何世欽，李金禹，王輝，付茜雅

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源已無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展的需求。風(fēng)能由于容易獲取、較易轉(zhuǎn)換、污染小、可再生等優(yōu)勢(shì)受到各國(guó)的普遍關(guān)注。相比陸地風(fēng)電，海上風(fēng)電優(yōu)勢(shì)顯著：1）海上發(fā)電功率約為陸地發(fā)電功率的1.7~1.8 倍[1]；2） 節(jié)約大量的土地資源；3） 發(fā)電量高，工作持續(xù)時(shí)間相比陸地風(fēng)電可增加50%以上[2]；4） 裝機(jī)規(guī)模較為靈活。所以，海上風(fēng)電具有更廣闊的發(fā)展前景。

目前海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電機(jī)適用于淺海水域。隨著水深增大，固定式樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不再適用，浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將更適用于深海領(lǐng)域。目前浮式風(fēng)電基礎(chǔ)的發(fā)展面臨以下問(wèn)題：1） 工程造價(jià)高。采用浮式基礎(chǔ)的風(fēng)電系統(tǒng)一般遠(yuǎn)離海岸，與傳統(tǒng)的固定式基礎(chǔ)相比，浮式基礎(chǔ)施工工藝復(fù)雜，其建設(shè)成本達(dá)到總成本的15%~25%，遠(yuǎn)高于固定式基礎(chǔ)[3]。2） 施工難度大。目前浮式基礎(chǔ)施工主要采用岸上預(yù)制—海上運(yùn)輸—海上安裝的工藝，施工期間受到風(fēng)荷載、波浪荷載、海流荷載、海冰荷載等耦合作用會(huì)導(dǎo)致海上施工難度加大[4]。3） 耐久性能差。浮式基礎(chǔ)長(zhǎng)期浸泡在海水中，海水中氯離子的侵蝕導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)耐久性逐漸降低。這些問(wèn)題限制了浮式海上風(fēng)電發(fā)展。

采用高流動(dòng)性、高強(qiáng)度、高耐久性的新型自密實(shí)混凝土材料可以解決鋼結(jié)構(gòu)存在的腐蝕嚴(yán)重、耐久性不足和造價(jià)高的問(wèn)題。但是目前工程中很少采用混凝土浮式基礎(chǔ)，主要是由于海上澆筑混凝土存在較大技術(shù)難度[5]，而采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)存在自重大不利于海上運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。因此開(kāi)發(fā)一種適用于海上澆筑的浮式混凝土基礎(chǔ)充氣模板體系成為了深海風(fēng)能利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文在選擇適用于充氣膜結(jié)構(gòu)模板材料基礎(chǔ)上，使用有限元分析方法對(duì)不同充氣工況進(jìn)行模擬，從變形及強(qiáng)度方面對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，設(shè)計(jì)并完成小型水上浮式風(fēng)電發(fā)電試驗(yàn)樣機(jī)的試制。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水上充氣展開(kāi)，在預(yù)定的腔室內(nèi)澆筑自密實(shí)混凝土，大大簡(jiǎn)化施工流程，降低工程造價(jià)和施工難度，為浮式結(jié)構(gòu)混凝土澆筑的應(yīng)用提供了參考。

