李艷貞 黎劍

摘? ? 要：樁與土之間的相互作用對(duì)導(dǎo)管架式海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的防撞能力有較大影響。本文針對(duì)不同的地基土特性，利用瞬態(tài)仿真程序MSC.Dytran對(duì)一艘5000t多用途工作船撞擊海上風(fēng)電站的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，地基土的軟硬程度對(duì)海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的損傷特性、碰撞載荷大小以及結(jié)構(gòu)的能量吸收有比較明顯的影響。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電站;樁土相互作用;船舶碰撞;結(jié)構(gòu)抗撞性

中圖分類號(hào)：U661.4? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

近年來(lái)，世界海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)進(jìn)入了規(guī)模化發(fā)展時(shí)期，全球海上風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量已超過(guò)23 GW。我國(guó)也正在東海、山東威海海域建立大型海上風(fēng)電場(chǎng)，并在諸多沿海海域籌建更多的海上風(fēng)電場(chǎng)。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，海上風(fēng)電站遭受過(guò)往船只撞擊的可能性增加，因此有必要對(duì)海上風(fēng)電站的防撞能力進(jìn)行研究，為其耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

集總參數(shù)法是分析樁-土動(dòng)力相互作用問(wèn)題的一種重要方法。該方法是由美國(guó)學(xué)者Penzime等提來(lái)的;Trochanis等用地基梁來(lái)表示土對(duì)樁的影響并與有限元方法進(jìn)行了比較，得到的結(jié)果基本一致;Nogami和Konagai對(duì)地基梁方法進(jìn)行了完善，用阻尼力來(lái)表示土對(duì)樁的作用問(wèn)題[1]。由于土的可壓縮性，樁土相互作用時(shí)土對(duì)樁的作用相當(dāng)于彈簧對(duì)樁的作用并同時(shí)并對(duì)樁提供阻尼，因此可簡(jiǎn)化為彈簧和阻尼器的簡(jiǎn)易物理模型;Gazetas等將這種簡(jiǎn)易的物理方法進(jìn)行優(yōu)化和完善，并應(yīng)用于橋梁和地基的相互作用問(wèn)題的分析中，得到了較好的結(jié)果。

本文采用集總參數(shù)法考慮海上風(fēng)電站樁基和土的相互作用問(wèn)題，并采用瞬態(tài)仿真程序MSC.Dytran對(duì)海上風(fēng)電站的防撞能力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，得到海上風(fēng)電站被一艘5 000 t多用途工作船撞擊后的變形情況、碰撞力隨撞入深度的變化曲線、碰撞力隨時(shí)間的變化曲線以及各種碰撞能量之間的相互轉(zhuǎn)化曲線等，并分析了不同地基類型對(duì)風(fēng)電站結(jié)構(gòu)防撞能力的影響。

2? ? ?分析模型

2.1? ?分析模型及其簡(jiǎn)化

本文研究的風(fēng)電站模型為一桁架式海上風(fēng)電站，包括：葉片、機(jī)艙、塔架、導(dǎo)管架和樁基等。該風(fēng)電站模型總高48 m，其中水面以上桁架總高30 m、水面以下桁架總高18 m;共有3個(gè)葉片，每片長(zhǎng)35 m、重量6.8 t;，機(jī)艙整體重量76 t、塔架整體重量128 t;塔架整體為桁架結(jié)構(gòu)，頂端寬度2.8 m、底端最大寬度3.8 m。由3根主管和若干撐管組成，主管的直徑為760 mm、厚度28 mm，材料為普通強(qiáng)度鋼;撐管的直徑為448 mm、厚度18 mm;泥面以下的樁基礎(chǔ)采用3根鋼管，長(zhǎng)度為42 m。材料為高強(qiáng)度鋼。

