時文浩

西安建筑科技大學土木工程學院 710055

引言

塔筒或塔架是風力發(fā)電塔的支撐結構，承受頂部風機重力及葉片傳遞的氣動力，并受外部風、浪等動力荷載的直接作用，受荷狀態(tài)復雜。如圖1 所示，其結構形式多種多樣，按照服役環(huán)境的不同可分為陸上支撐結構與海上支撐結構兩大類，每一類又可根據(jù)具體形式進一步細分。各類風機支撐結構在服役期內經(jīng)受109數(shù)量級的循環(huán)荷載［1］，在葉片的每次周期運動下都會產生應力變化，不可避免地會催生疲勞損傷。

圖1 各類風機支撐結構Fig.1 Various types of wind turbine support structures

風機塔結構構件的疲勞問題始見于葉片，早在1945年，落成僅4年的第一臺現(xiàn)代化風機塔“Smith-Putnam”因葉片疲勞斷裂而退役，由此發(fā)現(xiàn)了疲勞這一“工業(yè)殺手”在風電行業(yè)的蹤跡。1980年前后，風電產業(yè)隨著石油危機的出現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展，而風機支撐結構的疲勞問題也逐步凸顯，彼時加利福尼亞地區(qū)超過1／3 的風機塔的塔筒出現(xiàn)了不同程度的疲勞損傷，形成安全隱患的同時，大大增加了風機塔的維護成本。此后在90年代，海上風機迅速發(fā)展，海洋環(huán)境的復雜性及風、浪耦合等因素使得海上風機支撐結構疲勞問題尤為突出，針對支撐結構疲勞性能的研究逐步開展。2000年以來，風機塔建設呈現(xiàn)大型化的趨勢，支撐結構受荷所引起的應力水平顯著增大，建設、維護成本卻被大大限制，這就對支撐結構的疲勞性能提出了更高的要求，引得眾多學者針對不同的支撐結構形式開展了疲勞研究。

風機塔在風、浪等循環(huán)動力荷載作用下產生疲勞損傷屬于振動疲勞的研究范疇，領域內傳統(tǒng)的疲勞計算方法是基于S-N 曲線的振動疲勞時域、頻域計算方法，此外也有不甚常用的基于斷裂力學的疲勞計算方法。葡萄牙波爾圖大學的Mendes等［2］對上述疲勞分析方法以及國外相關規(guī)范進行了綜述總結，因此本文不再贅述風機塔疲勞分析方法的進展，主要從結構疲勞性能角度出發(fā)梳理近年來陸上以及海上風機支撐結構的疲勞研究進展，以求對各類風機支撐結構的疲勞性能有進一步的了解，供科研及工程實踐參考。

1 陸上風機支撐結構疲勞研究

當下，陸上風機支撐結構以塔筒形式最為常見，按結構基頻與運行頻率的關系可分為柔性塔筒與剛性塔筒，其上作用的疲勞荷載主要包括風機運行傳遞的氣動荷載和自身承受的風荷載。柔性塔筒的共振頻率小于或相交于運行頻率，以一些純鋼塔筒為代表；剛性塔筒的共振頻率則高于運行頻率，常見的包括預應力混凝土塔筒及鋼-預應力混凝土組合塔筒。塔筒與基礎的連接部位、法蘭連接部位以及不同材料之間的過渡連接段是風機塔筒最為凸出的疲勞易損區(qū)。上述區(qū)域內的焊縫與螺栓的疲勞失效是塔筒結構失效的主要原因，其他部位通常不會遭受疲勞破壞，因而針對陸上風機塔筒的疲勞研究主要集中在針對上述關鍵部位的疲勞性能及壽命評估方面。

1.1 基礎及法蘭連接部位

囿于運輸、安裝條件，陸上風機塔筒常在工廠分段預制。在現(xiàn)場安裝時，上部筒段通過法蘭進行連接，而基礎部位通過基礎環(huán)來連接，如圖2 所示。在塔筒風致振動過程中，塔筒底部承受較大內力，引起法蘭內部螺栓、焊縫以及基礎環(huán)部位顯著的應力變化，進而產生疲勞損傷。

