時(shí)文浩

西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 710055

引言

塔筒或塔架是風(fēng)力發(fā)電塔的支撐結(jié)構(gòu)，承受頂部風(fēng)機(jī)重力及葉片傳遞的氣動(dòng)力，并受外部風(fēng)、浪等動(dòng)力荷載的直接作用，受荷狀態(tài)復(fù)雜。如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按照服役環(huán)境的不同可分為陸上支撐結(jié)構(gòu)與海上支撐結(jié)構(gòu)兩大類，每一類又可根據(jù)具體形式進(jìn)一步細(xì)分。各類風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)經(jīng)受109數(shù)量級(jí)的循環(huán)荷載［1］，在葉片的每次周期運(yùn)動(dòng)下都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變化，不可避免地會(huì)催生疲勞損傷。

圖1 各類風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)Fig.1 Various types of wind turbine support structures

風(fēng)機(jī)塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞問題始見于葉片，早在1945年，落成僅4年的第一臺(tái)現(xiàn)代化風(fēng)機(jī)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(fēng)電行業(yè)的蹤跡。1980年前后，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)隨著石油危機(jī)的出現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展，而風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞問題也逐步凸顯，彼時(shí)加利福尼亞地區(qū)超過1／3 的風(fēng)機(jī)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(shí)，大大增加了風(fēng)機(jī)塔的維護(hù)成本。此后在90年代，海上風(fēng)機(jī)迅速發(fā)展，海洋環(huán)境的復(fù)雜性及風(fēng)、浪耦合等因素使得海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞問題尤為突出，針對(duì)支撐結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究逐步開展。2000年以來，風(fēng)機(jī)塔建設(shè)呈現(xiàn)大型化的趨勢(shì)，支撐結(jié)構(gòu)受荷所引起的應(yīng)力水平顯著增大，建設(shè)、維護(hù)成本卻被大大限制，這就對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞性能提出了更高的要求，引得眾多學(xué)者針對(duì)不同的支撐結(jié)構(gòu)形式開展了疲勞研究。

風(fēng)機(jī)塔在風(fēng)、浪等循環(huán)動(dòng)力荷載作用下產(chǎn)生疲勞損傷屬于振動(dòng)疲勞的研究范疇，領(lǐng)域內(nèi)傳統(tǒng)的疲勞計(jì)算方法是基于S-N 曲線的振動(dòng)疲勞時(shí)域、頻域計(jì)算方法，此外也有不甚常用的基于斷裂力學(xué)的疲勞計(jì)算方法。葡萄牙波爾圖大學(xué)的Mendes等［2］對(duì)上述疲勞分析方法以及國外相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了綜述總結(jié)，因此本文不再贅述風(fēng)機(jī)塔疲勞分析方法的進(jìn)展，主要從結(jié)構(gòu)疲勞性能角度出發(fā)梳理近年來陸上以及海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞研究進(jìn)展，以求對(duì)各類風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞性能有進(jìn)一步的了解，供科研及工程實(shí)踐參考。

1 陸上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞研究

當(dāng)下，陸上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)以塔筒形式最為常見，按結(jié)構(gòu)基頻與運(yùn)行頻率的關(guān)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(fēng)機(jī)運(yùn)行傳遞的氣動(dòng)荷載和自身承受的風(fēng)荷載。柔性塔筒的共振頻率小于或相交于運(yùn)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(yùn)行頻率，常見的包括預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒及鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土組合塔筒。塔筒與基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)塔筒最為凸出的疲勞易損區(qū)。上述區(qū)域內(nèi)的焊縫與螺栓的疲勞失效是塔筒結(jié)構(gòu)失效的主要原因，其他部位通常不會(huì)遭受疲勞破壞，因而針對(duì)陸上風(fēng)機(jī)塔筒的疲勞研究主要集中在針對(duì)上述關(guān)鍵部位的疲勞性能及壽命評(píng)估方面。

