第４４卷第９期 ２０１８年９月 水力发电 海上风电单桩基础抗冰锥结构设计 陈 立 （上海勘测设计研究院有限公司，上海２００４３４） 摘要：海上风机单桩基础作为一种高耸的柔性支撑结构，在海冰的作用下，会产生复杂的动态响应行为，影响到 风机的运行及安全。为此，基于渤海及北黄海海域海 石油平台的抗冰锥设计理念，介绍了抗冰锥设计中主要设计 参数，给出了单桩基础的抗冰锥设计方法，针对我国北方某实际工程中的３ＭＷ海上风电单桩基础进行了抗冰设计， 并校核了抗冰锥结构强度。结果表明，设计的抗冰锥能够抵御工程海域中各个水位的冰荷载作用。 关键词：海上风电；海冰；抗冰锥；结构设计 Ｉｃｅ Ｃｏｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｏｎｏｐｉｌｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ （：ＨＥＮ Ｉ ｉ （Ｓｈａｎｇｈａｉ ｌｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｕ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，１．ｔｄ．．Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３４．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｎｎｏ［ｉｌｆｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ＂ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｔ‘ｔｕｒｅ，ａｎｔｉ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｄｙｎａｉｎｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｈｅｈａｖｉｏｒｓ ｔｒａｎ ｂｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ａｎｄｅｌ‘ｉｃｅ ｌｏａｄ．ｗｈｉｔ。ｈ ｗｉｌｌ ａ ｒ１ ｃｔ ｔｈｅ ｕｐｅｒａｔｉｏｎ ａｌｌ（ｔ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｉｃｅ ｃｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｆｆｓｈｏｒｅ ｏｉｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｎ Ｂｎｈａｉ Ｓｅａ ａｎｄ Ｎｏｒｔｈ Ｈｕａｎｇｈａｉ Ｓｅａ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｃｅ ｃｏｎｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｏｎｏｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｉｃｅ ｃｏｎｅ ｏｆ ａ ３ＭＷ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｍｏｎｏｐｏｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｃｅ ｃｏｎｅ ｉｓ ｃｈｅｃｋｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｃｅ ｃｏｎｅ ｃａｎ ｒｅｓｉｓｔ ｔｈｅ ｉｅｅ ｆｏＦｅｅ ｕｎｄｅｒ ａｌｌ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｓｅａ ｉｃｅ；ｉｃｅ ｃｏｎｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ 中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０５５９—９３４２（２０１８）０９—００９３—０４ ０ 前 言 渤海及黄海北部海域风能储备密度大，秦皇岛、 曹妃甸、蓬莱等一系列环渤海地区，均已成为我国 “十三五”海上风电产业战略部署的重要组成部分。 然而，在渤海及黄海北部海域冬季，伴随巨大风能 故 。 。放眼全球，阿拉斯加库克湾的采油平台… 、 北欧的Ｂｏｔｈｎｉａ湾灯塔 。等冰区海洋结构都不同程度 地遭到过海冰的破坏。因此可以说，海冰是关乎海 洋结构安全的全球性问题。 海上风电单桩基础作为一种高耸的柔性结构， 较之传统的海洋工程结构，在海冰的作用之下，会 产生更加敏感和复杂的动态响应行为。本文基于渤 海及北黄海海域海上石油平台的抗冰锥设计理念， 储备的是大面积的海冰作用威胁和低温冻结威胁。 目前，我国已建立的海上风电场多针对无冰海域， 对于有冰海域的海上风电场建设尚缺乏经验 大量 给出了单桩基础的抗冰锥设计方法，并针对北黄海 某一海上风电工程，详细研究了该工程海域的海冰 冰情，采用本文的方法对抗冰锥体结构进行了设计， 的工程显示，海冰会对海洋结构工程产生巨大的危 害。１９６９年渤海发生特大冰封，巨大的海冰直接将 矗立在海上的“海二井”石油平台推倒，造成了建国 以来最大的由于海冰导致的石油平台事故。多年来 并利用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立能够反映所设计抗冰 锥体实际体形的三维有限元分析模型并进行强度 的监测数据显示，渤海及北黄海冰区海洋结构（特别 是海洋石油平台结构）一直受到海冰的影响，２０００ 收稿日期：２０１８－０Ｉ－２２ 年锦州２０－２ＭＳＷ平台在海冰的强烈作用下，平台上 的放空管因剧烈晃动而断裂，导致了天然气泄漏事 作者简介：陈立（１９８７一），男，江苏淮安人，Ｔ程师，博士 研究方向为海洋新能源和岩土［程勘测没计． 校核。 定后，冰锥的直径也随之确定 ． １锥体结构抗冰设计 壳扳 １。１ 锥体结构抗冰原理 通常情况－卜，冰排在结构物前可能产生挤压、 压删、剪切、弯曲等破坏形 ，由于海冰的弯曲强 度远远小于其抗压强度，因此，采用合适的结构形 强环 密隔板 翌 式将使得海冰变为弯曲破坏．可以大大减小海冰的 作 力。对于直立桩而言，在桩身潮位附近加装锥 体结构，冰与锥体在相互作用时能够将海冰的破坏 模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，可以使得海冰作 用在结构卜的荷载大大降低 这种观点已经得到了 理沦和室内试验的验证“ ，许多原型抗冰结构在冰 作用面也被设计成锥面形式 … 此外，柔性结构在海冰动力作用下，通常会Ｊ 生一定幅值的振动，被称为冰激振动。