圖2 基礎環(huán)及上部法蘭示意圖Fig.2 Schematic diagram of base ring and the upper flange

2011年，西班牙坎塔布里亞大學的學者Lacalle等［3］為探究某風機塔筒底部裂紋的產生原因，基于名義應力法對塔筒底部連接法蘭處的焊接節(jié)點進行了疲勞分析，指出法蘭與筒壁的焊接節(jié)點處上下壁厚差異引起的應力集中導致了疲勞裂紋的過早產生。為改善焊縫節(jié)點的疲勞性能，他們嘗試性地進行了焊接節(jié)點幾何截面的過渡優(yōu)化，通過對焊縫輪廓進行平滑過渡來減少焊縫上下壁厚差異引起的應力集中，但效果十分有限。此項研究針對性地給出了該特定塔筒的疲勞開裂原因，偏重于工程實踐，可供后續(xù)塔筒焊接節(jié)點的疲勞研究借鑒。

2013年，美國凱斯西儲大學的Li［4］研究了基礎柔性對塔筒疲勞損傷的影響，分別建立帶有固定基礎的塔筒有限元模型和帶有柔性基礎的塔筒有限元模型，對比了兩者的疲勞損傷，結果表明固定基礎塔筒的疲勞損傷顯著高于柔性基礎塔筒，此項研究的結論有助于塔筒工程的疲勞設計，但計算時假設風機停機，未考慮氣動荷載，分析較為局限。

2014 至2015年，美國科羅拉多州立大學的Do 等［5－7］進行了針對陸上塔筒基礎連接焊縫的風致疲勞研究，建立了塔筒與基礎連接焊縫的疲勞裂紋擴展評估模型，與傳統(tǒng)的S-N曲線方法相比，基于裂紋擴展的疲勞壽命計算方法可以更好的預測連接焊縫在裂紋擴展階段的疲勞壽命。此外，他們評估了科羅拉多地區(qū)眾多風機塔筒基礎連接部位的疲勞損傷，對塔基進行了以疲勞性能和用鋼量為目標的結構參數(shù)優(yōu)化，并根據(jù)不同風速等級下塔基連接焊縫的疲勞失效概率擬合出易損性曲線，依據(jù)易損性曲線即可確定在不同風場下塔基連接焊縫的預期疲勞壽命。

2015年，希臘亞里士多德大學Stavridou 教授等［8］研究了塔筒環(huán)向焊縫的疲勞性能，著重分析了焊縫兩側筒壁厚度對疲勞壽命的影響。結果指出，兩側筒壁厚度是塔筒焊縫疲勞壽命的重要影響因素，定性來看，較厚的塔筒有著較長的疲勞壽命。塔筒厚度的增加意味著材料用量與成本的增加，因此平衡疲勞壽命和材料用量是塔筒疲勞設計的一個關鍵點。

同年，瑞典呂勒奧理工大學的Pavlovic′等［9］設計了一種塔筒摩擦連接，與傳統(tǒng)環(huán)向法蘭將兩筒段對接的連接方式不同，摩擦連接是將兩筒段的端部疊合，再用摩擦型螺栓連接，如圖3 所示。為比較兩種螺栓連接形式的疲勞性能，他們開展了彎曲疲勞試驗以及數(shù)值模擬，結論表明該摩擦連接方式無須施焊，且不存在翹起作用，疲勞性能要優(yōu)于環(huán)向法蘭連接。

圖3 摩擦連接與法蘭連接［9］（單位： mm）Fig.3 Friction connection and flange connection［9］（unit：mm）

2017年，北京工業(yè)大學的雙妙等［10］從風場特性角度出發(fā)，研究了風荷載的非高斯性對塔筒基礎連接部位疲勞損傷的影響。結論指出，在裂紋形成階段，非高斯風場下的結構裂紋萌生壽命更低，且風場平均風速越大，非高斯性的影響效果越顯著；而在裂紋擴展階段，風場的非高斯性不會對裂紋擴展壽命產生較大影響。