與海上風(fēng)電站發(fā)生碰撞的船舶是一艘多用途工作船，滿載時(shí)排水量約為5 000 t、型寬14.8 m、型深7.25 m、吃水6.2 m。由于本文的分析重點(diǎn)是海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)被撞擊后的結(jié)構(gòu)破壞情況，所以在仿真分析中僅建立多用途工作船的艙段模型，而海上風(fēng)電站的模型則采用全尺度模型。

5 000 t多用途工作船與海上風(fēng)電站碰撞示意圖如圖1所示。

5 000 t多用途工作船撞擊海上風(fēng)電站時(shí)，海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的破壞比較大，而多用途工作船的結(jié)構(gòu)受損較小。因此，有限元分析模型中將多用途工作船結(jié)構(gòu)作為剛性體，在撞擊過(guò)程中不產(chǎn)生變形;海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)受損較嚴(yán)重的地方位于海平面附近，建立該部分結(jié)構(gòu)的詳細(xì)模型，有限元模型中的材料類型采用彈塑性材料;葉片和機(jī)艙離水面較遠(yuǎn)，基本不參與碰撞，其材料類型采用剛性材料。

采用集總參數(shù)法是將海底以下的土體簡(jiǎn)化為彈簧加阻尼器的模型，根據(jù)土層的厚度和性質(zhì)對(duì)樁-土系統(tǒng)進(jìn)行離散，用連接在節(jié)點(diǎn)上的非線性阻尼單元和雙線性滯回彈簧單元處理土層對(duì)樁的作用。根據(jù)實(shí)際的海底地質(zhì)情況，作以下簡(jiǎn)化處理：

（1）假定海底的土層具有連續(xù)的線彈性性質(zhì)，每層土的物理參數(shù)可以不一樣，但土的側(cè)向土物理性質(zhì)在2個(gè)正交方向上不相關(guān);

（2）主要研究樁基受到碰撞載荷后的變形情況和位移情況，不考慮樁基在受到撞擊后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)程，因此在考慮該問(wèn)題時(shí)土的材料阻尼可忽略不計(jì)。

2.2? ?材料特性與失效準(zhǔn)則

多用途工作船與海上風(fēng)電站的碰撞是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在計(jì)算過(guò)程中，采用如下關(guān)系式來(lái)考慮應(yīng)變速率對(duì)風(fēng)電站結(jié)構(gòu)變形的影響 ：

失效準(zhǔn)則是判斷材料是否失效的衡準(zhǔn)。在本文分析中，海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則采用塑性應(yīng)變準(zhǔn)則。失效應(yīng)變與網(wǎng)格尺寸和風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的材料有關(guān)，構(gòu)成海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的材料主要為普通強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼，而本算例中網(wǎng)格尺寸為50 mm，因此本算例中材料的失效應(yīng)變?nèi)?.3。

3? ? 土彈簧剛度的求解及計(jì)算工況

3.1? ?等效土彈簧剛度

在地基對(duì)樁的作用問(wèn)題中，將地基等效為不同彈性模量的彈簧，并假定海底的土層具有連續(xù)的線彈性性質(zhì)，得到樁側(cè)土壓力為：

3.2? ?計(jì)算工況

由于土層組成不一樣，利用瞬態(tài)非線性有限元分析程序MSC.Dytran計(jì)算表1所示兩種工況。

表1? 計(jì)算工況

4? ? 計(jì)算結(jié)果及分析

在t=1 s、撞擊速度為2 m/s條件下的計(jì)算結(jié)果如下：

4.1? ?應(yīng)力應(yīng)變值

工況1的剛性固定是指地基土的剛度趨于無(wú)窮大的情形。由仿真分析結(jié)果可以看出，在同一艘船的撞擊下，海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)在相同時(shí)刻兩種工況下的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形情況都有差別。