1.1 基礎(chǔ)及法蘭連接部位

囿于運(yùn)輸、安裝條件，陸上風(fēng)機(jī)塔筒常在工廠分段預(yù)制。在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，上部筒段通過法蘭進(jìn)行連接，而基礎(chǔ)部位通過基礎(chǔ)環(huán)來連接，如圖2 所示。在塔筒風(fēng)致振動(dòng)過程中，塔筒底部承受較大內(nèi)力，引起法蘭內(nèi)部螺栓、焊縫以及基礎(chǔ)環(huán)部位顯著的應(yīng)力變化，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損傷。

圖2 基礎(chǔ)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(xué)的學(xué)者Lacalle等［3］為探究某風(fēng)機(jī)塔筒底部裂紋的產(chǎn)生原因，基于名義應(yīng)力法對(duì)塔筒底部連接法蘭處的焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞分析，指出法蘭與筒壁的焊接節(jié)點(diǎn)處上下壁厚差異引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致了疲勞裂紋的過早產(chǎn)生。為改善焊縫節(jié)點(diǎn)的疲勞性能，他們嘗試性地進(jìn)行了焊接節(jié)點(diǎn)幾何截面的過渡優(yōu)化，通過對(duì)焊縫輪廓進(jìn)行平滑過渡來減少焊縫上下壁厚差異引起的應(yīng)力集中，但效果十分有限。此項(xiàng)研究針對(duì)性地給出了該特定塔筒的疲勞開裂原因，偏重于工程實(shí)踐，可供后續(xù)塔筒焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞研究借鑒。

2013年，美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Li［4］研究了基礎(chǔ)柔性對(duì)塔筒疲勞損傷的影響，分別建立帶有固定基礎(chǔ)的塔筒有限元模型和帶有柔性基礎(chǔ)的塔筒有限元模型，對(duì)比了兩者的疲勞損傷，結(jié)果表明固定基礎(chǔ)塔筒的疲勞損傷顯著高于柔性基礎(chǔ)塔筒，此項(xiàng)研究的結(jié)論有助于塔筒工程的疲勞設(shè)計(jì)，但計(jì)算時(shí)假設(shè)風(fēng)機(jī)停機(jī)，未考慮氣動(dòng)荷載，分析較為局限。

2014 至2015年，美國科羅拉多州立大學(xué)的Do 等［5－7］進(jìn)行了針對(duì)陸上塔筒基礎(chǔ)連接焊縫的風(fēng)致疲勞研究，建立了塔筒與基礎(chǔ)連接焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展評(píng)估模型，與傳統(tǒng)的S-N曲線方法相比，基于裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命計(jì)算方法可以更好的預(yù)測(cè)連接焊縫在裂紋擴(kuò)展階段的疲勞壽命。此外，他們?cè)u(píng)估了科羅拉多地區(qū)眾多風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)連接部位的疲勞損傷，對(duì)塔基進(jìn)行了以疲勞性能和用鋼量為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并根據(jù)不同風(fēng)速等級(jí)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(fēng)場(chǎng)下塔基連接焊縫的預(yù)期疲勞壽命。

2015年，希臘亞里士多德大學(xué)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(cè)筒壁厚度對(duì)疲勞壽命的影響。結(jié)果指出，兩側(cè)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(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

同年，瑞典呂勒奧理工大學(xué)的Pavlovic′等［9］設(shè)計(jì)了一種塔筒摩擦連接，與傳統(tǒng)環(huán)向法蘭將兩筒段對(duì)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(yàn)以及數(shù)值模擬，結(jié)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(xué)的雙妙等［10］從風(fēng)場(chǎng)特性角度出發(fā)，研究了風(fēng)荷載的非高斯性對(duì)塔筒基礎(chǔ)連接部位疲勞損傷的影響。結(jié)論指出，在裂紋形成階段，非高斯風(fēng)場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)裂紋萌生壽命更低，且風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速越大，非高斯性的影響效果越顯著；而在裂紋擴(kuò)展階段，風(fēng)場(chǎng)的非高斯性不會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命產(chǎn)生較大影響。

2018年，湖南科技大學(xué)的呂偉榮教授等［11］實(shí)地勘察了多臺(tái)國內(nèi)因擺幅過大而停機(jī)的風(fēng)機(jī)，分析了塔筒基礎(chǔ)連接環(huán)的風(fēng)致疲勞損傷。此項(xiàng)研究解釋了陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的疲勞損傷形成和演變機(jī)理，并將其損傷過程劃分為三個(gè)階段，即形成主方向初始裂縫、裂縫擴(kuò)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(dǎo)致疲勞脆斷，該結(jié)論有助于塔筒基礎(chǔ)環(huán)的設(shè)計(jì)改良及其健康監(jiān)測(cè)。同年，浙江大學(xué)的趙艷［12］基于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和精細(xì)化的有限元模型，評(píng)估了某陸上風(fēng)機(jī)塔筒法蘭焊縫處的疲勞壽命，并研究了風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)疲勞損傷的影響。此項(xiàng)研究將實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為焊縫處的熱點(diǎn)應(yīng)力來進(jìn)行后續(xù)疲勞分析，可為塔筒的疲勞健康監(jiān)測(cè)提供參考。

2020年，土耳其海峽大學(xué)教授Ajaei等［13］通過研究了塔筒環(huán)向法蘭連接螺栓的預(yù)緊力水平對(duì)其疲勞損傷的影響。結(jié)論指出，螺栓預(yù)緊力的降低使應(yīng)力波動(dòng)范圍增大，從而導(dǎo)致疲勞損傷增加。螺栓彎曲應(yīng)力對(duì)螺栓疲勞起控制作用，其對(duì)螺栓疲勞的貢獻(xiàn)在預(yù)緊力較高時(shí)顯著，隨預(yù)緊力的降低而減小。此項(xiàng)研究對(duì)于塔筒工程建設(shè)有較大的指導(dǎo)意義，但尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)來佐證結(jié)果的正確性。

1.2 鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土過渡段

經(jīng)濟(jì)效益作為風(fēng)機(jī)塔建設(shè)的支配因素之一，倒逼著風(fēng)機(jī)塔提升風(fēng)能利用率、降低建設(shè)成本。鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土組合塔筒運(yùn)輸便捷，且突破了傳統(tǒng)鋼塔筒100m 經(jīng)濟(jì)高度的限制，與當(dāng)前陸上風(fēng)機(jī)塔建設(shè)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(jìn)行連接，圖4 給出了常用的過渡段形式。組合塔筒過渡段構(gòu)造較為復(fù)雜，連接界面較多，存在材料突變、剛度突變引起的應(yīng)力集中部位，其疲勞性能對(duì)結(jié)構(gòu)安全而言尤為關(guān)鍵。

圖4 常用鋼-預(yù)應(yīng)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(jì)大學(xué)的余智等［14］研究了塔筒內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋的疲勞壽命及可靠性，結(jié)論指出塔筒受拉側(cè)底端的預(yù)應(yīng)力鋼筋長期處于高應(yīng)力水平，是預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒疲勞分析的關(guān)鍵點(diǎn)，并建議在設(shè)計(jì)中進(jìn)行門洞與塔筒連接部位的疲勞分析。

2019年，韓國學(xué)者Kim 等［15］提出了一種針對(duì)鋼-混凝土組合風(fēng)機(jī)塔筒轉(zhuǎn)換連接段的疲勞設(shè)計(jì)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(diǎn)試件，并開展了200 萬次循環(huán)加載的疲勞試驗(yàn)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明該錨栓連接設(shè)計(jì)足夠抵抗200 萬次疲勞加載，且錨栓埋入長度對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞性能影響不大。此項(xiàng)研究考慮了錨栓埋入長度這一設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，填補(bǔ)了塔筒連接節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)的空白，對(duì)后續(xù)試驗(yàn)研究有著較大的借鑒意義。

目前，針對(duì)鋼-預(yù)應(yīng)力組合塔筒過渡段疲勞性能的研究較少，值得研究關(guān)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(yàn)來確定合適的S-N 曲線以及界面本構(gòu)關(guān)系。其二，以疲勞性能為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，如預(yù)應(yīng)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(diǎn)。

