖5。

由圖4可知，當(dāng)弦桿直徑單獨(dú)增大，弦桿承受的最大彎矩值也增大，但校核UC卻逐漸減小。其中弦桿彎矩由最大值22 000 kN·m上升到27 000 kN·m，變化幅度為22.7%；校核UC值由0.86下降到0.65，變化幅度為24.4%。雖然彎矩值增大，但弦桿的直徑增大，管樁構(gòu)件屈服強(qiáng)度也同時(shí)上升，故在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中，大直徑構(gòu)件對整體的安全穩(wěn)定有積極作用，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可針對應(yīng)力薄弱位置，設(shè)計(jì)較粗的管件。

圖4 △D對弦桿應(yīng)力及UC變化趨勢圖

圖5 △T對弦桿應(yīng)力及UC變化趨勢圖

由圖5可知，弦桿的壁厚增加時(shí)，弦桿的UC值明顯降低，但彎矩值的增大并不明顯，UC值由0.9下降為0.66，下降約26.6%；彎矩值由24 000 kN·m上升到25 500 kN·m，上升約6%。管件應(yīng)力強(qiáng)度對壁厚增大表現(xiàn)得較直徑增大更為敏感。

根據(jù)以上分析可知，壁厚和直徑增大，使得弦桿的有效面積增大，明顯增強(qiáng)了鋼結(jié)構(gòu)桿件的強(qiáng)度。但是當(dāng)直徑與壁厚增加幅度過大時(shí)，桿件強(qiáng)度的變化不明顯，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要針對結(jié)構(gòu)桿件，選擇合適的徑厚比。在應(yīng)力較大的部位使用“大直徑，小壁厚”的尺寸結(jié)構(gòu)可獲得較為有利的強(qiáng)度水平和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

2.1.2 弦桿結(jié)構(gòu)屬性

導(dǎo)管架層高的改變從空間上影響了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的布置形式，為保證導(dǎo)管架整體性，控制導(dǎo)管架總層高不變，改變關(guān)鍵位置一層導(dǎo)管架的層高，共設(shè)置5組層高變量，如表5所示。

表5 桁架層高變量分析組表 m

計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 一層弦桿最大UC變化趨勢圖

圖7 一層弦桿最大彎矩及軸力變化趨勢圖

導(dǎo)管架一層層高的改變在空間結(jié)構(gòu)上使得斜撐與弦桿的夾角發(fā)生變化，計(jì)算結(jié)果表明，一層弦桿層高越高，弦桿彎矩值越小，軸力值也略有減小，故設(shè)計(jì)時(shí)弦桿與斜撐之間需選擇的夾角，在本例中一層層高16 m時(shí)，弦桿與斜撐之間的夾角大約是60°，當(dāng)夾角過大時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)的弦桿和斜撐的容許承載能力都會(huì)下降。但是夾角過小，弦桿單層層高太高，影響整體剛性。故在設(shè)計(jì)中需要考慮弦桿與斜撐與的合理夾角。

2.2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

1)弦桿的受力分布，沿弦桿長度方向并不均勻，根據(jù)容許承載力的分布情況，由下至上弦桿的直徑和壁厚由大變小，在第二層設(shè)置弦桿變徑段以保證導(dǎo)管架的整體性。

2)導(dǎo)管架桿系結(jié)構(gòu)的壁厚在容許承載能力計(jì)算中十分重要，考慮加工制造的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)應(yīng)力分配的不均勻程度，針對關(guān)鍵位置(斜撐相交處、斜撐弦桿相交處)進(jìn)行加厚處理以保證結(jié)構(gòu)的局部承載力安全。

3)從加工制造的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，根據(jù)API RP2A-LRFD的要求，圓柱形桿件徑厚比必須小于等于120，且最小壁厚不小于6 mm[11]；在滿足以上規(guī)定的情況下，小直徑大壁厚的桿件在應(yīng)力響應(yīng)上著更為優(yōu)異的表現(xiàn)。從防止沖切破壞和加工制造的便捷性角度考慮，弦桿與斜撐直徑之比在0.4～0.6較為合理。

4)空間構(gòu)造上，斜撐與弦桿之間的夾角不宜過大或過小，約60°既可以滿足構(gòu)造強(qiáng)度的要求，又不至于使得導(dǎo)管架整體剛性下降，減小沖剪的影響。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

1)本文從深水導(dǎo)管架的受力特性出發(fā)，討論了深遠(yuǎn)海環(huán)境中，風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)桿件強(qiáng)度分布情況。弦桿作為主體受力構(gòu)件，其彎矩分布自泥面到水上逐漸減小，且在底層弦桿彎矩值較大，故在設(shè)計(jì)中，需要考慮對相關(guān)部位進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2)通過敏感性分析討論了影響風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)桿件的強(qiáng)度特性，弦桿的直徑和壁厚通過增加強(qiáng)度截面面積的渠道增加了桿件強(qiáng)度；弦桿和斜撐作為相互連接的主次要構(gòu)件，弦桿尺寸屬性的改變對斜撐的強(qiáng)度影響很大；反之斜撐尺寸屬性的改變對弦桿的影響較小。

3)通過研究深水導(dǎo)管架的受力特性和導(dǎo)管架桿件的敏感性分析，提出了海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，在設(shè)計(jì)中保證導(dǎo)管架桿件在滿足規(guī)范要求的徑厚比條件下，通過使用“小直徑，大壁厚”的桿件構(gòu)造且針對關(guān)鍵位置需要考慮材料加強(qiáng)或壁厚加厚，在空間構(gòu)造上選取合理的撐弦桿夾角等方法可以很好的兼顧導(dǎo)管架基礎(chǔ)的桿件強(qiáng)度要求和經(jīng)濟(jì)要求。

3.2 展 望

本文僅討論風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的桿件承載能力，海洋環(huán)境中桿件強(qiáng)度的控制因素并不單純。疲勞、變形等都有可能成為桿件強(qiáng)度的控制因素；且風(fēng)機(jī)機(jī)組荷載作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)最為主要的荷載，僅僅將其轉(zhuǎn)化為集中荷載有一定的局限性。下一步考慮開展風(fēng)機(jī)機(jī)組和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)耦合的一體化設(shè)計(jì)研究，討論受力、位移、疲勞等因素對結(jié)構(gòu)安全的影響。