（1）圖2所示為兩種工況的應(yīng)力圖，從圖中可以得到：多用途工作船撞擊海上風(fēng)電站后，出現(xiàn)高應(yīng)力的位置基本上是一樣的，均在處于高危險(xiǎn)碰撞位置處的管節(jié)點(diǎn)及與撞擊方向同一側(cè)的斜向撐管上;當(dāng)?shù)鼗再|(zhì)不一樣時(shí)，工況1剛性地基時(shí)碰撞區(qū)域內(nèi)管節(jié)點(diǎn)處高應(yīng)力范圍比工況2大，這表明地基土的剛度對(duì)海上風(fēng)電站的防撞能力有較大影響，剛度越大高應(yīng)力區(qū)域也越大;

（2）在同一艘船的撞擊下，地基越軟、剛度越小，樁基礎(chǔ)和地基土吸收的能量就越多，海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)吸收的彈塑性變形能就越少，風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的損傷就越小;反之，地基越硬、剛度越大，樁基礎(chǔ)和地基土吸收的能量就越少，而轉(zhuǎn)移到海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)上的彈塑性變形能就越多，風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的損傷就會(huì)變大。

（3）圖3是同一時(shí)刻相同撞擊能量下，兩種工況的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變圖。從圖中可以看出：工況1和工況2風(fēng)電站結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在相同的位置，主要是管節(jié)點(diǎn)和兩根斜撐管上;工況1由于地基剛度比較大，總體上各部位的應(yīng)力和變形要比工況2大，管節(jié)點(diǎn)部位產(chǎn)生凹陷變形，部分撐管產(chǎn)生屈曲的情況。由此可見(jiàn)，剛性地基下的風(fēng)電站的結(jié)構(gòu)損傷比較大，這是由于地基是剛性的不能吸收能量，撞擊能量大部分被上部結(jié)構(gòu)吸收了的緣故。

（4）圖4、圖5為工況2樁柱的應(yīng)力應(yīng)變圖。計(jì)及土對(duì)樁的反力作用時(shí)，鋼管樁中上部開始產(chǎn)生變形，越靠近泥面鋼管樁中上部的變形逐漸增大，應(yīng)力也逐漸增加，而遠(yuǎn)離泥面處的鋼管樁，應(yīng)力及應(yīng)力變化也較小。

4.2? ?防撞能力曲線及數(shù)據(jù)

（1）由圖6、圖7可知：工況1和工況2碰撞力隨撞入深度的變化關(guān)系圖和碰撞力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖基本上具有相同的變化曲勢(shì)，都具有很強(qiáng)的非線性特征。多用途工作船剛接觸到風(fēng)電站時(shí)，碰撞力迅速增加;碰撞進(jìn)行到一定程度時(shí)，碰撞力呈波浪形狀緩慢變化;在碰撞的最后時(shí)刻，碰撞力線性地減小;

（2）由圖6圖7可知：最大碰撞力約為2.3×107 N。兩種工況的不同之處在于，工況1的最大碰撞力出現(xiàn)的時(shí)間比工況2早，最大碰撞力出現(xiàn)在0.2 s，而工況2出現(xiàn)在0.8 s，這說(shuō)明地基越硬，最大碰撞力出現(xiàn)的時(shí)間越早;

（3）工況1的最大撞入深度為1.1 m、工況2下的最大撞入深度為1.3 m;地基的類型和剛度對(duì)最大撞入深度值有一定的影響，地基越硬，最大撞入深度也越深;

（4）圖8表示兩種工況下結(jié)構(gòu)吸收能量的狀況。從圖8可以看出：同樣撞入深度下，地基的剛度越大，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)吸收的能量就越多;