2 海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞研究

海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)依據(jù)基礎(chǔ)形式的不同可以分為固定式基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)與浮式基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)。固定式風(fēng)機(jī)塔一般建設(shè)在水深不超過50m的近海區(qū)，以單樁式、三腳式、以及導(dǎo)管式支撐結(jié)構(gòu)最為常見，而浮式風(fēng)機(jī)塔主要建設(shè)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(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)不同，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)處于高腐蝕性的海洋環(huán)境中，承受風(fēng)、浪、氣動(dòng)力等疲勞荷載的聯(lián)合作用，環(huán)境狀況、受載狀況非常復(fù)雜，對(duì)疲勞性能的需求更高。關(guān)于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞研究集中在疲勞關(guān)鍵部位，如灌漿節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)、法蘭螺栓連接以及浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞性能方面，此外還有一些針對(duì)腐蝕條件、土壤條件、氣動(dòng)阻尼等外部影響因素的研究。

2.1 固定式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)

1.灌漿節(jié)點(diǎn)

海上灌漿連接發(fā)展歷史悠久，最早應(yīng)用于海上油氣平臺(tái)，2002年以后廣泛應(yīng)用于近海風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，至今已成為支撐結(jié)構(gòu)安全性能研究的熱點(diǎn)［17］。近海風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)依靠過渡段將上部筒段或者格構(gòu)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(qiáng)灌漿料，并附加剪切鍵形成灌漿節(jié)點(diǎn)，如圖5 所示。灌漿節(jié)點(diǎn)在服役期內(nèi)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(jié)構(gòu)是否具有足夠的疲勞壽命，因此近年來海上風(fēng)電灌漿連接段的疲勞性能也得到廣泛關(guān)注。2015年，英國拉夫堡大學(xué)的Dallyn 等［18］詳盡地總結(jié)了關(guān)于海上風(fēng)電灌漿連接軸向、彎曲承載力的研究進(jìn)程，本節(jié)則對(duì)灌漿連接段疲勞方面的研究擇要加以補(bǔ)充。

圖5 風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)常用灌漿節(jié)點(diǎn)Fig.5 Commonly used grouting joints for wind turbine support structures

2006年至2010年，德國漢諾威大學(xué)教授Schaumann等［19－22］針對(duì)單樁風(fēng)機(jī)塔筒灌漿節(jié)點(diǎn)開展了彎矩和軸力作用下的疲勞試驗(yàn)以及相應(yīng)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(qiáng)度等變量對(duì)灌漿節(jié)點(diǎn)疲勞性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)灌漿料、長疊合段以及附加剪切鍵可顯著增強(qiáng)灌漿節(jié)點(diǎn)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(yīng)力集中和剪切鍵的缺口效應(yīng)。此外，他們通過對(duì)比不同灌漿強(qiáng)度以及疊合段長度的節(jié)點(diǎn)在循環(huán)彎矩作用下的剛度退化情況，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)的、疊合段長的灌漿節(jié)點(diǎn)端口環(huán)向變形小，剛度性能退化較小，反之低強(qiáng)度的、疊合段短的灌漿節(jié)點(diǎn)剛度退化顯著。

2011年，丹麥奧爾堡大學(xué)的Soerensen 等［23］分別在干、濕條件下進(jìn)行了灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)，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(yàn)研究均在干燥條件下進(jìn)行，本項(xiàng)研究則關(guān)注了水環(huán)境對(duì)灌漿節(jié)點(diǎn)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(shí)際疲勞荷載有較大出入，尚應(yīng)考慮循環(huán)彎矩的作用，試驗(yàn)結(jié)果存在一定局限性。

2013年，DNV GL 風(fēng)電工程師Lotsberg［24］提出了一種灌漿節(jié)點(diǎn)在彎曲和軸向循環(huán)荷載作用下的疲勞極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，為驗(yàn)證方法的有效性進(jìn)行了彎曲和軸向加載的疲勞試驗(yàn)。此外，設(shè)計(jì)了一種灌漿節(jié)點(diǎn)試件，可有效應(yīng)用于圓柱灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)。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(shè)計(jì)了四個(gè)箱型灌漿節(jié)點(diǎn)試件，此外設(shè)立了圓柱形試件作為對(duì)照組，節(jié)點(diǎn)試件內(nèi)采用100mm 厚的灌漿料以及12mm 高的剪切鍵，如圖6 所示。此項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以較好地實(shí)現(xiàn)彎曲及軸向循環(huán)加載過程，可為大尺寸灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供借鑒，但與圓柱試件的結(jié)果相比，箱型試件的承載力更高，因此采用此箱型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)在一定程度上高估了灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞性能。

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

2016年，同濟(jì)大學(xué)的王銜等［25］針對(duì)單樁風(fēng)機(jī)塔灌漿節(jié)點(diǎn)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(nèi)布置，以及剪切鍵間距對(duì)灌漿節(jié)點(diǎn)疲勞性能的影響。有限元分析的結(jié)果表明剪切鍵布置方式以及間距的不同并不會(huì)對(duì)灌漿節(jié)點(diǎn)疲勞性能產(chǎn)生顯著的影響。但文章同時(shí)指出，灌漿節(jié)點(diǎn)疊合段的端口易開裂，進(jìn)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)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(xué)的Schaumann 等［26］進(jìn)行了淹沒條件下灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)，他們分別開展了小尺寸試件及大尺寸試件的疲勞試驗(yàn)。小尺寸試件的結(jié)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(jié)論與Soerensen 等的試驗(yàn)結(jié)果一致。為了評(píng)估尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，他們還進(jìn)行了循環(huán)彎曲加載條件下的大尺寸試件的疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果依舊表明水環(huán)境中的試件疲勞壽命顯著減少。試驗(yàn)過后，他們對(duì)試件進(jìn)行拆解，觀察內(nèi)部灌漿的疲勞損傷情況，得出了灌漿節(jié)點(diǎn)在水環(huán)境下的疲勞損傷機(jī)制。水環(huán)境中，灌漿節(jié)點(diǎn)處于飽和狀態(tài)，對(duì)節(jié)點(diǎn)加載時(shí)會(huì)壓縮內(nèi)部的水分并將其沿界面擠出，而卸載時(shí)外部的水分重新被吸入灌漿節(jié)點(diǎn)內(nèi)，產(chǎn)生泵送過程。在這種泵送過程中，灌漿料顆粒會(huì)被沖刷而出，由此加重灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷。

2018年，同濟(jì)大學(xué)的陳濤教授等［27］針對(duì)帶有剪切鍵的單樁風(fēng)機(jī)塔灌漿節(jié)點(diǎn)開展了200 萬次循環(huán)彎曲加載的疲勞試驗(yàn)。與Lotsberg［24］基于剛度等效設(shè)計(jì)的箱型試件不同，此項(xiàng)研究采用了5個(gè)不同長度的圓柱灌漿節(jié)點(diǎn)縮尺模型，一定程度上減小了縮尺試件與實(shí)際結(jié)構(gòu)疲勞破壞機(jī)制的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明圖7 中灌漿節(jié)點(diǎn)的外側(cè)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(duì)比不同疊合段長度的灌漿試件的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試件疊合段越長，端口環(huán)向應(yīng)變?cè)酱?，且受拉區(qū)的界面分離越早出現(xiàn)。這一結(jié)論與文獻(xiàn)［22］的試驗(yàn)結(jié)果相悖，文中指出結(jié)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(diǎn)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(duì)上述5 個(gè)經(jīng)過疲勞加載的灌漿節(jié)點(diǎn)試件做了進(jìn)一步地軸壓試驗(yàn)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(diǎn)試件仍然具有良好的軸壓承載力，認(rèn)為與構(gòu)件制作質(zhì)量相比，疲勞加載歷史對(duì)灌漿節(jié)點(diǎn)的軸壓承載能力的影響較小。

目前關(guān)于近海風(fēng)機(jī)塔灌漿節(jié)點(diǎn)的疲勞研究已經(jīng)證實(shí)了附加剪切鍵可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)軸向、彎曲疲勞性能。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)層面也證實(shí)了大尺寸灌漿節(jié)點(diǎn)試件優(yōu)于小尺寸試件，圓柱灌漿節(jié)點(diǎn)試件優(yōu)于箱型試件。筆者認(rèn)為對(duì)于灌漿節(jié)點(diǎn)疲勞方面存在以下亟待研究的問題，首先，此前試驗(yàn)研究均單獨(dú)進(jìn)行軸向循環(huán)加載或彎曲循環(huán)加載，難以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)同時(shí)承受軸向、彎曲疲勞荷載的狀態(tài)，因此需要優(yōu)良的試驗(yàn)設(shè)計(jì)來進(jìn)行軸向、彎曲同時(shí)加載的疲勞試驗(yàn)。再者，結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部荷載及環(huán)境存在明顯的隨機(jī)性，而結(jié)構(gòu)疲勞性能對(duì)這些因素較為敏感，但此前少有學(xué)者從疲勞可靠性角度對(duì)塔筒結(jié)構(gòu)疲勞性能進(jìn)行研究。

2.三腳架、導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)

三腳架、導(dǎo)管架是近海風(fēng)機(jī)常用的支撐結(jié)構(gòu)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(diǎn)，如圖8 所示，主要包括X型節(jié)點(diǎn)、K型節(jié)點(diǎn)以及T型節(jié)點(diǎn)。因截面突變、初始缺陷以及焊接殘余應(yīng)力等不利因素的存在，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)極易萌生疲勞裂紋。

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

2011年，挪威科技大學(xué)的Dong 等［29］對(duì)導(dǎo)管架式風(fēng)電塔進(jìn)行了風(fēng)、浪耦合作用下的長期疲勞分析，他們通過數(shù)值模擬計(jì)算了四種不同類型的導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力，提出了實(shí)用的解析公式來表示熱點(diǎn)應(yīng)力的長期分布。此外，分析了風(fēng)、浪荷載各自對(duì)導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)疲勞的貢獻(xiàn)，指出風(fēng)荷載是導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)疲勞的控制荷載，但仍應(yīng)該考慮風(fēng)、浪的耦合作用。此項(xiàng)研究將風(fēng)、浪荷載沿同一方向施加，但導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)是空間結(jié)構(gòu)，受風(fēng)、浪荷載的方向性效應(yīng)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(jìn)一步研究了支撐桿腐蝕變薄對(duì)導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)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(kuò)展。

2015年，葡萄牙里斯本大學(xué)的Yeter 等［31］研究了三腳架焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞性能，且設(shè)置了12 個(gè)風(fēng)、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(jì)算結(jié)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(diǎn)，其次是三腳架基礎(chǔ)之間的支撐桿，而三腳架底部管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷較小。此外，對(duì)于同一管節(jié)點(diǎn)，其在不同荷載工況下的疲勞損傷差異較大，因此在對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)各工況充分的考慮。此項(xiàng)研究得出了某三腳架管節(jié)點(diǎn)的最不利疲勞位置，對(duì)該類節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。2019年，英國愛丁堡大學(xué)的Chatziioannou等［32］考慮到導(dǎo)管架在極端循環(huán)荷載，如地震、風(fēng)暴等作用下會(huì)產(chǎn)生很大的非彈性應(yīng)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?qiáng)度鋼制作的X型導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)的低周疲勞性能，開展了疲勞試驗(yàn)及相應(yīng)的有限元分析。如圖9 所示，試驗(yàn)通過液壓作動(dòng)器對(duì)X型導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)彎曲加載，全部試件在100 次循環(huán)加載以內(nèi)即產(chǎn)生貫穿裂紋。研究結(jié)論指出，高強(qiáng)鋼導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)與低碳鋼節(jié)點(diǎn)均具有良好的疲勞性能，適宜在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

圖9 X 型節(jié)點(diǎn)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(fēng)機(jī)相同，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的上部各筒段也采用法蘭進(jìn)行連接。相對(duì)于灌漿節(jié)點(diǎn)及三腳架、導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)而言，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)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(guān)注。2018年，漢諾威大學(xué)的Schaumann等［33］對(duì)海上風(fēng)機(jī)M36、M64 大直徑法蘭螺栓進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，在試驗(yàn)中調(diào)整螺栓預(yù)緊力使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平，并考慮了高溫鍍鋅防腐的邊界層效應(yīng)對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了高溫鍍鋅使螺栓疲勞強(qiáng)度顯著降低。此外，該研究首次驗(yàn)證了M64 大直徑螺栓的標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線。2019年，英國克蘭菲爾德大學(xué)的Biswal等［34］利用實(shí)際海上風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)、浪荷載對(duì)單樁風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算了環(huán)向焊縫的疲勞損傷。在建模時(shí)考慮了環(huán)焊縫的實(shí)際幾何形狀，結(jié)論表明考慮幾何效應(yīng)可以更精確的評(píng)估焊縫疲勞壽命。

4.支撐結(jié)構(gòu)疲勞的外部影響因素

海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)處在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，腐蝕條件、土壤條件、氣動(dòng)阻尼等外部參數(shù)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能產(chǎn)生一定影響，因而也有一部分學(xué)者從固定式支撐結(jié)構(gòu)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(duì)導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)疲勞性能及可靠度的影響，認(rèn)為腐蝕作用會(huì)導(dǎo)致支撐桿厚度削減，并會(huì)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(jié)構(gòu)的疲勞損傷。

2015年，Damgaard 等［35，36］研究了土壤條件變異性對(duì)停機(jī)狀態(tài)下的單樁塔筒疲勞損傷的影響，研究結(jié)果表明土壤剛度、土壤阻尼的變化以及海底泥沙的存在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞損傷結(jié)果影響較大，最大變幅超過30%。2016年，挪威科技大學(xué)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(huì)引起支撐結(jié)構(gòu)疲勞壽命在－9%到＋4%之間變化。

2018年，倫敦大學(xué)學(xué)院的Rezaei 等［38］系統(tǒng)研究了氣動(dòng)阻尼對(duì)單樁塔筒結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，指出計(jì)算塔筒疲勞壽命時(shí)，假設(shè)平均氣動(dòng)阻尼恒定比起考慮氣動(dòng)阻尼隨風(fēng)速而變化，前者能得到更精確的結(jié)果。此外，適當(dāng)增加阻尼可以有效降低結(jié)構(gòu)疲勞損傷，而風(fēng)機(jī)停機(jī)則會(huì)引起氣動(dòng)阻尼顯著降低，增大結(jié)構(gòu)疲勞損傷，最大增幅高達(dá)60%，因此風(fēng)機(jī)停機(jī)應(yīng)是疲勞極限狀態(tài)之一。

2019年，DNV GL 風(fēng)電工程師L?ken 等［39］研究了地基柔性對(duì)海上風(fēng)機(jī)塔筒疲勞壽命的影響，與FAST軟件中默認(rèn)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(dāng)埋入長度從36m減少到26m時(shí)，疲勞壽命幾乎沒有差異，僅當(dāng)長度從26m減小到16m時(shí)出現(xiàn)了小幅變化，因此單樁埋入長度對(duì)疲勞結(jié)果影響較小，而壁厚減小會(huì)導(dǎo)致疲勞損傷大幅增加。值得指出的是，此項(xiàng)研究的結(jié)果只針對(duì)具體的某一套土壤、基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此，結(jié)論能否推廣到其他海上風(fēng)機(jī)塔筒還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)及模擬研究。

2.2 浮式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)

疲勞損傷是固定式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題，對(duì)浮式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)而言也同等重要。浮式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪作用下產(chǎn)生較大的俯仰剛體位移，且自振周期較大，結(jié)構(gòu)特性明顯不同于固定式支撐結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)立柱、支撐以及平臺(tái)節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位的疲勞損傷較為顯著。

2015年，挪威科技大學(xué)的Kvittem等［40］基于名義應(yīng)力法對(duì)三樁半潛式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了2316次不同模擬時(shí)長的隨機(jī)時(shí)域疲勞分析，重點(diǎn)討論了模擬時(shí)長、模擬次數(shù)等因素對(duì)疲勞損傷的影響。結(jié)果表明，在10 分鐘與1 小時(shí)模擬時(shí)長下，結(jié)構(gòu)疲勞損傷分別比3 小時(shí)模擬時(shí)長下的疲勞損傷低10%與4%，且模擬時(shí)長在1 小時(shí)以上時(shí)，增加模擬次數(shù)對(duì)疲勞損傷結(jié)果影響較小，因此確定1 小時(shí)作為合理的模擬時(shí)長，此結(jié)果對(duì)于浮式支撐結(jié)構(gòu)的疲勞損傷模擬工作有較大參考價(jià)值。此外，研究還表明浮式平臺(tái)的橫搖、俯仰等剛體運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷貢獻(xiàn)較大，橫梁、斜撐等剪切構(gòu)件的疲勞損傷明顯低于軸向短立柱，且隨著風(fēng)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(xué)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(duì)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(jié)構(gòu)疲勞壽命。此項(xiàng)研究計(jì)算時(shí)僅采用了小振幅線性波，對(duì)于大振幅非線性波-流相互作用可能對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響有待進(jìn)一步研究。同年，上海交通大學(xué)的李浩然等［42］計(jì)算了某單立柱式塔筒基礎(chǔ)部位的短期疲勞損傷，指出塔基部位軸向應(yīng)力變化是其疲勞損傷的重要因素。他們也研究了模擬時(shí)長的影響，與Kvittem 等［40］的結(jié)論一致，認(rèn)為1 小時(shí)的模擬時(shí)長足夠得到合理的疲勞損傷結(jié)果。

此前關(guān)于浮式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞方面的研究相對(duì)較少，且集中在風(fēng)、浪致疲勞分析方法的改良以及模擬效率的提高方面，針對(duì)支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位疲勞性能及其影響因素方面的研究格外欠缺。在當(dāng)前風(fēng)機(jī)建設(shè)向深海領(lǐng)域不斷拓展的趨勢(shì)下，浮式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞性能的試驗(yàn)以及模擬研究已成為行業(yè)發(fā)展的迫切需求。

3 風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞性能研究展望

2019年，NREL 風(fēng)電工程師Veers 等［43］在Science上撰文指出風(fēng)能利用研究領(lǐng)域的幾個(gè)重大挑戰(zhàn)，其中之一便是大型風(fēng)力發(fā)電塔的空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)研究，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞正是動(dòng)力學(xué)研究涵蓋的重要方面。從上述文獻(xiàn)回顧可以看出，當(dāng)前風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞研究領(lǐng)域處于活躍發(fā)展階段，取得眾多進(jìn)展的同時(shí)，也突顯出一些值得重點(diǎn)關(guān)注以及進(jìn)一步開展的研究工作，總結(jié)如下：

（1）進(jìn)行鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土組合塔筒過渡段的彎曲疲勞試驗(yàn)，以合理確定此類節(jié)點(diǎn)的S-N曲線并進(jìn)一步研究鋼-混凝土界面疲勞性能。

（2）進(jìn)行合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)灌漿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向、彎曲同時(shí)加載的疲勞試驗(yàn)，從而突破軸向、彎曲單獨(dú)加載的局限性。

（3）針對(duì)浮式風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，如基礎(chǔ)立柱、支撐以及平臺(tái)節(jié)點(diǎn)等，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)以及模擬研究。

（4）針對(duì)腐蝕條件、地基條件、以及氣動(dòng)阻尼等影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的因素做進(jìn)一步的研究，特別是試驗(yàn)研究，以量化其影響并指導(dǎo)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（5）以疲勞性能和材料用量為目標(biāo)，對(duì)各類支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，以減少建設(shè)及后期維護(hù)費(fèi)用。

（6）考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部荷載及環(huán)境的隨機(jī)性，從疲勞可靠性角度對(duì)支撐結(jié)構(gòu)疲勞性能進(jìn)行研究。