在特定冰况 下，受结构运动的影响，海冰挤压破坏稳定在韧脆 转变区ｌ＇【｛ｊ，形成与结构同有频率“锁定”的“锯齿形” 冰力，现场观测和模型试验均发现，冰力作用下结 图１ 抗冰锥结构示意 冰锥的各个构件的厚度需要通过计算饺验其强 度，并满足相应的构造要求。除此之外，设计需要 考虑抗冰锥制作时，锥壳内部设径向肋板，肋板端 部与风机钢管桩及水密隔板焊接。锥体直径应允分 考虑电缆管、靠船件、灌浆管线（如有）、牺牲ｆｊｆ１极 等其他附属设施的布置要求，当有附属设施穿过时， 锥体处开有圆孔或凹槽，内部设置加强环。综ｌ ． 单桩结构的主要设计流程如图２所示。 冰锥高程 构的振动存在“频牢锁定”现象。已有的研究成果表 明．我国渤海及黄海北部的海冰特征所导致的冰激 振动问题比极 国家更加突ｍ，强烈的稳态加速度 振动会影响设备运行和导致人员感受不适 。：，而大 量的试验与现场监测也表明，当结构上增加锥体结 构后，冰激振动的危害会大大降低 。 冰锥角度 冰锥商度 ｌ 有限元计剪 Ｉ Ｉ＇眯堡主堡笙丝Ｉ 可能的管线，靠船构件等ｌ １．２海上风场单桩抗冰设计 现阶段，我国有关海 导管架平台结构设计的 匝巫圃 规范主要有《海上阅定平台入级与建造规范》、《浅 海钢质固定平台结构没计与建造技术规范》、《渤海 海域钢质围定式平台结构设计规定》、《中国海海冰 条件及应用规定》等，还没有针对海上风电基础的抗 冰设计规范或者指导文件。日前对于北方海 风场 结构基础的抗冰没汁也是主要参考海洋石油平台的 ２某海上风场抗冰锥结构设计 ２．１ 工程简介 某海Ｉ二风电场项目位于辽宁省庄河市石城岛东 侧、黑岛电厂南侧近海海域，场址中心距离岸线约 ２２ ｋｍ。风场主要采用单桩基础形式，该丁程场址 域基础水深平均海平面下约Ｉ６～２６ ｍ。该风场３ 设计理念，选择町靠的抗冰工程措施。 因此，借鉴海Ｊ二石油平台的抗冰设计经验，在 单桩上加装锥体结构进行抗冰，选择的单桩基础抗 冰锥由 、倒锥组合体一般由两个圆锥体对接构成， 如图ｌ所示。针对这样的海上风机单桩基础抗冰锥， ＭＷ单桩基础方案拟采用一根直径为Ｄ５ ５００～５ ８００ １１１１３１钢管桩打人海底基床深处，桩顶高程ｌ２．００ ＩＴＩ 钢管桩桩身外挂靠船设施、钢爬梯及休息平台、电 缆Ｊ形管等。 工程海域潮汐属规则半日潮。此海域各月平均 潮差、最大潮差及最小潮差无明显的季节变化规律， 冬季的最大潮差约有７ ＩＴＩ。 列出几个主要的设计参数如下 ：①冰锥标高。海 冰与锥体作用位置随潮位而变化，冰锥的上下标高 要使得锥体的高度能够完全覆盖冰磨蚀区。②冰锥 角度。冰锥角度决定了抗冰的作用效果，大量试验 表明，冰锥锥角在５０。～６５。时效果较好。③冰锥高 度。考虑冰在锥面上的运动，在冰锥设计时，除ｊ ２．２ 海域冰情 风电场附近海域冰情状况她表１ 结合海冰规范Ｑ／ＨＳｎ ３０００－－２００２《中国海海冰 冰磨蚀范围，还要结合冰的爬升／堆积高度和施工、 测量等方面的误差综合考量。冰锥的角度与高度确 条件及应用规范》，风场位于规范中１８冰区内．５０ —互昌置臣圜 — 兰竺 卡Ｈ关规范或标准的编 ：！ ！兰！皇 冰荷绒的计算、抗冰锥的 风机的抗冰研究还较少，为＿ｒ更好地进行单桃结构 ！．７５ Ｉ ｌ ｌ ＾ １Ｉ ￣１３１８．２．８ １．５０ ＿ｆ ｌ·＜ Ｐ～ Ｌ Ｌ 的抗冰没汁，需要继续什展海域冰情的词查与搜集、 １Ｉ Ｊ＿＿ ０ｏ ， ｒ ＇ －＿＿一 ７５ ｌ！塑：！： ～ 。、 Ｉ ２４３ ．．．．２５ １ Ｉ 一 ＞ｌ ２４３ ，２．５０ 曲２５ ．００ ． 一 ，一 —ｌ Ｉ． 卜 ～，优化、其他抗冰工程措施等研究 ｌ 作 ． ～ －’～ 螽 ．．）．７５ ｌ Ｉ ｌ 【 ’～ —— ’ ．０ ．一 ＿＿＿—— 参考文献： 岳前进，张大勇，刘圆，簿渤海抗冰导管架 台失效模式分析 Ｊ］．海洋Ｉ 程，２００８．２６（１）：１８—２３． 巫 墨 Ｄ２５ Ｉ ｌ Ｉ Ｄ５０ Ｉ ｌ ｊ 萋 遵 Ｄ．７５ ＿｛ ０ｏ ２５ ．．．一 一 ＼ １．．．．一 一二 ４３０ ４，－０ －一 ＿一 、 ｒ —Ｌ２ ４３ ●－—— 佟保林，张大勇，崔航， ．交变动冰载倚对导荫：架平台Ｉ 部管 线系统的影响［Ｊ］．巾围海｝．油气．２００８，２０【３）：２０２—２０５． ５０ ７５ ＩＩ ｌ ＩＩ Ｊ ＪＩ ｌ ￣１２４３，·１．６ｒ¨ 、Ｌ ２．００ －ｉ１６７，．Ｉ．９Ｉ＝ ＼ ｌ Ｉ ｌ ２２５ ．．ＰＥＹＴＯＮ Ｈ Ｒ．Ｓｅａ ｉｃｅ ｆｌ，ｒｃ－ Ｈｆ Ｃ］∥ ｒ Ｐｒｅｓｓｕ ｒｅｓ Ａｇａｉｎｓｔ Ｓｔｒｔｔｔ·［ＬｌｒｅＳ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒ（·ｈ Ｃｏｕ｜１【＇ｉｌ ｏｆ Ｃａｎａｄａ．Ｏｔｔａｗａ． Ｃａ，ｌａｄａ，１ ９６８： ． ｌ ｌ ｆ ］、ｌ ｉ ２．５０ ｌ ｌ—Ｈｊｕｊ， Ｉ Ｉｌ ７．１２３． …ａｎｄ ａｎａｌ￣ｓｉｓ ｏｆ ｉｃＰ ｆｏｒｃ－Ｐｓ ｏｌｌ ｃｏｏｋ ｉｎｌｅｌ ４］ ＢＬＥＮＫＡＲＮ Ｋ Ｍｅａｓｕｒｅｕｕ 抗冰锥结构最大应力／ＭＰａ ｓｔｒｔｌ（！［１ｌ１＂｜￣：４［Ｃ］∥Ａｎｌｅｒｉｃａｎ Ｓｌｕ·ｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｍ，ｔ！ｒｓ．Ｏｆｆｓｈｏｒｅ·．ｒｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ Ｃｎｎｆｅｒｅｍ‘ ，２２·２４ Ａｐ ｉｌ。￣１）ｌｌｓ｜ｏＩＩ，Ｔｅｘａｓ，Ｉ９７０：２ｌ＿３４． ５ 图４抗冰锥最大应力与海冰作用高程关系 ＥＮＧＥ１ ＢＲＥＫ ＦＳＯＮ Ａ．１】ｖＩｔａｌｌｌｉ（－ｉｃｔ＇ｌｏａｄｓ １）ｎ ｌｉｇｈｌｈｏｕｓｅ ｓｔｒｕｔ·ｔｕ ｒＰｓ 没ｌ ８道（２０。／道）： 环管采用西１５９ ｎ｜ｌｌｌ ｘ Ｉ６ Ｉｎｉｎ ·道２５ ｎ¨ｎ 【Ｃ］∥Ｐｒｏｔ－ｅｃｄｉｎｇｓ ｏｆ ４１ｈ ｌｎｈ－ｉｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒ，！Ｉｌｌ·ｐ ０１１ Ｐｏｔｔ ａｎｄ（）【－ｅａｎ Ｅｎｇｉｎ， ｅｒｉｎｇ ｕｎｄｅｒ Ａｒｔ－ｔｉｔ·Ｃｏｎｄｉｌｉｏｎｓ．Ｓｔ．Ｊｏｈｎ’ｓ，Ｃａｎａｄａ，１９７７． Ｖｕ１．２．６５４．８６４ 的圆符，嘲管环 ｊ抗冰锥套简之问设置● ２ ３ 厚水密隔板；卜下锥ｌ『＿ｌｆ 侧符设置３道Ｉ６ １１１Ｉ｜１厚肋 隔板、芎虑到结构的 船、施工安装等附属构件， 拟采用的抗冰锥结构最终设计效果如 ５所示 ． ［６］ＷＥＳＳＥＩ Ｓ Ｅ．ＫＡｑ’Ｏ Ｋ．Ｉ ｆｉｎ¨ ＾Ｏ｜１ ｆｉｘｅｄ ａｌｌｌ１ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｔ ｏｎｉｔ ａｉ ｓＩｌ＿ｌｌ（·一 ｔｉｎｒｓ［Ｃ］∥ＰｔＩ１．‘ｅｃｄｉｎｇ ｏｆ９ｌｈ １ＡＨＩ｛Ｉｒ‘ Ｓｖｌｎｌｍｓｉｕｎ１．Ｓａｌ，ｐ¨ｒｏ，Ｊａｐａｎ： Ｉ＾ＩＩＲ Ｉｎｌｅ，Ｉｌｉｌ￣ｉｒｍａＩ ＣＯｌ［ＩＩｌｌｉＩｌｅｅ，ｌ９８８，、１【ｌ１．２：６６６—６９１． 『７］ＩＺＵＭＩＹＡＭＡ Ｋ．ＫＩ ＦＡ ｒ ＡｗＡ ＩＩ．Ｋ（１、ＡＭＡ Ｋ．ｒＩ ａｌ Ｏｎ Ｉｈｅ ｉｎｔ，．ｒ＿ 一 图５ 单桩抗冰锥结构设计效果 ｉｌｔ－ｌｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄ ｔ·Ｏｌｌｉ（·ａｌ Ｓｌｌ ｔｌｌ ｌｕ ｒｅ ａｌｌ（Ｉ ｉｖｔ＿ｓｈｅｔ－Ｉ【ｔ： ／／ｉ＞ｒｏｔ ｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １ １ ｔｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃ．ｎｆｅｒｅｍ’Ｐ Ｏｉｌ Ｐｏｒｌ ａｎｄ ０ｒｅｔｌｌｌ Ｆｎｇｉ．ｅｅｒｉｎｇ ＬＩＩｔ，ｌｅｒ Ａｒｏｌｌ，·Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｓｔ．Ｊｏｈ１１’ｓ．Ｃａｎａｄａ．Ｉ９９１．Ｖｆｌｌ＿１：１５５一Ｉ６６ ［８］ＭＡＡ．ｒ ｒｈＮＥＮ Ｍ．ＨＯ１ＫＫＡＮＥＮ ＡＮ，ＡＶＩＳ Ｊ．Ｉｆ‘Ｐ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｉｃＰ ｌｏａｄｓ，１１１ ｄ ｃｏｎｉｔ·ａｌ Ｓ｜ＩＩＩｒＩ ＬＩｆｔ、ＫＥＭｌ—ｌ Ｉ ｌｌＩ１ｒ ｆｕ１１。ｓ‘·ａｌｅ ｉｆ，Ｐ ｆｉ，ｒｃｅ ＩｌｌｅａＳｕｒｅ． １ｉｌｔ！ｉｌｌ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ『Ｃ］∥Ｐｒｍ·ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １ ９ｔｈ Ｊｎｔｅｌ’ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｎｌｌｍｓｉｕｕ￣ Ｏｉｌ ｈ‘Ｐ（１ＡＨＲ１．Ｂｅｉｊｉｎｇ．Ｃｈｉｎａ，１ ９９６．ＶＤＩ．１：８－Ｉ６． ｝９］ＢＲＯＷＮ Ｔ ｔ ．’ｒｌｉｅ Ｃ．，ｆｅｄｅ，ａｔｉＯｌｌ Ｂｒｉｄｇ．－ｅａｒｌｙ Ｉｅｓｕｌｌｓ ｆｒｏｍ ｉｃｅ ｍｏｎｉ［ｏ— ｒｉｎｇ｜Ｊｒｏｇｒａｍ【．Ｃ］∥［）ｒｏｃｔ－，－ｄｉｔＩｇｓ ｏｆ ＣＳ（＇Ｆ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｔ＇ｅｒｅｎ（ Ｓｈｅｒ－ ｂ，ｏｏｋｅ．Ｃａ，ｍｄａ．１ ９９７，Ｖｏ１．１：Ｉ７７一Ｉ ８６． ［１０］张大勇，岳的进，李刚．等．冰振下海洋平台【：部天然气管线振 ３ 结论 动分析［Ｊ］ 犬然气工业．２００６，２６（Ｉ ２）：１ ３９－１４１． ｆｌ１］时忠民．屈衍渤海新割抗冰导管架 台研究ｆ Ｊ］．中 海Ｊ二油 本文借鉴海洋 汕平台的抗冰锥设汁疗法，给 出了海Ｉ 风ＥＵ 桃 础的设计方法，并对我国北方 的某海上风电 桩基础抗冰锥结构进行设计，设计 的抗冰锥结构能够抵御［程海域各个潮位的海冰， 气。２００８．２０（５）：３３６—３４１． ［１２］出庆增，彭忠．冰力作用下锥体的合理结构形式及在柱体上设 计锥体的合理性探讨［Ｊ］ 中吲海Ｌ油气，２００５，１ ７（５）： ３４２．３４６． 许且强度能够满足要求 目前，对于有冰区域海Ｌ （责任编辑 焦雪梅） ９６