（5）圖9是兩種工況下能量的轉(zhuǎn)化時(shí)歷曲線。當(dāng)多用途工作船撞擊海上風(fēng)電站時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的能量主要是多用途工作船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能和海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)變形時(shí)吸收的彈塑性變形能，而其他形式的能量較小;整個(gè)碰撞過(guò)程中，多用途工作船的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為不同類型的能量，包括導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能、風(fēng)電站增加的動(dòng)能、地基的阻尼能、沙漏能等。為了較為清楚地反映這些能量在碰撞過(guò)程中的變化情況，圖9中給出了多用途工作船的動(dòng)能和海上風(fēng)電站彈塑性變形能的變化曲線。工況1和工況2的相同之處在于，工作船剛接觸到風(fēng)電站時(shí)，工作船的動(dòng)能約為2.07×107? J;碰撞進(jìn)行到一定程度時(shí)，工作船的動(dòng)能慢慢減小，風(fēng)電站的彈塑性變形能慢慢加大，最后動(dòng)能幾乎完全轉(zhuǎn)化成了風(fēng)電站的彈塑性變形能;工況1和工況2的不同之處在于，地基的剛度越大，各種能量的轉(zhuǎn)化速率就越快，剛度越小，各種能量的轉(zhuǎn)化速率就越小。

由以上的計(jì)算分析可以得到：地基剛度對(duì)海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)的破壞程度、碰撞力和撞入深度的大小、結(jié)構(gòu)的變形情況、應(yīng)力情況都有一定程度的影響。剛度越大，地基吸收的能力就越少，海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)破壞就越嚴(yán)重;剛度越小，就可以幫助海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)吸收一部分能量，從而降低其破壞程度。但地基的剛度影響不了其破壞的模式和部位，只是破壞程度有所不同。

5? ? 結(jié)論

利用瞬態(tài)仿真程序MSC.Dytran，計(jì)算了剛性固定和考慮樁土相互作用時(shí)的海上風(fēng)電站與多用途工作船碰撞時(shí)的情形，比較了兩種不同地基條件對(duì)海上風(fēng)電站防撞能力的影響，得出以下結(jié)論：

（1）多用途工作船撞擊海上風(fēng)電站，出現(xiàn)高應(yīng)力的位置基本上是一樣的，均在處于高危險(xiǎn)碰撞位置處的管節(jié)點(diǎn)及與撞擊方向同一側(cè)的斜向撐管上;地基土的剛度和參數(shù)對(duì)海上風(fēng)電站防撞能力有一定影響，剛度越大高應(yīng)力區(qū)域也越大;

（2）在同一艘船的撞擊下，地基越軟、剛度越小，樁基礎(chǔ)和地基土吸收的能量就越多，海上風(fēng)電站吸收的彈塑性變形能就越少，風(fēng)電站的損傷就越小;反之，地基越硬、剛度越大，樁基礎(chǔ)和地基土吸收的能量就越少，而轉(zhuǎn)移到海上風(fēng)電站上的彈塑性變形能就越多，風(fēng)電站的損傷就變大;

（3）計(jì)及土對(duì)樁的反力作用時(shí)，鋼管樁中上部開始產(chǎn)生變形：越靠近泥面，鋼管樁中上部的變形逐漸增大，應(yīng)力也逐漸增加;而遠(yuǎn)離泥面處的鋼管樁，應(yīng)力較小，應(yīng)力變化也較小;

（4）不同地基類型時(shí)，碰撞力隨撞入深度關(guān)系圖和碰撞力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖基本上具有相同的變化曲勢(shì)，且都具有很強(qiáng)的非線性特征;

（5）地基的類型和剛度對(duì)最大碰撞力和撞入深度的值有一定的影響，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）地基的剛度越大，各種能量的轉(zhuǎn)化速率就越快;剛度越小，各種能量的轉(zhuǎn)化速率就越小。

參考文獻(xiàn)

[1]海上風(fēng)電站遭遇船舶側(cè)向撞擊時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2010（10）.

[2]船舶撞擊速度對(duì)海上風(fēng)電站結(jié)構(gòu)防撞能力的影響[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，? 2010（3）.

[3]江華濤， 顧永寧. 油輪首部結(jié)構(gòu)碰撞特性[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003， 37（7）， 985-989.

[4]中華人民共和國(guó)交通部. 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].? 北京： 人民交通出版社， 1985.

[5]基于鋼夾層板（SPS）的FPSO舷側(cè)耐撞性能分析[J]. 廣東造船，2014（6）.