導(dǎo)管架式一體化風(fēng)機(jī)在冰載荷作用下的耦合響應(yīng)研究

闖振菊，李春鄭，宋 礎(chǔ)，劉社文，盧 雨，屈 衍

（1.大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026；2.上?？碧皆O(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335；3.南方科技大學(xué)，廣東深圳 518055）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷增加，能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻。因此，風(fēng)能等可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用是能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。從2010年開(kāi)始，大規(guī)模商業(yè)部署海上風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量平均每年增加約30%[1]。截至2019年末，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已突破29 GW。相比陸上風(fēng)能，海上風(fēng)資源更加豐富，風(fēng)速及年利用小時(shí)數(shù)更高。而冰區(qū)海域更是存在高質(zhì)量的風(fēng)能資源，其中包括中國(guó)的渤海海域。渤海海域冬季會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，曾造成多起海冰災(zāi)害事故[2]。因此，冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)必須具備一定的抗冰性能，以保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，并將冰荷載參與組合的載荷計(jì)算工況作為控制工況進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)的計(jì)算分析[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于冰和海洋結(jié)構(gòu)的相互作用已開(kāi)展了大量的研究。在波弗特海域（Beaufort Sea），加拿大學(xué)者利用壓力盒測(cè)量Molikpaq 沉箱平臺(tái)的冰荷載，揭示了冰作用在寬大結(jié)構(gòu)上的極值冰力及其規(guī)律[4]；Yue 等[5-6]對(duì)渤海灣獨(dú)腳架直立結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)海冰與結(jié)構(gòu)相互作用存在準(zhǔn)靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)等三種模式，證實(shí)了K?rn? 等[7]的研究結(jié)果；楊國(guó)金等[8]通過(guò)對(duì)JZ 20-2-3 平臺(tái)冬季現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與分析，驗(yàn)證了加裝抗冰結(jié)構(gòu)的有效性；岳前進(jìn)等[9]通過(guò)對(duì)單腿圓柱結(jié)構(gòu)加裝錐體前后的冰振響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，驗(yàn)證了安裝錐體降低冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)的效果；Huang等[10-12]在冰池試驗(yàn)室對(duì)單樁和四樁柱結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了低冰速、中冰速和高冰速下的動(dòng)冰力模型試驗(yàn)，對(duì)冰速、冰厚和結(jié)構(gòu)特征對(duì)冰激振動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。

部分學(xué)者對(duì)海上風(fēng)機(jī)冰激振動(dòng)也開(kāi)展過(guò)針對(duì)性研究：Barker 和Granvesen 等[13-14]以丹麥海域?yàn)楸尘?，?duì)具有抗冰錐體的近海風(fēng)機(jī)開(kāi)展了系列實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了風(fēng)－冰聯(lián)合作用對(duì)海上風(fēng)機(jī)影響；Granvesen和K?rn?[15]基于波羅的海冰況，提出了用于海上風(fēng)機(jī)安全設(shè)計(jì)和研究的相應(yīng)冰力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；Shi 等[16]研究了在運(yùn)行和停機(jī)工況下海冰對(duì)帶抗冰錐體海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，其結(jié)果顯示相較冰速，冰厚對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響更為顯著；張大勇等[17]基于多年冰與結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及冰荷載的研究成果,明確了適合于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的冰荷載模型,采用ANSYS有限元數(shù)值模擬方法,分析得到了風(fēng)機(jī)在典型冰況下的冰振響應(yīng)和風(fēng)振響應(yīng)；李靜等[18]對(duì)浮冰－湍流風(fēng)耦合作用下的海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了塔架結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力變化情況；黃焱等[19]針對(duì)渤海區(qū)域的單柱和三樁式海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了冰激振動(dòng)分析，采用概化冰力函數(shù)生成動(dòng)冰力時(shí)程，基于ANSYS 有限元軟件對(duì)海上結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全時(shí)域瞬態(tài)動(dòng)力分析。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于一體化全耦合導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)抗冰性能的數(shù)值模擬研究較少，因此本文將利用FAST仿真軟件對(duì)一體化導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)在冰-風(fēng)聯(lián)合作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并根據(jù)黃渤海海域的環(huán)境參數(shù)選擇工況[20]進(jìn)行冰載荷的計(jì)算；對(duì)比直立樁腿與加裝抗冰錐體樁腿在冰載荷作用下的動(dòng)態(tài)效果，并分析抗冰錐體的減振作用和最佳錐體角度。

1 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)值模型

1.1 導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)模型

本文研究對(duì)象采用Offshore Code Comparison Collaboration Continuation（OC4）項(xiàng)目中的固定導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)[21]，如圖1 所示。整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由導(dǎo)管架支座、塔筒、機(jī)艙、風(fēng)機(jī)軸和三個(gè)葉片組成。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的四個(gè)支腿由插入海床固定的樁支撐，四層X(jué) 型導(dǎo)管用于加固垂直支腿，詳細(xì)信息如表1 所示。

圖1 OC4項(xiàng)目導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)[22]Fig.1 Jacket-support offshore wind turbine for OC4 project[22]

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)[22]Tab.1 Main parameters of wind turbine[22]

圖2 所示為研究加裝錐體后的支腿在抗冰性能方面的效果，在水線處為四個(gè)導(dǎo)管架支腿加裝錐體（由上下兩個(gè)圓錐組成，上下圓錐高均為1.5 m，錐體角度為55°，水線處寬為3.2 m），以此計(jì)算抗冰錐體對(duì)于冰激振動(dòng)效果的影響。本文不考慮導(dǎo)管架支腿間的遮蔽作用，四個(gè)支腿所受冰力相同。在后續(xù)結(jié)果分析過(guò)程中主要選取支腿1進(jìn)行分析。

圖2 加裝錐體后的導(dǎo)管架支腿Fig.2 Jacket legs with cone

1.2 冰載荷數(shù)值模型

冰與不同形式的結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，其破壞形式不同。冰與直立樁腿結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，發(fā)生擠壓破碎；而冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，發(fā)生的則是彎曲破碎。根據(jù)ISO19906[23]提出的擠壓破碎和彎曲破碎的極端載荷計(jì)算公式如下。

1.2.1 冰擠壓破碎載荷計(jì)算公式

對(duì)于冰的擠壓破碎，ISO 19906給出的整體極端載荷計(jì)算公式[23]為

式中，pG是整體平均冰壓強(qiáng)，CR是參考強(qiáng)度，w是結(jié)構(gòu)的投影寬度，h是冰的厚度，h1是冰的參考厚度（推薦值為1.0 m），m是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（推薦值為-0.16），n是由冰厚決定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。n的計(jì)算公式為

1.2.2 冰彎曲破碎載荷計(jì)算公式

Ralston 方法[24]考慮冰彎曲破碎時(shí)周向和徑向裂紋的形成、冰變形和碎冰在圓錐結(jié)構(gòu)上的堆積來(lái)計(jì)算冰荷載。冰彎曲破碎的冰力值包括水平冰力和垂直冰力，公式如下：

（1）冰彎曲破碎的水平冰力為

式中，σf是冰的彎曲強(qiáng)度，D是結(jié)構(gòu)水線處的寬度/直徑，ρi是冰的重量密度，hR是錐體上的冰層厚度，DT是圓錐頂部直徑，λ是冰彎曲破碎周向裂紋直徑和圓錐水線處半徑的比值。λ可由下式確定：

式（4）中，A1、A2、A3、A4是與圓錐上升角、海冰斷裂長(zhǎng)度和摩擦系數(shù)相關(guān)的參數(shù)，公式為

（2）冰彎曲破碎的垂直冰力為

式中，B1、B2是與錐體上升角和摩擦系數(shù)相關(guān)的系數(shù)，公式為

2 海冰與導(dǎo)管架平臺(tái)的相互作用

海冰與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，存在劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等多種破碎形式。其中海冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用，發(fā)生擠壓破碎；而海冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用，發(fā)生彎曲破碎。這里主要分析冰厚和冰的漂移速度對(duì)冰荷載的影響，同時(shí)研究錐體的傾斜角度對(duì)冰荷載的影響。計(jì)算分析中，風(fēng)-冰聯(lián)合加載到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)上，本文不計(jì)算風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響，在此固定風(fēng)速為8 m/s，采用葉素動(dòng)量理論計(jì)算風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力載荷，其它計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 主要計(jì)算參數(shù)Tab.2 Main parameters

2.1 直立樁腿和加裝錐體樁腿的冰激振動(dòng)效果比較

一般認(rèn)為，當(dāng)冰和垂直結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，有四種不同的動(dòng)態(tài)破壞形式：蠕變或塑性變形、間歇破碎、頻率鎖定和隨機(jī)破碎。本文主要考慮后三種破碎形式。海冰的破壞形式取決于海冰與結(jié)構(gòu)之間的相互作用速度。根據(jù)ISO 19906[23]的規(guī)范定義，低速冰作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)間歇破碎；頻率鎖定是間歇破碎的特殊形式，發(fā)生在中間冰速下，冰作用頻率與結(jié)構(gòu)位移頻率相同；而隨機(jī)破碎發(fā)生在較高冰速下[23]。FAST IceFloe[25]將ISO 19906提出的上述三種動(dòng)態(tài)破碎形式運(yùn)用于風(fēng)機(jī)分析中，本文采用FAST IceFloe定義的冰力模型[25]進(jìn)行風(fēng)機(jī)在冰載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

選取冰厚0.1 m 工況，將上述三種冰的擠壓破碎形式分別與冰在錐體上的彎曲破碎進(jìn)行比較。隨機(jī)破碎與彎曲破碎1 進(jìn)行對(duì)比，選取的冰速為0.2 m/s；頻率鎖定與彎曲破碎2進(jìn)行對(duì)比，選取的冰速為0.02 m/s；間隙破碎與彎曲破碎3進(jìn)行對(duì)比，選取的冰速為0.01 m/s。彎曲破碎1、2、3為冰作用在相同的錐體結(jié)構(gòu)上，僅冰速不同，如表3所示。海冰間歇破碎和頻率鎖定冰載荷曲線最大值由擠壓破碎極端載荷公式確定，載荷值為5.11×105N；彎曲破碎的冰力最大值由彎曲破碎極端公式確定，為3.14×104N。

表3 直立結(jié)構(gòu)與錐體結(jié)構(gòu)分析所選定的工況Tab.3 Working conditions for vertical structure and cone structure analysis

圖3～4是冰與直立結(jié)構(gòu)擠壓的隨機(jī)振動(dòng)模式與冰與錐體結(jié)構(gòu)發(fā)生的彎曲破碎的比較；圖5～6是冰與直立結(jié)構(gòu)擠壓的頻率鎖定模式與冰在錐體上彎曲破碎的比較；圖7～8 是冰與直立結(jié)構(gòu)擠壓準(zhǔn)靜態(tài)模式與冰在錐體上彎曲破碎的比較。

圖3 隨機(jī)破碎與彎曲破碎導(dǎo)管架所受冰荷載比較Fig.3 Comparison of ice loads on jacket under random crushing and flexural failure

圖4 隨機(jī)破碎與彎曲破碎導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)比較Fig.4 Comparison of substructure surge motion under random crushing and flexural failure

圖5 頻率鎖定與彎曲破碎導(dǎo)管架所受冰荷載比較Fig.5 Comparison of ice loads on jacket under lock-in crushing and flexural failure

圖6 頻率鎖定與彎曲破碎導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)比較Fig.6 Comparison of substructure surge motion under lock-in crushing and flexural failure

圖7 間歇破碎與彎曲破碎導(dǎo)管架所受冰荷載比較Fig.7 Comparison of ice loads on jacket subjected to intermittent crushing and flexural failure

根據(jù)ISO 19906給出的極端載荷計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果可以看出，在相同條件下冰擠壓破碎的極端載荷是彎曲破碎的16倍左右。通過(guò)數(shù)值模擬分析，計(jì)算動(dòng)冰力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，根據(jù)圖3、5、7的結(jié)果可以看出，冰擠壓破碎產(chǎn)生的動(dòng)冰荷載和彎曲破碎產(chǎn)生動(dòng)冰荷載存在明顯差異；冰在三種模式下擠壓破碎的冰力最大值，是彎曲破碎的19 倍；無(wú)論擠壓破碎還是彎曲破碎，動(dòng)冰力值存在周期，包括加載和釋放載荷過(guò)程，與極端載荷有明顯差異，對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響更加嚴(yán)重。根據(jù)圖4、圖6和圖8，導(dǎo)管架基礎(chǔ)在加裝錐體結(jié)構(gòu)后，平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)幅度減少，縱蕩運(yùn)動(dòng)的距離也有所減少。表4顯示結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，頻率鎖定狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大位移和平均位移最大，分別為0.038 0 m 和0.035 5 m；頻率鎖定狀態(tài)時(shí)，冰對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)造成的影響更為顯著。

表4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的最大位移和平均位移Tab.4 Maximum and average displacements of substructure under converged motion

圖8 間歇破碎與彎曲破碎導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)比較Fig.8 Comparison of substructure surge motion under intermittent crushing and flexural failure

添加錐體后，風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所受的冰荷載明顯減少，同時(shí)導(dǎo)管架平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)幅度也顯著減少，導(dǎo)管架基礎(chǔ)加裝錐體后的樁腿在抗冰性能方面得到了改進(jìn)。

2.2 錐體角度對(duì)結(jié)構(gòu)冰載荷的影響

錐體角度是錐體結(jié)構(gòu)的斜錐面與水平面的角度，即圖9中的α角。在保證錐體高度Zr固定時(shí)，錐體角度改變會(huì)影響冰彎曲破碎的過(guò)程，包括錐體在水線處的寬度D、冰的斷裂長(zhǎng)度L和錐體上的堆積冰長(zhǎng)度Lr。為得出到最佳破冰效果的錐體角度，本文從15°到85°選取如表5所示的8個(gè)工況進(jìn)行冰激振動(dòng)的計(jì)算和分析，各計(jì)算工況下的冰厚均為0.5 m，冰速均為0.1 m/s，冰的彎曲強(qiáng)度為0.7 MPa。

圖9 冰在錐體彎曲破碎的簡(jiǎn)化二維模型[24]Fig.9 Simplified two dimensional model of ice flexural failure in cone

表5 分析椎體角度影響選定的工況Tab.5 Cone angle selection

圖10 為導(dǎo)管架支腿加裝不同角度的錐體結(jié)構(gòu)后，冰作用在錐體結(jié)構(gòu)上的冰荷載比較；圖11 為導(dǎo)管架支腿所受冰荷載的平均值隨錐體角度的變化。根據(jù)圖10～11 所示，在錐角為15°～65°時(shí)，隨著錐體角度的增加而產(chǎn)生的冰荷載平均值逐漸降低；在錐角大于65°時(shí)，隨著錐角的增加而產(chǎn)生的冰荷載迅速增加；當(dāng)錐角大于80°之后，冰近乎擠壓破碎。

圖10 錐體角度對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)所受冰荷載的影響Fig.10 Influence of cone angle on ice load on jacket substructure

圖11 導(dǎo)管架支腿所受冰荷載的平均值隨錐體角度的變化Fig.11 Average value of ice load on jacket legs varying with cone angle

圖11-13表明，錐體角度為45°～70°時(shí)，導(dǎo)管架支座所受的冰荷載較小，而錐體角度在這個(gè)范圍之外時(shí)，導(dǎo)管架所受的冰荷載顯著增加。為求得最佳破冰效果的錐角，在45°到70°的范圍內(nèi)進(jìn)一步詳細(xì)計(jì)算，每2°為一個(gè)步長(zhǎng)。圖12單獨(dú)從導(dǎo)管架支腿所受冰載荷的平均值來(lái)看，錐體角度為63°時(shí)錐體的破冰效果最佳；圖13 從導(dǎo)管架支腿所受冰荷載的最大值角度分析，錐角越小，冰荷載的最大值越低。為保障導(dǎo)管架支腿所受冰荷載影響最小，錐體能達(dá)到最佳破冰效果，需要綜合考慮冰荷載平均值和最大值，選取最優(yōu)錐角，在此選擇55°作為最優(yōu)錐體角度。圖13 中的曲線顯示，錐體角度在45°到55°之間導(dǎo)管架支腿受到冰荷載最大值變化曲線較為平緩，而55°之后曲線開(kāi)始急速上升，冰荷載最大值變化明顯。再結(jié)合導(dǎo)管架支腿所受冰荷載平均值來(lái)分析，錐體角度從45°到60°的變化過(guò)程中，冰荷載平均值隨錐體角度的增加而減少，55°的冰荷載平均值比60°僅增加了5.35%，而45°的冰荷載平均值卻比55°的增加了15.21%，變化較大。因此，選擇角度為55°的錐體具有較好的抗冰性能。

圖12 錐體角度45°到70°范圍內(nèi)，導(dǎo)管架支腿所受冰荷載的平均值隨錐體角度變化的擬合曲線圖Fig.12 Fitting curve of mean ice load on jacket legs varying with cone angle from 45°to 70°

圖13 導(dǎo)管架支腿所受冰荷載最大值隨錐體角度變化Fig.13 Maximum ice load on jacket legs varying with cone angle

2.3 冰厚、冰速對(duì)加錐體風(fēng)機(jī)冰載荷的影響

冰厚度和冰速是影響冰載荷特性的主要因素，本節(jié)將分別計(jì)算分析冰厚和冰速對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)所受冰載荷的影響。根據(jù)渤海海域冬季海冰冰況選取適當(dāng)?shù)膮?shù)，設(shè)置海冰的漂移方向均為0°，海冰的的彎曲強(qiáng)度均為0.7 MPa。當(dāng)考慮冰厚的影響時(shí)，海冰的厚度從0.1 m 到0.5 m 選取3 種冰厚情況，而冰速保證一致，均為0.5 m/s；當(dāng)考慮海冰速度的影響時(shí)，從0.1 m/s到0.5 m/s選取3種冰速情況，冰厚均為0.5 m，如表6 所示。所有工況風(fēng)速均為8 m/s，計(jì)算工況1 為無(wú)冰狀態(tài)下，只計(jì)算風(fēng)載荷對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

表6 冰厚、冰速對(duì)結(jié)構(gòu)冰載荷影響所選定工況Tab.6 Definition of working conditions regarding ice thickness and ice speed

圖14 顯示了冰厚對(duì)導(dǎo)管架所受到的冰荷載的影響，導(dǎo)管架支腿上在流冰方向的最大冰力隨冰層厚度的增加而增加，冰厚變化0.2 m造成冰力改變20～30 kN。圖15 顯示了冰厚對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響，工況1 無(wú)冰情況時(shí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受風(fēng)載荷作用，縱蕩運(yùn)動(dòng)在0.025 m 附近，隨著冰厚增加，振蕩的幅值隨冰厚度的增加而增大，當(dāng)冰厚由0.1 m變到0.3 m再到0.5 m時(shí)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)最大值增加0.000 8 m和0.001 5 m，0.5 m冰厚引起的風(fēng)機(jī)縱蕩位移比無(wú)冰情況多0.003 m。圖16 顯示了冰厚對(duì)導(dǎo)管架支座所受到的支座反力的影響，無(wú)冰時(shí)由于風(fēng)載荷作用支座反力穩(wěn)定在4×105N，有冰時(shí)支座反力隨冰厚的增加而增加，冰厚由0.1 m 增加到0.5 m，使支座反力增加1.9×105N 和1.1×105N，工況4 的支座反力是無(wú)冰情況的2 倍。根據(jù)圖14～16 分析冰的厚度改變對(duì)導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)的影響，隨著冰厚度的增加，導(dǎo)管架所受到的力會(huì)增大，導(dǎo)管架縱蕩的幅度增大，而導(dǎo)管架振蕩的頻率不會(huì)受到冰厚度改變的影響。

圖14 冰厚對(duì)導(dǎo)管架支座所受冰荷載的影響Fig.14 Influence of ice thickness on ice load on jacket substructure

圖15 冰厚對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響Fig.15 Influence of ice thickness on jacket substructure surge motion

圖16 冰厚對(duì)支腿1的支座反力的影響Fig.16 Influence of ice thickness on substructure reaction force of Leg 1

圖17 冰的速度對(duì)導(dǎo)管架支座所受冰荷載的影響Fig.17 Influence of ice velocity on ice load on jacket substructure

圖18 冰的速度對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響Fig.18 Influence of ice velocity on jacket substructure surge motion

圖19 冰的速度對(duì)支腿1的支座反力的影響Fig.19 Influence of ice velocity on substructure reaction force of Leg 1

圖17～19 顯示的是冰的速度對(duì)導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)造成的影響。從圖中可以看出，冰速變化不會(huì)改變支座所受冰荷載的最大值，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的縱蕩運(yùn)動(dòng)的幅值也不改變，支座反力的峰值會(huì)稍微增加，變化幅度很小。而冰速變化會(huì)影響它們的振動(dòng)頻率，冰的速度越大，冰荷載周期越短，頻率越大；平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)隨著冰速的增加而加快，冰速越大，平臺(tái)振蕩越快；同時(shí)支座反力頻率也會(huì)隨冰速的增大而增大。

3 結(jié) 論

本文主要針對(duì)一體化導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)的冰激振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，并分析了抗冰錐體的減振效果。根據(jù)海冰隨機(jī)破碎、頻率鎖定和間歇破碎等三種擠壓破碎形式，分別與同一環(huán)境工況下的彎曲破碎進(jìn)行了比較，并研究了錐角對(duì)冰與結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和振動(dòng)頻率的影響；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研究了錐體角度對(duì)冰激振動(dòng)的削弱效果；最后確定了冰厚、冰速等因素對(duì)冰與錐體結(jié)構(gòu)相互作用的影響。依據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了以下結(jié)論：

（1）冰在垂直樁腿上發(fā)生擠壓破碎和在錐體上發(fā)生彎曲破碎對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不同，樁腿添加錐體結(jié)構(gòu)能夠極大地減少導(dǎo)管架式海上風(fēng)機(jī)所受的冰載荷，減少結(jié)構(gòu)受到的冰力峰值和平均值，同時(shí)減小結(jié)構(gòu)的縱蕩位移等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

（2）不同的錐體角度會(huì)影響冰彎曲破碎的冰力值，合理的錐體角度能夠有效地減少海上風(fēng)機(jī)受到的冰力，減少風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的縱蕩運(yùn)動(dòng)。綜合考慮風(fēng)機(jī)所受平均冰力和最大冰力，55°最優(yōu)抗冰錐角使風(fēng)機(jī)所受冰力達(dá)到最小，減少冰載荷對(duì)風(fēng)機(jī)影響。

（3）導(dǎo)管架樁腿添加錐體后，海冰發(fā)生彎曲破碎，而冰的彎曲破碎也會(huì)受到多種因素的影響。考慮冰厚的影響情況時(shí)，錐體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和冰荷載將隨冰厚度的增加而增大，結(jié)構(gòu)的振蕩幅度隨著冰厚度的增加而增大。

（4）只考慮冰速對(duì)冰彎曲破碎過(guò)程的影響時(shí)，不同的冰速會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)振蕩頻率，振蕩頻率會(huì)隨著冰速的增加而增大；而冰速不改變冰力曲線峰值，僅影響冰力周期，隨冰速增加冰力周期減小。