2018年，湖南科技大學的呂偉榮教授等［11］實地勘察了多臺國內因擺幅過大而停機的風機，分析了塔筒基礎連接環(huán)的風致疲勞損傷。此項研究解釋了陸上風機基礎環(huán)的疲勞損傷形成和演變機理，并將其損傷過程劃分為三個階段，即形成主方向初始裂縫、裂縫擴展至下法蘭并研磨混凝土形成空腔以及上穿環(huán)鋼筋與筒壁接觸導致疲勞脆斷，該結論有助于塔筒基礎環(huán)的設計改良及其健康監(jiān)測。同年，浙江大學的趙艷［12］基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和精細化的有限元模型，評估了某陸上風機塔筒法蘭焊縫處的疲勞壽命，并研究了風機運行工況對疲勞損傷的影響。此項研究將實際監(jiān)測應力轉化為焊縫處的熱點應力來進行后續(xù)疲勞分析，可為塔筒的疲勞健康監(jiān)測提供參考。

2020年，土耳其海峽大學教授Ajaei等［13］通過研究了塔筒環(huán)向法蘭連接螺栓的預緊力水平對其疲勞損傷的影響。結論指出，螺栓預緊力的降低使應力波動范圍增大，從而導致疲勞損傷增加。螺栓彎曲應力對螺栓疲勞起控制作用，其對螺栓疲勞的貢獻在預緊力較高時顯著，隨預緊力的降低而減小。此項研究對于塔筒工程建設有較大的指導意義，但尚需進一步的試驗來佐證結果的正確性。

1.2 鋼-預應力混凝土過渡段

經(jīng)濟效益作為風機塔建設的支配因素之一，倒逼著風機塔提升風能利用率、降低建設成本。鋼-預應力混凝土組合塔筒運輸便捷，且突破了傳統(tǒng)鋼塔筒100m 經(jīng)濟高度的限制，與當前陸上風機塔建設潮流最為契合。該類塔筒由上部鋼筒段與下部混凝土段組成，依靠過渡段進行連接，圖4 給出了常用的過渡段形式。組合塔筒過渡段構造較為復雜，連接界面較多，存在材料突變、剛度突變引起的應力集中部位，其疲勞性能對結構安全而言尤為關鍵。

圖4 常用鋼-預應力混凝土塔筒過渡段Fig.4 Commonly used transition section of steel-prestressed concrete wind turbine support structures

2016年，同濟大學的余智等［14］研究了塔筒內部預應力筋的疲勞壽命及可靠性，結論指出塔筒受拉側底端的預應力鋼筋長期處于高應力水平，是預應力混凝土塔筒疲勞分析的關鍵點，并建議在設計中進行門洞與塔筒連接部位的疲勞分析。

2019年，韓國學者Kim 等［15］提出了一種針對鋼-混凝土組合風機塔筒轉換連接段的疲勞設計方法，基于此方法制作了足尺的鋼-混凝土塔筒錨栓連接節(jié)點試件，并開展了200 萬次循環(huán)加載的疲勞試驗以驗證設計方法的合理性。試驗結果表明該錨栓連接設計足夠抵抗200 萬次疲勞加載，且錨栓埋入長度對節(jié)點的疲勞性能影響不大。此項研究考慮了錨栓埋入長度這一設計參數(shù)的影響，填補了塔筒連接節(jié)點疲勞試驗的空白，對后續(xù)試驗研究有著較大的借鑒意義。

目前，針對鋼-預應力組合塔筒過渡段疲勞性能的研究較少，值得研究關注的問題較多。其一，混凝土與鋼連接界面的疲勞性能，需要通過試驗來確定合適的S-N 曲線以及界面本構關系。其二，以疲勞性能為目標的結構參數(shù)優(yōu)化，如預應力大小及施加形式，筒壁與法蘭的倒角程度等參數(shù)，是此類塔筒過渡段疲勞研究的重點。

2 海上風機支撐結構疲勞研究

海上風機支撐結構依據(jù)基礎形式的不同可以分為固定式基礎支撐結構與浮式基礎支撐結構。固定式風機塔一般建設在水深不超過50m的近海區(qū)，以單樁式、三腳式、以及導管式支撐結構最為常見，而浮式風機塔主要建設在水深50m以上的深海區(qū)，有單立柱式、半潛式以及張力腿式三種基本形式［16］。與陸上風機支撐結構不同，海上風機支撐結構處于高腐蝕性的海洋環(huán)境中，承受風、浪、氣動力等疲勞荷載的聯(lián)合作用，環(huán)境狀況、受載狀況非常復雜，對疲勞性能的需求更高。關于海上風機支撐結構的疲勞研究集中在疲勞關鍵部位，如灌漿節(jié)點、導管架節(jié)點、法蘭螺栓連接以及浮式基礎結構的疲勞性能方面，此外還有一些針對腐蝕條件、土壤條件、氣動阻尼等外部影響因素的研究。

2.1 固定式風機支撐結構

1.灌漿節(jié)點

海上灌漿連接發(fā)展歷史悠久，最早應用于海上油氣平臺，2002年以后廣泛應用于近海風機支撐結構，至今已成為支撐結構安全性能研究的熱點［17］。近海風機支撐結構依靠過渡段將上部筒段或者格構段與底部樁基連接，常見過渡連接段的做法是將底部樁基段深入上部筒段中，在疊合的兩筒段之間的縫隙填充高強灌漿料，并附加剪切鍵形成灌漿節(jié)點，如圖5 所示。灌漿節(jié)點在服役期內承受循環(huán)交變的彎矩和剪力，其疲勞性能的優(yōu)劣很大程度上決定著此類支撐結構是否具有足夠的疲勞壽命，因此近年來海上風電灌漿連接段的疲勞性能也得到廣泛關注。2015年，英國拉夫堡大學的Dallyn 等［18］詳盡地總結了關于海上風電灌漿連接軸向、彎曲承載力的研究進程，本節(jié)則對灌漿連接段疲勞方面的研究擇要加以補充。

圖5 風機支撐結構常用灌漿節(jié)點Fig.5 Commonly used grouting joints for wind turbine support structures

2006年至2010年，德國漢諾威大學教授Schaumann等［19－22］針對單樁風機塔筒灌漿節(jié)點開展了彎矩和軸力作用下的疲勞試驗以及相應的數(shù)值模擬，著重分析了附加剪切鍵、上下筒壁疊合長度以及灌漿強度等變量對灌漿節(jié)點疲勞性能的影響，試驗結果表明高強灌漿料、長疊合段以及附加剪切鍵可顯著增強灌漿節(jié)點的疲勞性能，并且附加剪切鍵以中心集中型布置效果最好，可以顯著減少連接端應力集中和剪切鍵的缺口效應。此外，他們通過對比不同灌漿強度以及疊合段長度的節(jié)點在循環(huán)彎矩作用下的剛度退化情況，發(fā)現(xiàn)高強的、疊合段長的灌漿節(jié)點端口環(huán)向變形小，剛度性能退化較小，反之低強度的、疊合段短的灌漿節(jié)點剛度退化顯著。

2011年，丹麥奧爾堡大學的Soerensen 等［23］分別在干、濕條件下進行了灌漿節(jié)點的疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)淹沒條件下的試件的疲勞壽命明顯低于常規(guī)條件下試件的疲勞壽命。此前，灌漿疲勞的試驗研究均在干燥條件下進行，本項研究則關注了水環(huán)境對灌漿節(jié)點疲勞性能的影響，但僅采用了直徑60mm、高120mm的小型圓柱試件以及循環(huán)壓縮加載的方式，小尺寸試件是否能夠正確表現(xiàn)大直徑灌漿連接段的疲勞行為是存疑的，并且循環(huán)壓縮加載方式與灌漿段的實際疲勞荷載有較大出入，尚應考慮循環(huán)彎矩的作用，試驗結果存在一定局限性。

2013年，DNV GL 風電工程師Lotsberg［24］提出了一種灌漿節(jié)點在彎曲和軸向循環(huán)荷載作用下的疲勞極限狀態(tài)設計方法，為驗證方法的有效性進行了彎曲和軸向加載的疲勞試驗。此外，設計了一種灌漿節(jié)點試件，可有效應用于圓柱灌漿節(jié)點的疲勞試驗。沿大直徑圓管的環(huán)向截取局部曲面板，將其等效為平面板，基于剛度等效原理設計了四個箱型灌漿節(jié)點試件，此外設立了圓柱形試件作為對照組，節(jié)點試件內采用100mm 厚的灌漿料以及12mm 高的剪切鍵，如圖6 所示。此項試驗設計可以較好地實現(xiàn)彎曲及軸向循環(huán)加載過程，可為大尺寸灌漿節(jié)點的疲勞試驗設計提供借鑒，但與圓柱試件的結果相比，箱型試件的承載力更高，因此采用此箱型節(jié)點進行疲勞試驗在一定程度上高估了灌漿節(jié)點的疲勞性能。

圖6 箱型灌漿節(jié)點試件［24］Fig.6 Box-type groutingjoint specimen ［24］

2016年，同濟大學的王銜等［25］針對單樁風機塔灌漿節(jié)點開展了數(shù)值模擬研究，分析了DNV—2013 規(guī)范與DNV—2014 規(guī)范中不同剪切鍵排布方式，即剪切鍵沿灌漿段全長布置與剪切鍵在灌漿段中心1／2 長度內布置，以及剪切鍵間距對灌漿節(jié)點疲勞性能的影響。有限元分析的結果表明剪切鍵布置方式以及間距的不同并不會對灌漿節(jié)點疲勞性能產生顯著的影響。但文章同時指出，灌漿節(jié)點疊合段的端口易開裂，進而引起附近灌漿料碰撞、損傷，若剪切鍵在端口附近分布則會產生應力集中加劇漿體損傷，因此剪切鍵在灌漿段中心附近布置更為合適。

2017年，漢諾威大學的Schaumann 等［26］進行了淹沒條件下灌漿節(jié)點的疲勞試驗，他們分別開展了小尺寸試件及大尺寸試件的疲勞試驗。小尺寸試件的結果表明，在同等循環(huán)壓縮加載條件下，水環(huán)境中的試件疲勞損傷要顯著大于干燥環(huán)境中的試件，這一結論與Soerensen 等的試驗結果一致。為了評估尺寸效應對試驗結果的影響，他們還進行了循環(huán)彎曲加載條件下的大尺寸試件的疲勞試驗，試驗結果依舊表明水環(huán)境中的試件疲勞壽命顯著減少。試驗過后，他們對試件進行拆解，觀察內部灌漿的疲勞損傷情況，得出了灌漿節(jié)點在水環(huán)境下的疲勞損傷機制。水環(huán)境中，灌漿節(jié)點處于飽和狀態(tài)，對節(jié)點加載時會壓縮內部的水分并將其沿界面擠出，而卸載時外部的水分重新被吸入灌漿節(jié)點內，產生泵送過程。在這種泵送過程中，灌漿料顆粒會被沖刷而出，由此加重灌漿節(jié)點的疲勞損傷。

2018年，同濟大學的陳濤教授等［27］針對帶有剪切鍵的單樁風機塔灌漿節(jié)點開展了200 萬次循環(huán)彎曲加載的疲勞試驗。與Lotsberg［24］基于剛度等效設計的箱型試件不同，此項研究采用了5個不同長度的圓柱灌漿節(jié)點縮尺模型，一定程度上減小了縮尺試件與實際結構疲勞破壞機制的差異。試驗結果表明圖7 中灌漿節(jié)點的外側受拉區(qū)經(jīng)受10 萬次循環(huán)疲勞加載后即發(fā)生界面分離，而受壓區(qū)在疲勞荷載下仍保持較好的魯棒性。此外，他們通過對比不同疊合段長度的灌漿試件的試驗結果，發(fā)現(xiàn)試件疊合段越長，端口環(huán)向應變越大，且受拉區(qū)的界面分離越早出現(xiàn)。這一結論與文獻［22］的試驗結果相悖，文中指出結論不符來源于選取的灌漿疊合段長度以及彎矩施加范圍的差異。

圖7 圓柱灌漿節(jié)點試件受拉和受壓區(qū)［27］Fig.7 Tension and compression zone of cylindrical grouting joint specimen ［27］

2019年，陳濤教授等［28］對上述5 個經(jīng)過疲勞加載的灌漿節(jié)點試件做了進一步地軸壓試驗以及有限元分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過200 萬次循環(huán)彎曲加載的灌漿節(jié)點試件仍然具有良好的軸壓承載力，認為與構件制作質量相比，疲勞加載歷史對灌漿節(jié)點的軸壓承載能力的影響較小。

目前關于近海風機塔灌漿節(jié)點的疲勞研究已經(jīng)證實了附加剪切鍵可以增強節(jié)點軸向、彎曲疲勞性能。在試驗設計層面也證實了大尺寸灌漿節(jié)點試件優(yōu)于小尺寸試件，圓柱灌漿節(jié)點試件優(yōu)于箱型試件。筆者認為對于灌漿節(jié)點疲勞方面存在以下亟待研究的問題，首先，此前試驗研究均單獨進行軸向循環(huán)加載或彎曲循環(huán)加載，難以模擬實際結構同時承受軸向、彎曲疲勞荷載的狀態(tài)，因此需要優(yōu)良的試驗設計來進行軸向、彎曲同時加載的疲勞試驗。再者，結構參數(shù)、外部荷載及環(huán)境存在明顯的隨機性，而結構疲勞性能對這些因素較為敏感，但此前少有學者從疲勞可靠性角度對塔筒結構疲勞性能進行研究。

2.三腳架、導管架節(jié)點

三腳架、導管架是近海風機常用的支撐結構類型，一般由中空的腿柱和連接腿柱的縱橫桿焊接組成空間節(jié)點，如圖8 所示，主要包括X型節(jié)點、K型節(jié)點以及T型節(jié)點。因截面突變、初始缺陷以及焊接殘余應力等不利因素的存在，導管架節(jié)點極易萌生疲勞裂紋。

圖8 常用導管架示意圖Fig.8 Schematic diagram of commonly used jacket structures

2011年，挪威科技大學的Dong 等［29］對導管架式風電塔進行了風、浪耦合作用下的長期疲勞分析，他們通過數(shù)值模擬計算了四種不同類型的導管架節(jié)點的熱點應力，提出了實用的解析公式來表示熱點應力的長期分布。此外，分析了風、浪荷載各自對導管架節(jié)點疲勞的貢獻，指出風荷載是導管架節(jié)點疲勞的控制荷載，但仍應該考慮風、浪的耦合作用。此項研究將風、浪荷載沿同一方向施加，但導管架節(jié)點是空間結構，受風、浪荷載的方向性效應的影響較大，尚需考慮不同荷載方向組合的影響。2012年，Dong等［30］進一步研究了支撐桿腐蝕變薄對導管架節(jié)點疲勞性能及可靠度的影響，指出腐蝕引起的幾何形狀的改變以及材料性能的退化加速了疲勞裂紋擴展。

2015年，葡萄牙里斯本大學的Yeter 等［31］研究了三腳架焊接節(jié)點的疲勞性能，且設置了12 個風、浪組合工況以確定不同荷載條件下三腳支架疲勞損傷情況。疲勞計算結果表明，在所有工況下，最大疲勞損傷都出現(xiàn)在三腳架上部焊接節(jié)點，其次是三腳架基礎之間的支撐桿，而三腳架底部管節(jié)點疲勞損傷較小。此外，對于同一管節(jié)點，其在不同荷載工況下的疲勞損傷差異較大，因此在對管節(jié)點進行疲勞設計時要對各工況充分的考慮。此項研究得出了某三腳架管節(jié)點的最不利疲勞位置，對該類節(jié)點的疲勞設計有一定指導意義。2019年，英國愛丁堡大學的Chatziioannou等［32］考慮到導管架在極端循環(huán)荷載，如地震、風暴等作用下會產生很大的非彈性應變，在少量荷載循環(huán)次數(shù)下就可能發(fā)生疲勞破壞，因此他們?yōu)樘骄坑筛邚姸蠕撝谱鞯腦型導管架節(jié)點的低周疲勞性能，開展了疲勞試驗及相應的有限元分析。如圖9 所示，試驗通過液壓作動器對X型導管架節(jié)點子結構進行循環(huán)彎曲加載，全部試件在100 次循環(huán)加載以內即產生貫穿裂紋。研究結論指出，高強鋼導管架節(jié)點與低碳鋼節(jié)點均具有良好的疲勞性能，適宜在導管架結構中應用。

圖9 X 型節(jié)點試件及加載裝置［32］Fig.9 X-type joint specimen and loading device［32］

3.法蘭螺栓及焊縫

與陸上風機相同，海上風機支撐結構的上部各筒段也采用法蘭進行連接。相對于灌漿節(jié)點及三腳架、導管架節(jié)點而言，海上風機支撐結構法蘭連接處螺栓及焊縫的疲勞并不顯著，因此鮮有研究人員關注。2018年，漢諾威大學的Schaumann等［33］對海上風機M36、M64 大直徑法蘭螺栓進行了疲勞試驗，在試驗中調整螺栓預緊力使其達到標準水平，并考慮了高溫鍍鋅防腐的邊界層效應對螺栓疲勞強度的影響，試驗結果證實了高溫鍍鋅使螺栓疲勞強度顯著降低。此外，該研究首次驗證了M64 大直徑螺栓的標準S-N曲線。2019年，英國克蘭菲爾德大學的Biswal等［34］利用實際海上風電場監(jiān)測到的風、浪荷載對單樁風機塔筒進行了有限元分析，計算了環(huán)向焊縫的疲勞損傷。在建模時考慮了環(huán)焊縫的實際幾何形狀，結論表明考慮幾何效應可以更精確的評估焊縫疲勞壽命。

4.支撐結構疲勞的外部影響因素

海上風機支撐結構處在復雜的海洋環(huán)境中，腐蝕條件、土壤條件、氣動阻尼等外部參數(shù)會對結構疲勞性能產生一定影響，因而也有一部分學者從固定式支撐結構疲勞的影響因素角度展開了研究。前已述及，2012年Dong等［30］研究了腐蝕對導管架節(jié)點疲勞性能及可靠度的影響，認為腐蝕作用會導致支撐桿厚度削減，并會引起局部幾何形狀的改變以及材料性能的退化，這些因素加劇了結構的疲勞損傷。

2015年，Damgaard 等［35，36］研究了土壤條件變異性對停機狀態(tài)下的單樁塔筒疲勞損傷的影響，研究結果表明土壤剛度、土壤阻尼的變化以及海底泥沙的存在對風力發(fā)電機支撐結構疲勞損傷結果影響較大，最大變幅超過30%。2016年，挪威科技大學的Schafhirt 等［37］也考察了土壤條件變異性的影響，指出土壤軟化或硬化會引起支撐結構疲勞壽命在－9%到＋4%之間變化。

2018年，倫敦大學學院的Rezaei 等［38］系統(tǒng)研究了氣動阻尼對單樁塔筒結構疲勞壽命的影響，指出計算塔筒疲勞壽命時，假設平均氣動阻尼恒定比起考慮氣動阻尼隨風速而變化，前者能得到更精確的結果。此外，適當增加阻尼可以有效降低結構疲勞損傷，而風機停機則會引起氣動阻尼顯著降低，增大結構疲勞損傷，最大增幅高達60%，因此風機停機應是疲勞極限狀態(tài)之一。

2019年，DNV GL 風電工程師L?ken 等［39］研究了地基柔性對海上風機塔筒疲勞壽命的影響，與FAST軟件中默認的固定地基模型相比，柔性地基模型的疲勞壽命顯著減低了22%。此外，他們考察了單樁埋入長度和單樁壁厚的影響，指出當埋入長度從36m減少到26m時，疲勞壽命幾乎沒有差異，僅當長度從26m減小到16m時出現(xiàn)了小幅變化，因此單樁埋入長度對疲勞結果影響較小，而壁厚減小會導致疲勞損傷大幅增加。值得指出的是，此項研究的結果只針對具體的某一套土壤、基礎和結構參數(shù)，因此，結論能否推廣到其他海上風機塔筒還需要進一步的試驗及模擬研究。

2.2 浮式風機支撐結構

疲勞損傷是固定式風機支撐結構設計重點考慮的問題，對浮式風機支撐結構而言也同等重要。浮式風機支撐結構在風、浪作用下產生較大的俯仰剛體位移，且自振周期較大，結構特性明顯不同于固定式支撐結構，其基礎立柱、支撐以及平臺節(jié)點等關鍵部位的疲勞損傷較為顯著。

2015年，挪威科技大學的Kvittem等［40］基于名義應力法對三樁半潛式支撐結構進行了2316次不同模擬時長的隨機時域疲勞分析，重點討論了模擬時長、模擬次數(shù)等因素對疲勞損傷的影響。結果表明，在10 分鐘與1 小時模擬時長下，結構疲勞損傷分別比3 小時模擬時長下的疲勞損傷低10%與4%，且模擬時長在1 小時以上時，增加模擬次數(shù)對疲勞損傷結果影響較小，因此確定1 小時作為合理的模擬時長，此結果對于浮式支撐結構的疲勞損傷模擬工作有較大參考價值。此外，研究還表明浮式平臺的橫搖、俯仰等剛體運動對結構的疲勞損傷貢獻較大，橫梁、斜撐等剪切構件的疲勞損傷明顯低于軸向短立柱，且隨著風速及波高的增加，疲勞損傷逐漸增大。

2018年，都柏林圣三一大學的Chen 等［41］研究了波-流相互作用下單立柱式塔筒及其錨索的疲勞損傷，指出波-流相互作用對塔筒疲勞損傷影響顯著，并且可能引起錨索張力增大，降低結構疲勞壽命。此項研究計算時僅采用了小振幅線性波，對于大振幅非線性波-流相互作用可能對結構疲勞損傷的影響有待進一步研究。同年，上海交通大學的李浩然等［42］計算了某單立柱式塔筒基礎部位的短期疲勞損傷，指出塔基部位軸向應力變化是其疲勞損傷的重要因素。他們也研究了模擬時長的影響，與Kvittem 等［40］的結論一致，認為1 小時的模擬時長足夠得到合理的疲勞損傷結果。

此前關于浮式風機支撐結構疲勞方面的研究相對較少，且集中在風、浪致疲勞分析方法的改良以及模擬效率的提高方面，針對支撐結構關鍵部位疲勞性能及其影響因素方面的研究格外欠缺。在當前風機建設向深海領域不斷拓展的趨勢下，浮式風機支撐結構疲勞性能的試驗以及模擬研究已成為行業(yè)發(fā)展的迫切需求。

3 風機支撐結構疲勞性能研究展望

2019年，NREL 風電工程師Veers 等［43］在Science上撰文指出風能利用研究領域的幾個重大挑戰(zhàn)，其中之一便是大型風力發(fā)電塔的空氣動力學、結構動力學與流體動力學研究，而結構振動疲勞正是動力學研究涵蓋的重要方面。從上述文獻回顧可以看出，當前風機支撐結構疲勞研究領域處于活躍發(fā)展階段，取得眾多進展的同時，也突顯出一些值得重點關注以及進一步開展的研究工作，總結如下：

（1）進行鋼-預應力混凝土組合塔筒過渡段的彎曲疲勞試驗，以合理確定此類節(jié)點的S-N曲線并進一步研究鋼-混凝土界面疲勞性能。

（2）進行合理的試驗設計對灌漿節(jié)點進行軸向、彎曲同時加載的疲勞試驗，從而突破軸向、彎曲單獨加載的局限性。

（3）針對浮式風機支撐結構關鍵部位，如基礎立柱、支撐以及平臺節(jié)點等，進行疲勞試驗以及模擬研究。

（4）針對腐蝕條件、地基條件、以及氣動阻尼等影響結構疲勞性能的因素做進一步的研究，特別是試驗研究，以量化其影響并指導風機支撐結構設計。

（5）以疲勞性能和材料用量為目標，對各類支撐結構進行結構參數(shù)優(yōu)化，以減少建設及后期維護費用。

（6）考慮結構參數(shù)、外部荷載及環(huán)境的隨機性，從疲勞可靠性角度對支撐結構疲勞性能進行研究。