元國凱，方輝，馬兆榮，孫計勃，湯東升

（1.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663；2.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引言

海上風(fēng)電是目前海上綠色能源開發(fā)和利用的最主要形式之一。在風(fēng)電裝備服役中，已多次出現(xiàn)船舶失控撞擊風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)事件，導(dǎo)致風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷，承載性能發(fā)生改變，造成嚴(yán)重安全隱患及巨大損失[1]。2017-08-20T14：00，臺風(fēng)“天鴿”在西北太平洋洋面生成，之后強度不斷加強。2017-08-23，“天鴿”直面經(jīng)過珠海金灣海上風(fēng)電場項目海域，導(dǎo)致周邊大型船舶進入風(fēng)電場，造成風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損。由于缺少計算方法和相應(yīng)規(guī)范，無法實施損傷結(jié)構(gòu)的承載性能評估，只得對該風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行拆除。這次事故對后續(xù)工程的設(shè)計、施工、維護產(chǎn)生了巨大影響，直接導(dǎo)致保險費用飆升，因此需要對風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)船撞損傷及其受損后結(jié)構(gòu)剩余強度計算方法進行研究。

風(fēng)電單樁屬于大直徑薄壁漸變鋼管筒樁結(jié)構(gòu)，樁基打入土體深53～57 m，本文選取55 m作為研究對象。針對含樁-土作用的單樁基礎(chǔ)風(fēng)電整體極限強度問題，采用現(xiàn)場試驗或比例模型試驗成本較高，多采用有限元法數(shù)值求解分析。栗銘鑫[2]針對直徑為2 m的短樁結(jié)構(gòu)進行復(fù)合加載下數(shù)值求解極限承載力分析，得出其水平荷載-水平位移承載性能曲線。俞益銘[3]總結(jié)了大直徑樁基水平承載力的研究方法和樁體破壞模式。郝二通[4]利用有限元軟件LS-DYNA進行船舶與單樁基礎(chǔ)碰撞研究，對能量轉(zhuǎn)化、最大碰撞力、基礎(chǔ)損傷狀態(tài)和風(fēng)機動力響應(yīng)等問題進行了探討。Bela[5]和LeSourne[6]等將船艏簡化為解析剛體，從能量（內(nèi)能）變化、碰撞力-凹陷位移的角度評估碰撞的變化。

目前，海工結(jié)構(gòu)剩余強度研究主要針對已知損傷位置和損傷程度的海洋平臺或船體結(jié)構(gòu)。鄒湘[7]采用疲勞斷裂力學(xué)的裂紋擴展方法，通過引入多尺度有限元原理，建立了時變裂紋損傷下的導(dǎo)管架平臺數(shù)值計算模型，針對導(dǎo)管架的損傷較大區(qū)域進行了結(jié)構(gòu)剩余強度研究。李景陽[8]綜合考察了在復(fù)雜載荷作用下船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂紋缺陷，提出了帶裂紋構(gòu)件的剩余極限強度評估方法。黃震球[9]等研究了船體梁結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部爆炸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損后剩余強度的變化規(guī)律。

船舶碰撞過程涉及結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布特征和材料非線性以及船艏碰撞接觸非線性問題，需采用船舶-風(fēng)電結(jié)構(gòu)-土體全尺寸耦合模型與動態(tài)顯式計算方法進行分析；船撞后結(jié)構(gòu)剩余強度研究要求在準(zhǔn)靜態(tài)體系下計算損傷結(jié)構(gòu)力-位移特征，這就需要將包含高動能船撞模型中的結(jié)構(gòu)損傷特征引入無動能準(zhǔn)靜態(tài)計算體系，其中高動能損耗與局部強損傷必然導(dǎo)致巨大的計算成本（模型穩(wěn)定過程）與收斂困難（模型奇異性），以至于目前對風(fēng)電結(jié)構(gòu)碰撞受損后剩余強度變化的研究較少。本文采用船舶-風(fēng)電結(jié)構(gòu)-土體全耦合模型，利用預(yù)定義場實現(xiàn)了動態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)計算有效轉(zhuǎn)換，建立了完好結(jié)構(gòu)極限強度、船撞結(jié)構(gòu)損傷與受損結(jié)構(gòu)剩余強度一體化計算體系，以工程實建單樁風(fēng)機為對象，獲得了船撞過程與受損結(jié)構(gòu)剩余強度的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1 結(jié)構(gòu)模型和材料參數(shù)模型

1.1 風(fēng)電結(jié)構(gòu)模型和材料參數(shù)模型

本次研究選用海上風(fēng)電大直徑深樁（單樁）基礎(chǔ)，單機容量6 MW。風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)由樁基、過渡段和塔筒組成，其幾何參數(shù)如表1所示，風(fēng)電整體（樁基和塔筒）結(jié)構(gòu)采用S355低碳鋼，其參數(shù)見表2。

表1 風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of offshore wind turbine structure m

表2 低碳鋼S355鋼屬性參數(shù)1）Tab.2 Parameters of steel properties in mild steel S355 specification

風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示。樁基和塔筒采用漸變段設(shè)計建模，塔筒以上設(shè)備（機艙、輪轂、葉片等）通過RP點（耦合點）等效耦合在塔筒最高點，將該點設(shè)置為集中質(zhì)量點，質(zhì)量370 t。

圖1 風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)幾何模型Fig.1 Geometric model of monopile foundations

風(fēng)電單樁基礎(chǔ)和塔筒結(jié)構(gòu)的材料為彈塑性硬化材料，具有線彈性的特征，其本構(gòu)采用DNVGL-RP-C208《Determination of structural capacityby non-linear finite element analysis methods》[10]推薦的彈塑性硬化模型，該模型具有屈服平臺的冪律硬化模型參數(shù)。該材料本構(gòu)真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以定義為：

式中：σf為應(yīng)力；εp為應(yīng)變；n為硬化系數(shù)，取值0.166。

該材料本構(gòu)關(guān)系（真實應(yīng)力-應(yīng)變）曲線見圖2。

圖2 材料本構(gòu)真實應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Constitutive true stress-strain curves of materials

材料損傷模型采用延性金屬損傷中韌性損傷模型。損傷演化方向利用塑性斷裂位移來控制，用線性形式表示損傷變量隨塑性位移的增加而增加，當(dāng)塑性位移達到斷裂位移時，斷裂發(fā)生，損傷變量D=1。斷裂位移輸入的參數(shù)值根據(jù)單元特征長度和厚度以及不同的單元類型輸入。Kulzep和Peschmann[11]根據(jù)仿真研究給出了不同單元厚度的斷裂應(yīng)變（斷裂位移）與單元特征長度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 最大斷裂應(yīng)變與單元大小的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum fracture strain and unit size

1.2 土體結(jié)構(gòu)模型和材料參數(shù)模型

土體直徑為120 m，高為75 m，中間樁留下的空隙為直徑7 m，深度55 m。一般土體建模時要求土體直徑為樁直徑的20～40倍，為了提高計算效率，直徑采用120 m。土體材料采用Mohr-Coulomb塑性模型，材料參數(shù)如表3所示。

表3 模型中不同類型土體材料主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of different types of soil materials used in the model

巖土工程分析中初始地應(yīng)力是重要的影響因素之一，利用ABAQUS軟件可以實現(xiàn)初始地應(yīng)力平衡，土體分層幾何模型見圖4。

圖4 土體分層模型Fig.4 Soil stratification model

1.3 船體結(jié)構(gòu)模型

DNV GL-OS-A101[12]規(guī)范指出，碰撞能量根據(jù)典型船只計算，船側(cè)碰撞一般不低于14 MJ，船艏和船尾碰撞不低于11 MJ。對于船舶碰撞能量E計算公式為：

式中：M為船舶排水量，t，通常船側(cè)碰撞為0.4M，船艏和船尾為0.1M；a為船舶附加質(zhì)量，t；v為碰撞速度，m/s。

本研究基于船體結(jié)構(gòu)的彈塑性材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布特征進行模擬計算，建立船體模型。利用有限元軟件MSC.Patran建立全尺寸船舶有限元數(shù)值模型。選用載重量為38 000 t、船體外體結(jié)構(gòu)自重為5000 t，帶有球鼻的艏散貨船，集中質(zhì)量點總質(zhì)量為1800 t，機電設(shè)備及其上層建筑為2200 t，總自重共9000 t，船總長為185.8 m，垂線間長170 m，船舶型寬為31 m，型深15.43 m。設(shè)計吃水9.5 m，結(jié)構(gòu)吃水10 m。

有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點和單元類型如下：總共402 844個節(jié)點，414 949個單元，57 000個兩節(jié)點線性梁單元，12 229個兩節(jié)點三維桁架單元，286 102個四結(jié)點雙彎薄殼或厚殼單元，59 618個三節(jié)點三角形單元。船體整體有限元和碰撞部位局部網(wǎng)格細(xì)化模型如圖5所示，船體材料模型和風(fēng)電結(jié)構(gòu)采用低碳鋼S235，相關(guān)參數(shù)如表4所示。斷裂應(yīng)變、應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率采用相應(yīng)鋼材料試驗測得，損傷演化方向和斷裂位移選取值與風(fēng)電結(jié)構(gòu)模型相一致。

圖5 船體整體有限元和碰撞部位局部網(wǎng)格細(xì)化模型Fig.5 Overall finite element model of the hull and the local mesh refinement model of collision site

表4 低碳鋼S235鋼屬性參數(shù)Tab.4 Parameters of properties of mild steel S235

2 含樁-土作用單樁基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)極限強度分析

塔筒及其以上設(shè)備受力（包括結(jié)構(gòu)自重）按照IEC 61400-3 International Standard[13]簡化至樁基過渡段最高法蘭盤截面中心點處的三個方向集中力和三個彎矩。首先采用簡化方法處理樁基與土體之間的接觸問題，采用Tie綁定約束接觸方式。設(shè)置參考載荷3000 N，作用在樁基過渡段最高點處樁體表面耦合截面中心，方向沿水平X軸正方向。

2.1 未考慮塔筒及其以上結(jié)構(gòu)分析

利用弧長法求解得到樁基過渡段最高點處水平荷載-水平位移曲線如圖6所示?？梢婇_始時曲線表現(xiàn)為線性特征，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處于彈性階段，曲線的斜率即剛度；當(dāng)力繼續(xù)加載，曲線表現(xiàn)為非線性特征，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，曲線達到拐點處，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)。由于樁體結(jié)構(gòu)是彈塑性硬化材料，拐點之后加載很小力就會發(fā)生較大位移，曲線的斜率值即剛度不斷變化。由圖6可知，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平極限承載力為60 MN，由圖7可以看出單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生局部屈曲，土由體還未進入塑性狀態(tài)。

圖6 弧長法求解得到水平荷載-水平位移曲線Fig.6 Curve of horizontal load and horizontal displacement obtained by arc length method

圖7 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和土體S11(X)方向的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of foundation structure and soil S11 direction

利用準(zhǔn)靜態(tài)法對單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行極限強度研究。準(zhǔn)靜態(tài)法以結(jié)構(gòu)非線性運動方程的顯式求解為基礎(chǔ)，運動方程如下：

式中：{P}為載荷列陣；{I}為內(nèi)力矩陣；M為質(zhì)量矩陣；{u?}為加速度矩陣。

首先利用弧長法得到水平位移為3.5 m時，水平承載力為76.232 5 MN進行加載分析，利用光滑幅值函數(shù)控制加載速度，保證加載過程不會產(chǎn)生加載速率變化引起的波動不連續(xù)行為。利用有限元軟件ABAQUS中的頻率分析步可以得到單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的固有頻率，進而求解其固有時間。通常采用單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固有時間的10倍進行加載，充分保證得到精確靜態(tài)解。通過分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率為0.751 05 Hz，準(zhǔn)靜態(tài)分析計算時間為13.31 s。

通過弧長法和準(zhǔn)靜態(tài)法分析得到水平荷載-水平位移曲線見圖8，由圖8可知準(zhǔn)靜態(tài)法求解結(jié)構(gòu)的水平極限承載力為63 MN。準(zhǔn)靜態(tài)法相比弧長法得到的極限強度值略大，同時也驗證了兩種方法都是求解結(jié)構(gòu)極限強度的有效方法。

圖8 弧長法和準(zhǔn)靜態(tài)法分析得到水平荷載-水平位移曲線Fig.8 Curve of horizontal load and horizontal displacement obtained by arc length method and quasi-static method

對單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行彎矩加載分析，同樣采用弧長法和準(zhǔn)靜態(tài)法分別進行加載，彎矩的方向為繞Y軸正向施加，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，弧長法求解得到繞Y軸正向極限彎矩為1.28 kN·m，準(zhǔn)靜態(tài)分析得到的繞Y軸正向極限彎矩為1.3 kN·m。

圖9 弧長法和準(zhǔn)靜態(tài)法分析得到繞Y軸正向彎矩轉(zhuǎn)角曲線Fig.9 Positive bending moment angle curve around Y axis obtained by arc length method and quasi-static method

可見，采用非線性弧長法和準(zhǔn)靜態(tài)法求解單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平極限強度，計算精度接近，而準(zhǔn)靜態(tài)法在非線性求解過程中處理收斂性問題上更有優(yōu)勢，將其確定為船撞單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剩余強度求解方法。

2.2 整體結(jié)構(gòu)分析

以上研究中未考慮塔筒及其以上結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)極限強度進行研究，利用準(zhǔn)靜態(tài)法進行求解，邊界條件和施加荷載都與未考慮塔筒時相同，得到樁基過渡段最高點處水平荷載-水平位移曲線如圖10所示。由圖10可知，考慮塔筒及其以上結(jié)構(gòu)求解得到極限承載力與未考慮時基本相同，故不考慮塔筒工況下利用準(zhǔn)靜態(tài)法求解極限強度對整體極限強度無影響。

圖10 準(zhǔn)靜態(tài)法分析得到水平荷載-水平位移曲線Fig.10 Horizontal load and horizontal displacement curve obtained by quasi-static analysis

樁-土作用采用面與面接觸，樁身是主面，土體內(nèi)側(cè)為從面。接觸屬性中的法向采用硬接觸方式，接觸屬性切向方向摩擦方式采用動、靜衰減系數(shù)模型，動、靜摩擦系數(shù)為0.2，指數(shù)衰減系數(shù)為1。不同接觸方式水平荷載-水平位移曲線對比見圖11。風(fēng)電整體應(yīng)力云圖和土體S11（X）方向應(yīng)力云圖見圖12。由圖12可以看出，樁土和土體應(yīng)力主要集中在泥土面以下0～5 m。準(zhǔn)靜態(tài)法可以求解接觸非線性問題，因此采用面與面接觸更符合工程實際。

圖11 不同接觸方式水平荷載-水平位移曲線對比Fig.11 Comparison of horizontal load-horizontal displacement curves of different contact modes

圖12 風(fēng)電整體應(yīng)力云圖和土體S11（X）方向的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress cloud diagrom of wind power and soil S11 direction

通過以上研究可以得出求解整體極限強度需要考慮的各種因素，包括兩種不同求解極限強度的方法、集中力和彎矩加載分析、是否考慮塔筒及其以上結(jié)構(gòu)分析、不同的樁-土之間接觸方式等。

3 船舶碰撞海上風(fēng)電基礎(chǔ)分析

本研究采用顯式有限元分析軟件ABAQUS/Explicit進行碰撞分析。求解動力平衡方程時對時間積分采用中心差分法。

其中，tn-1/2=(tn+tn-1)/2,tn+1/2=(tn+1+tn)/2，

式中：C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；H為沙漏黏性阻尼力矩陣；u為位移向量；為tn時刻節(jié)點加速度，分別為tn、tn+1/2、tn-1/2時刻節(jié)點速度，u(tn+1)為tn+1時刻節(jié)點位移；M為有效質(zhì)量矩陣；F為碰撞載荷，則F(tn)為tn時刻有效荷載。如果已知u(tn)和u(tn+1/2)就可求解u(tn+1)，然后計算出M和F，最后求出。

不同速度的碰撞場景如下：船體質(zhì)量為9000 t（包含附加質(zhì)量，附加質(zhì)量系數(shù)0.05），速度分別選擇4 m/s、3 m/s、2 m/s，正碰，水深17.3 m，吃水深度9 m，樁基直徑7 m，樁基和塔筒厚度80 mm，塔筒最高點集中質(zhì)量370 t，正碰不計摩擦系數(shù)，土體參數(shù)不變，土體和風(fēng)機整體施加重力，水壓力0.17 MPa，初始地應(yīng)力作為土體初始條件，樁土作用部分切向方向采用罰函數(shù)公式，摩擦系數(shù)0.4。

船舶-風(fēng)電-土體耦合碰撞整體有限元模型如圖13所示。碰撞過程中采用質(zhì)量縮放功能提高求解效率。碰撞力-凹陷位移曲線見圖14，從圖中可以看出速度越大，碰撞產(chǎn)生凹陷位移越大，回彈位移也越大；剛開始碰撞屬于彈性碰撞，不同碰撞速度下斜率基本相同，隨后進入彈塑性階段，曲線表現(xiàn)出較強的非線性不穩(wěn)定波動特征，碰撞力每次達到峰值后卸載都是接觸重新建立和消失，主要是由船艏構(gòu)件或樁體的受損失效破壞所致。

圖13 船舶-風(fēng)電-土體耦合碰撞整體有限元模型Fig.13 Overall finite element model of ship-wind power-soil coupling collision

圖14 不同速度碰撞下碰撞力-凹陷位移曲線Fig.14 Striking force-hollow displacement curve under collision with different velocities

圖15是不同速度碰撞下風(fēng)電整體結(jié)構(gòu)和船體損傷等效塑性應(yīng)變云圖，可以看出船體球鼻艏部位產(chǎn)生了較大損傷，船甲板產(chǎn)生的損傷較小。圖16是4 m/s速度下樁體整體變形和應(yīng)力云圖，碰撞過程在樁基過渡段產(chǎn)生了局部凹陷，在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m中會發(fā)生局部彎曲撓度，在此區(qū)域內(nèi)也產(chǎn)生損傷。圖17為4 m/s碰撞下土體等效塑性應(yīng)變和位移云圖，可以看出，土體表面區(qū)域出現(xiàn)塑性應(yīng)變，土體產(chǎn)生塑性破壞。

圖15 4 m/s碰撞下整體和船體等效塑性應(yīng)變云圖Fig.15 Cloud diagram of the global and hull equivalent plastic strain under 4 m/s collision

圖16 4 m/s碰撞下風(fēng)電整體和局部凹陷應(yīng)力云圖Fig.16 Stress cloud diagram of the whole and partial hollow of wind power under 4 m/s collision

圖17 4 m/s碰撞下土體等效塑性應(yīng)變和位移云圖Fig.17 Cloud diagram of equivalent plastic strain and displacement of soil under impact of 4 m/s

4 船撞后單樁風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體剩余強度分析

風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遭受船舶碰撞后，會在碰撞后慣性力的作用下產(chǎn)生來回振蕩，如果把碰撞的結(jié)果導(dǎo)入到下一步分析中會產(chǎn)生收斂問題或不穩(wěn)定解，此時結(jié)構(gòu)處于非靜態(tài)或非準(zhǔn)靜態(tài)加載，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差[14-15]。為了更符合工程特點，把單樁基礎(chǔ)遭受船舶碰撞所得結(jié)果導(dǎo)入到動態(tài)衰減分析中，耗散掉彈性應(yīng)變能，使得結(jié)構(gòu)處于準(zhǔn)靜態(tài)工況下。動態(tài)衰減分析設(shè)置阻尼參數(shù),使能量得以耗散，塔筒頂端振動幅度不斷減小，然后把衰減分析得到的結(jié)果導(dǎo)入和傳遞到下一動態(tài)分析中，進行準(zhǔn)靜態(tài)加載并求解單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剩余強度。

動態(tài)衰減分析時利用ABAQUS軟件材料模塊定義材料阻尼。ABAQUS/Explicit材料阻尼中使用Rayleigh阻尼參數(shù)設(shè)置。取前兩階頻率來計算阻尼系數(shù)，結(jié)果為0.006 541。

選擇不同碰撞速度下動態(tài)衰減后的損傷應(yīng)力狀態(tài)，將動態(tài)衰減分析的結(jié)果導(dǎo)入到下一步分析中進行剩余強度分析，利用準(zhǔn)靜態(tài)法進行求解，使用面與面接觸方式，載荷和邊界條件等其他設(shè)置或參數(shù)按照基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體極限強度進行分析。通過對不同碰撞速度的損傷分析得到結(jié)構(gòu)損傷程度，研究載荷施加方向、載荷施加考慮計算效率和模型求解復(fù)雜性。選擇碰撞速度分別為4 m/s、2 m/s進行損傷分析，沿碰撞方向即X軸正向施加力表示為力+，反碰撞方向即X軸負(fù)向施加力表示為力-，繞Y軸正向施加彎矩表示為彎矩+，繞Y軸負(fù)向施加彎矩表示為彎矩-，施加不同方向力水平荷載-水平位移曲線見圖18。表5和表6是不同速度下不同加載方向得到的剩余極限承載力/彎矩。

表5 不同碰撞速度作用下剩余極限承載力Tab.5 Residual ultimate bearing capacity under action of different collision velocities MN

表6 不同碰撞速度作用下剩余極限彎矩Tab.6 Residual ultimate bending moments under different collision velocities MN·m

圖18 施加不同方向力水平荷載-水平位移曲線Fig.18 Horizontal load-horizontal displacement curves with different direction forces applied

圖19是碰撞速度為3 m/s下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受損后求解剩余強度整體變形應(yīng)力云圖和樁基等效塑性應(yīng)變云圖。從圖中可以看出不同荷載加載方式和加載方向下，其整體變形和樁基等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。當(dāng)施加X軸正向力時，風(fēng)電整體會在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m中繼續(xù)發(fā)生局部彎曲撓度，導(dǎo)致該區(qū)域等效塑性應(yīng)變增加，損傷增大，結(jié)構(gòu)承載能力下降，但并未在球鼻艏碰撞凹陷區(qū)域發(fā)生較大損傷。當(dāng)施加X軸反向力時，風(fēng)電整體在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m處先發(fā)生回彈，然后繼續(xù)沿X軸負(fù)向方向發(fā)生剪切受損，等效塑性應(yīng)變增大；在碰撞凹陷區(qū)域也會發(fā)生剪切受損，等效塑性應(yīng)變增大。當(dāng)施加繞Y+方向彎矩時，風(fēng)電整體在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m處不發(fā)生變化，而是在樁基過渡段發(fā)生損傷，等效塑性應(yīng)變增大。當(dāng)施加繞Y-方向彎矩時，風(fēng)電整體會在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m處發(fā)生回彈，但損傷并未增大；在碰撞凹陷區(qū)域會發(fā)生較大剪切損傷，導(dǎo)致凹陷區(qū)域繼續(xù)增大，直至壓縮破壞。

5 結(jié)論

海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遭遇船舶碰撞前后整體極限強度會發(fā)生明顯變化。船舶碰撞過程中是高能量結(jié)構(gòu)之間相互傳遞過程，涉及各種非線性的疊加，本文提出船舶-風(fēng)電結(jié)構(gòu)-土體全尺寸耦合模型，采用非線性有限元求解法能夠高效處理以上過程，現(xiàn)得出以下結(jié)論。

（1）對于風(fēng)電整體極限強度分別采用非線性弧長法和動態(tài)顯式（準(zhǔn)靜態(tài)法）求解。兩類方法計算精度接近，準(zhǔn)靜態(tài)法在非線性求解過程中處理收斂性問題上更有優(yōu)勢，同時也可以考慮樁-土接觸摩擦阻力的影響，利用準(zhǔn)靜態(tài)法分析剩余強度。

（2）船舶碰撞涉及各種非線性問題，采用動態(tài)顯式求解程序能更好地求解碰撞過程。當(dāng)采用不同速度碰撞時，速度越大，最大凹陷位移越大，回彈量也越大。碰撞開始時屬于彈性碰撞，不同碰撞速度下碰撞力-凹陷位移斜率即結(jié)構(gòu)剛度相同，隨后進入彈塑性階段，曲線出現(xiàn)較強的非線性特征。碰撞損傷不僅出現(xiàn)在樁基與船艏（球鼻艏和甲板）接觸凹陷部位，而且還出現(xiàn)在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m中發(fā)生局部彎曲撓度區(qū)域，且該區(qū)域相比碰撞凹陷部位的損傷較大，同時土體也會產(chǎn)生塑性損傷。

（3）進行受損后剩余極限強度研究，首先需要進行動態(tài)衰減能量分析，以避免出現(xiàn)波動不穩(wěn)定特征。針對不同速度碰撞受損后承載性能曲線，可以看出單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載能力有所降低；對碰撞后施加不同的荷載形式或荷載方向其持續(xù)發(fā)生損傷的區(qū)域不同，當(dāng)施加集中力時，損傷主要在樁基嵌入土體表面下2.2～17.8 m處累積，當(dāng)施加彎矩時，損傷主要在碰撞凹陷處累積。