1 充氣膜材料選取

膜結(jié)構(gòu)屬于張力結(jié)構(gòu)體系，成為當(dāng)今大跨度空間結(jié)構(gòu)的重要分支。膜結(jié)構(gòu)具有造價(jià)低、重量輕、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于體育館、展覽館等大跨度結(jié)構(gòu)中[6]。充氣膜結(jié)構(gòu)作為混凝土澆筑的模板易于保持曲面，適用于曲面結(jié)構(gòu)，但充氣膜作為柔性模板制作混凝土浮筒時(shí)需要解決的主要問(wèn)題是變形及應(yīng)力分布問(wèn)題。柔性結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形，過(guò)大變形將使結(jié)構(gòu)失去原有的效用[7]，故作為模板應(yīng)用還較為少見(jiàn)。膜結(jié)構(gòu)材料是一種非線(xiàn)性復(fù)合材料，具有特殊的構(gòu)造和力學(xué)性能，且材料的各向異性突出。纖維和涂層均為非線(xiàn)性材料，編織時(shí)兩者所處狀態(tài)不同，纖維松弛但涂層對(duì)纖維有張拉約束作用。編織基材的經(jīng)向纖維和緯向纖維相互垂直，其編織結(jié)構(gòu)使膜材具有各向異性特性。這些膜材的經(jīng)、緯向抗拉強(qiáng)度的差值一般小于20%，斷裂延伸率差值小于35%。膜結(jié)構(gòu)常用材料包括PTFE 膜材、PVDF 膜材、PVC膜材、ETFE 膜材、環(huán)境工程膜材等，其中PVC膜材質(zhì)地柔軟，可反復(fù)折疊，為柔性充氣模板的運(yùn)輸提供了便利[8]。PVC 膜材價(jià)格相對(duì)低廉且易于加工，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，可用于制作規(guī)模較大的充氣模板[9]，由于充氣膜作為混凝土澆筑的模板是一種臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，對(duì)其耐久性要求較低，因此本文選用1.25 mm 精編滌綸PVC 雙面涂層氣密布（PVC 夾網(wǎng)布）制作了用于澆筑自密實(shí)混凝土的充氣模板。膜材各項(xiàng)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 1.25 mm 精編滌綸PVC 雙面涂層氣密布材料參數(shù)Table 1 Material parameters of 1.25 mm precision woven polyester PVC double-sided coating gas-dense fabric

2 混凝土浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

海上浮式風(fēng)電基礎(chǔ)需要安全地漂浮在水上并支撐上部風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)備的重量，在相同的材料消耗下，應(yīng)提供較大浮力，因此在選型設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮基礎(chǔ)的浮力提供效率。由于結(jié)構(gòu)的吃水深度主要由結(jié)構(gòu)體積與結(jié)構(gòu)總重決定，在結(jié)構(gòu)選型時(shí)首先考慮了浮筒整體外形的4 種基本形狀，分別為圓形、正方形、正三角形與正六邊形，浮筒結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 浮筒結(jié)構(gòu)形式（mm）Fig.1 Buoy structure form（mm）

定義浮式基礎(chǔ)的浮力提供效率為基礎(chǔ)浸入水中時(shí)能夠提供的浮力與基礎(chǔ)的重量之比。經(jīng)計(jì)算分析，4 種結(jié)構(gòu)的浮力提供效率分別為169.2%、107.9%、108%、112.3%，圓形浮筒在同等重量條件下可以提供更大的浮力。同時(shí)柔性充氣模板為柱形曲面結(jié)構(gòu)，能夠更好地適應(yīng)圓形浮筒形態(tài)，因此選用圓形基礎(chǔ)浮筒形式。浮式基礎(chǔ)由3 個(gè)浮筒連接而成，等邊三角形布置，見(jiàn)圖2。

3 充氣膜結(jié)構(gòu)模板

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

為驗(yàn)證采用充氣膜結(jié)構(gòu)作為模板澆筑自密實(shí)混凝土浮式基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)力發(fā)電的可行性，在揚(yáng)州某水域制作了水上風(fēng)電系統(tǒng)樣機(jī)。樣機(jī)選用了如圖3 所示的三內(nèi)腔圓形充氣模板，綜合考慮制作難度與樣機(jī)工程要求，充氣膜結(jié)構(gòu)模板尺寸見(jiàn)表2。

圖3 三內(nèi)腔圓形充氣模板Fig.3 The circular inflatable template with three cavities

表2 三內(nèi)腔圓形充氣模板參數(shù)表Table 2 Parameters of the circular inflatable template with three cavities

3.2 充氣膜結(jié)構(gòu)模板有限元模型

充氣膜結(jié)構(gòu)模板在水上充氣展開(kāi)，在其內(nèi)腔澆筑自密實(shí)混凝土，需要承受氣壓、水壓及混凝土初凝前產(chǎn)生的壓力。為明確充氣模板的應(yīng)力及變形分布，以保證其安全性和基礎(chǔ)澆筑的尺寸精度，按照3.1 節(jié)充氣模板尺寸建立了充氣膜結(jié)構(gòu)模板板殼有限元模型。外圈圓形氣肋內(nèi)直徑3 m，外直徑3.4 m，共15 層，總高度3 m。內(nèi)圈扇形氣肋之間間隙寬度0.1 m，與外圈圓形氣肋間隙寬度0.1 m。柔性充氣模板充氣后的幾何尺寸模型見(jiàn)圖4。

圖4 柔性充氣模板有限元模型Fig.4 Finite element model of flexible inflatable template

基礎(chǔ)整體底部在豎直方向上不可自由移動(dòng)，因此要對(duì)結(jié)構(gòu)底部豎直方向自由度進(jìn)行約束。研究中將柔性充氣模板的荷載分為2 種，一種是充氣階段產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的內(nèi)氣壓荷載，另外一種是使用階段的外荷載。所有荷載按照面單元的法線(xiàn)方向施加，內(nèi)氣壓荷載以面荷載的形式施加在所有單元上，外部水壓及澆筑混凝土產(chǎn)生的壓力分別作用在模板外表面及模板內(nèi)側(cè)。

3.3 模板充氣試驗(yàn)

為保證充氣模板的氣密性，采用PVC 材料制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?duì)其進(jìn)行了充氣試驗(yàn)，制作時(shí)對(duì)所用膜材外觀進(jìn)行了全部檢驗(yàn)，嚴(yán)禁有裂紋及局部破損，充氣后對(duì)氣嘴進(jìn)行了密封。充氣試驗(yàn)在地面上進(jìn)行，試驗(yàn)中模板在不同充氣壓力下保持了良好的氣密性，3 d 后氣壓數(shù)據(jù)下降幅度小于3%。由于膜結(jié)構(gòu)在充氣過(guò)程中變形較大，非線(xiàn)性特征明顯，為了驗(yàn)證有限元分析模型的可靠性，同時(shí)采用ANSYS 軟件對(duì)充氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，充氣完成后模板尺寸實(shí)測(cè)值與有限元模擬結(jié)果見(jiàn)表3，其相對(duì)誤差均小于3%，表明有限元模型邊界條件及材料本構(gòu)關(guān)系可靠。

表3 柔性充氣模板充氣測(cè)試與模擬結(jié)果Table 3 Inflation test and simulation results of flexible inflatable template

3.4 充氣壓力優(yōu)化

模板在澆筑過(guò)程中受到水壓力、澆筑混凝土壓力與氣肋中內(nèi)氣壓的作用，通過(guò)計(jì)算可知澆筑混凝土?xí)r的側(cè)壓力最大為75 kPa，水壓力與混凝土壓力為梯度力，底部最大水壓力為30×104Pa，混凝土對(duì)外部圓形氣肋的底部壓力最大為75 kPa，對(duì)內(nèi)部扇形氣肋底部的壓力最大為6.86×105Pa。充氣模板合理的內(nèi)部充氣壓力對(duì)于模板安全性、抵抗外部壓力、保持形狀尺寸至關(guān)重要，為此分析了在80 kPa、100 kPa、120 kPa、140 kPa、160 kPa 內(nèi)氣壓下充氣模板的最大主應(yīng)力及最大位移，見(jiàn)表4。

表4 內(nèi)部氣壓變化對(duì)柔性充氣模板的影響Table 4 Influence of internal air pressure variation on flexible inflatable template

可以看出內(nèi)部氣壓增大時(shí)，在澆筑條件不變的情況下，模板徑向及豎向變形呈線(xiàn)性減小，即模板的剛度隨氣壓增加而增大，但總體變化量較小，且充氣壓力過(guò)大無(wú)法有效減小模板豎直方向變形。隨著充氣壓力增大，膜材內(nèi)的應(yīng)力也逐步增大，這將導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備降低或同時(shí)充入的壓力過(guò)高時(shí)需增大材料厚度，從而直接增加柔性充氣模板的重量。因此建議在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，保證充氣壓力發(fā)揮其應(yīng)有的控制變形作用，無(wú)需給柔性充氣模板設(shè)計(jì)過(guò)大的充氣氣壓。取充氣壓力大于澆筑混凝土產(chǎn)生的最大側(cè)壓力的1.2 倍即可。

3.5 充氣膜結(jié)構(gòu)氣肋直徑優(yōu)化

由于充氣模板有多層氣肋組成，氣肋直徑直接影響充氣模板的制造難度及在充氣和混凝土澆筑過(guò)程中的應(yīng)力變形分布。為此，研究了氣肋直徑為100 mm，120 mm，150 mm，200 mm，材料厚度為1.25 mm，充氣壓力為80 kPa 條件下充氣模板的力學(xué)行為。柔性充氣模板氣肋平面見(jiàn)圖5。不同氣肋直徑充氣模板的最大主應(yīng)力和最大位移見(jiàn)表5。

圖5 柔性充氣模板氣肋平面（mm）Fig.5 Flexible inflatable template air rib plane（mm）

表5 氣肋直徑變化對(duì)柔性充氣模板的影響Table 5 Influence of air rib diameter variation on flexible inflatable template

氣肋直徑由200 mm 減小至100 mm，膜結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力和澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的徑向變形逐漸增大，但豎直方向變形減小且減小幅度較大，所以對(duì)于豎直方向尺寸精度要求較高的結(jié)構(gòu)可優(yōu)先選擇較小氣肋直徑的柔性充氣模板。而對(duì)于浮式基礎(chǔ)而言，模板高度方向的變形對(duì)結(jié)構(gòu)的受力及穩(wěn)定性影響較小，加之氣肋直徑減小將增加氣肋的數(shù)量和制作難度，建議選擇較大氣肋直徑的柔性充氣模板。

3.6 充氣膜結(jié)構(gòu)材料厚度優(yōu)化

考慮目前常用膜材的厚度和澆筑時(shí)的應(yīng)力水平，研究了材料厚度對(duì)柔性充氣模板變形的影響，材料厚度分別取1.1 mm、1.25 mm、1.4 mm、1.55 mm，設(shè)定充氣壓力為80 kPa。在氣肋直徑、水壓力、混凝土壓力等條件不變的情況下，分析不同材料厚度的最大主應(yīng)力和最大位移，見(jiàn)表6。

表6 材料厚度變化對(duì)柔性充氣模板的影響Table 6 Influence of material thickness variation on flexible inflatable template

可以看出增加膜材厚度可以明顯降低充氣模板的應(yīng)力水平和澆筑混凝土?xí)r的變形，對(duì)于尺寸要求嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)，增加膜材厚度是提高充氣模板剛度的有效手段。對(duì)浮式混凝土基礎(chǔ)而言，充氣模板在澆筑時(shí)的變形對(duì)其主要功能（提供浮力）影響較小，控制模板的應(yīng)力水平是材料厚度選擇的首要因素。

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用柔性膜材設(shè)計(jì)并制作了充氣模板，完成了水上自密實(shí)混凝土基礎(chǔ)的澆筑和上部機(jī)電設(shè)備安裝。澆筑完成后，混凝土基礎(chǔ)浮筒壁厚均勻，徑向及高度方向尺寸誤差均小于10 mm，混凝土外觀質(zhì)量良好。目前樣機(jī)已成功發(fā)電，驗(yàn)證了采用充氣模板實(shí)現(xiàn)浮式混凝土基礎(chǔ)水上澆筑的可行性，圖6 為風(fēng)電系統(tǒng)安裝完畢開(kāi)始發(fā)電。

圖6 海上風(fēng)電系統(tǒng)樣機(jī)Fig.6 Offshore wind power system prototype

4 結(jié)語(yǔ)

1） 從浮式基礎(chǔ)的功能考慮，圓形多室結(jié)構(gòu)的浮式基礎(chǔ)具有較大的浮力提供效率，同時(shí)其對(duì)水流的阻力系數(shù)較小。針對(duì)此類(lèi)型的基礎(chