黃國慶　趙晨旭　周緒紅　 魏凱　吳鳳波　 張詩宜

摘要： 提出了一種改進的臺風作用下單樁海上風機易損性分析方法，該方法包括：進行臺風模擬，根據(jù)模擬臺風確定單樁海上風機處的風浪強度指標;將風浪荷載施加在單樁海上風機上，在考慮荷載隨機性的情況下得到風機塔筒和樁基的響應(yīng)極值概率分布曲線;基于非線性屈曲分析得到風機主要構(gòu)件的承載力概率分布曲線;結(jié)合風機主要構(gòu)件的屈服和屈曲等承載力概率分布曲線，求得單樁海上風機在屈服或屈曲模式下的破壞概率。同時結(jié)合江蘇某風電場的風浪特性對某?5 MW風機進行了風致易損性分析。分析結(jié)果可為提升海上風機抗臺風風險能力提供參考。

關(guān)鍵詞：?易損性;?單樁海上風機;?臺風;?屈服;?屈曲

中圖分類號： TU352.2;?TK83 ???文獻標志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0331-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.008

引??言

風能由于分布廣泛、儲量巨大以及風電技術(shù)的快速提升等原因，目前已成為最具備大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源之一。截至2019年底，全球風電累計裝機容量為651 GW，較2001年底增長超過26倍。

相對于陸上風電，海上風電具有風速更高、年利用小時長和不占用土地資源等優(yōu)點。此外，沿海地區(qū)經(jīng)濟相對發(fā)達，便于就地消納電能。截止到2018年，全球海上風電裝機容量已達到23 GW，自2011年以來每年增長將近30%。中國在近年更是躋身于海上風電市場領(lǐng)導(dǎo)者之列。目前，中國海上風電并網(wǎng)裝機容量已達到5 GW，今后還有更加廣闊的開發(fā)前景。但中國海上風電在快速發(fā)展的同時也面臨著嚴峻的極端災(zāi)害挑戰(zhàn)，其中臺風是引起經(jīng)濟損失和結(jié)構(gòu)破壞最嚴重的自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計，每年約7個臺風會登陸中國，對沿海陸上風機造成巨大威脅。2008年，臺風“薔薇”導(dǎo)致中國臺灣臺中港一臺陸上風機倒塌，五臺陸上風機葉片損壞;2010年，臺風“鲇魚”造成福建六鰲風電場三期Z13號風電機組倒塌、Z10號機組葉片折斷。與陸上風機相比，中國海上風機建設(shè)時間較短，暫未有相關(guān)災(zāi)害報道。但臺風過境時，海上風速更大，而且存在波浪，海上風機面對的風險可能更大。因此，有必要對海上風機在臺風下的風險進行評估。

Kim等對地震作用下的單樁海上風機進行了易損性分析，得到了單樁風機在四種損壞限定條件下的易損性曲線，但該研究僅考慮了地震作用，而忽略了風浪荷載帶來的影響。Asareh等在考慮多種損壞模式的情況下，得到陸上風機在風和地震共同作用時的易損性曲線，該研究認為，當風速達到額定風速時，即使在較小的地震強度作用下，風機塔筒也會發(fā)生損壞。但該研究重點關(guān)注地震荷載的作用，考慮的最大風速為10 m/s，未能體現(xiàn)出大風情況下風荷載對結(jié)構(gòu)破壞的影響程度。Mardfekri等進行了風浪荷載以及地震荷載作用下處于運行狀態(tài)的單樁海上風機支撐結(jié)構(gòu)的易損性分析。該研究在剪切破壞和彎曲破壞兩種失效模式下對支撐結(jié)構(gòu)進行損壞概率分析，發(fā)現(xiàn)單樁風機支撐結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載的作用下主要為受彎破壞。同時，研究發(fā)現(xiàn)在運行狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)破壞受風速的影響較大，且達到額定風速時，支撐結(jié)構(gòu)破壞概率最大。高慶水等在50年一遇的極端風和不同強度的地震耦合作用下對風機塔架進行了倒塌分析，得到了風機在近場和遠場地震作用下的易損性曲線。

近年來海上風機易損性研究都著眼于地震帶來的風險，而對極端風浪下的風險評估研究較少。Wilkie等選擇以美國東部海岸以及北部海域為研究點，在考慮材料和尺寸隨機性的情況下對單樁海上風機支撐結(jié)構(gòu)進行風浪作用下的易損性分析。該研究以重現(xiàn)期為強度指標，假設(shè)同一重現(xiàn)期下的風速和波高一一對應(yīng)，得到了不同重現(xiàn)期下風機各構(gòu)件的損壞概率。Hallowell等以美國大西洋沿岸多個風電場為研究點，量化了單樁海上風機在颶風引起的風和浪中失效的風險。該研究計算出了美國大西洋沿岸風機在偏航系統(tǒng)正常運行時以及偏航系統(tǒng)失效時的損壞概率。

在進行臺風作用下的易損性分析時，風浪強度的正確評估直接影響到了風機響應(yīng)的概率分布。在Hallowell等的研究中分別采用Holland模型以及Young模型計算風速和波高。值得注意的是，Young模型對于有效波高的計算僅適用于無限水深的情況，而單樁海上風機的適用條件都是在30 m水深以內(nèi)的淺海區(qū)域，所以對于波浪要素的計算需要更為合適的模型。另外，該研究中的塔筒以及樁基的屈曲承載力是基于圓鋼管受彎實驗得到的，而真實風機的支撐結(jié)構(gòu)是變截面的，其風致屈曲更為復(fù)雜，所以要選擇更合適的方法評估結(jié)構(gòu)承載力。

針對以上情況，本文提出了一種改進的臺風作用下海上風機易損性分析方法，并應(yīng)用于中國的某海上風電場。本文的主要內(nèi)容如下：1）介紹了臺風下易損性分析框架;2）以江蘇某風電場為研究點，根據(jù)歷史臺風的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行臺風樣本模擬，根據(jù)臺風關(guān)鍵參數(shù)采用更為合理的風浪模型計算出研究點處的風浪強度;3）以風浪強度作為外荷載輸入，基于FAST計算出單樁海上風機的結(jié)構(gòu)響應(yīng);4）基于ANSYS計算出支撐結(jié)構(gòu)屈曲承載力;5）根據(jù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)概率分布曲線和承載力概率分布曲線計算出風機結(jié)構(gòu)（塔筒及樁基）的損壞概率。