(武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)根據(jù)安裝水域深淺程度分為：固定式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)。固定式基礎(chǔ)一般安裝在水深30m以內(nèi)的淺水區(qū)域，主要有重力式、單樁式、多樁承臺(tái)、三樁式、導(dǎo)管架式等基礎(chǔ)。當(dāng)水深超過(guò)50m時(shí)，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的造價(jià)成本比固定基礎(chǔ)更經(jīng)濟(jì)，主流的浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有Spar型基礎(chǔ)、Barge型基礎(chǔ)、Semi型基礎(chǔ)和TLP型基礎(chǔ)。

各種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在構(gòu)造上存在著明顯的差異，其適用條件和受力特點(diǎn)也有著較大的區(qū)別，本文重點(diǎn)對(duì)Spar型浮式風(fēng)機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

一、Spar型浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要由葉片、機(jī)艙、塔架、浮式平臺(tái)和系泊系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示。浮式風(fēng)機(jī)所處海洋環(huán)境復(fù)雜，其中風(fēng)、波浪和流冰荷載是作用在海上浮式風(fēng)機(jī)的主要荷載。

塔架由三部分組成，上下部分為兩段不同直徑的圓柱，中間以圓臺(tái)連接過(guò)渡，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)吃水深度為120m，浮式基礎(chǔ)上部分與塔架連接，通過(guò)調(diào)整壓載艙使浮心位置在重心之上，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系泊系統(tǒng)采用了3根錨鏈懸鏈線定位的方法，每根錨鏈與基礎(chǔ)相連。

圖1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型

二、Spar型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

海上浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不僅會(huì)受到風(fēng)、波浪、海流、以及流冰等載荷作用，與陸上風(fēng)機(jī)相比，海上風(fēng)機(jī)還會(huì)受到腐蝕、凍融、海生物附著等多種環(huán)境因素的相互作用，其受力情況更加復(fù)雜。針對(duì)浮式風(fēng)機(jī)所承受的這些載荷，海內(nèi)外許多專家和學(xué)者做了大量的分析研究。

高巍等[1]利用動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)空氣-水動(dòng)力耦合時(shí)域研究，分析了在風(fēng)浪流耦合作用下Spar基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)，比較了在不同工況作用下對(duì)系泊系統(tǒng)的影響。蒙宣伊[2]等利用海洋工程浮體分析軟件對(duì)Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行時(shí)域分析，研究了幾種特殊工況作用下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。成欣等[3]利用水動(dòng)力軟件ANSYS/AQWA研究了Spar基礎(chǔ)在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的頻域特性和時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)，并分析了各波浪力成分隨頻率的變化規(guī)律，得出附加阻尼力是Spar基礎(chǔ)的主要波浪力成分。

海上風(fēng)機(jī)受到多種環(huán)境荷載耦合作用，為了探究哪種荷載的影響更大，張毅[4]等基于Kaimal 風(fēng)速譜模擬風(fēng)載荷計(jì)算，采用K?rn?冰力譜模擬冰載荷計(jì)算，最后對(duì)比風(fēng)荷載和冰荷載分別單獨(dú)作用下和風(fēng)冰聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。為了探究冰載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，黃焱等做了許多關(guān)于冰與帶抗冰錐體結(jié)構(gòu)物的相互作用模型試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)[5]：冰荷載是由幾種頻率成分構(gòu)成的，當(dāng)冰與結(jié)構(gòu)作用時(shí)，冰荷載中的任一種成分與風(fēng)機(jī)的自振頻率相差小于±10%時(shí)，將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)，極易造成結(jié)構(gòu)損壞。

浮式風(fēng)機(jī)承受風(fēng)、波浪、流冰等多種荷載耦合作用，浮式風(fēng)機(jī)在這些復(fù)雜荷載的作用下極易產(chǎn)生疲勞損傷。章海亮[6]等利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位建立子模型，利用多邊界插值法計(jì)算了不同工況下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程，最后基于線性損傷理論和S-N曲線預(yù)測(cè)了各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。劉超[7]等分析了導(dǎo)管架平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)，利用雨流計(jì)數(shù)法和Miner線性累積損傷理論，評(píng)估了導(dǎo)管架平臺(tái)在各海況作用下的疲勞壽命，得出短期海況對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響十分顯著。方磊[8]采用挪威船級(jí)社SESAM軟件建立Spar平臺(tái)有限元模型，對(duì)錨鏈頻域響應(yīng)譜進(jìn)行分析，基于S-N曲線和斷裂力學(xué)方法評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，系泊系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接部位是最容易發(fā)生疲勞損傷的部位，在復(fù)雜的海洋環(huán)境作用下，一旦導(dǎo)纜孔發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，便會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷破壞的發(fā)生，造成嚴(yán)重的安全事故。為了研究浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力的變化規(guī)律，鄧露[9]等通過(guò)改變導(dǎo)纜孔的位置以及錨鏈之間的夾角，分析這些參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力的影響。李夢(mèng)陽(yáng)[10]等計(jì)算了不同環(huán)境條件下風(fēng)機(jī)平臺(tái)受到的載荷，通過(guò)改變預(yù)張力的大小、導(dǎo)纜孔位置及導(dǎo)纜孔布置形式，分析這些參數(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)位移和錨鏈張力的影響。

三、結(jié)論

目前，對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的研究，主要是通過(guò)足尺縮尺實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的模擬研究，但對(duì)風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)導(dǎo)纜孔結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究性對(duì)較少。導(dǎo)纜孔作為浮式風(fēng)機(jī)塔架和系泊系統(tǒng)重要的連接部位，其結(jié)構(gòu)特殊且容易造成損傷，是浮式風(fēng)機(jī)的薄弱部位。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，導(dǎo)纜孔是最易產(chǎn)生疲勞損傷的位置，一旦導(dǎo)纜孔發(fā)生疲勞破壞，將會(huì)加速浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)失效，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。由于導(dǎo)纜孔一直處于海洋環(huán)境中，極易產(chǎn)生銹蝕，應(yīng)分析銹蝕狀態(tài)下，導(dǎo)纜孔在荷載作用下的疲勞性能，從而保證浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的安全性。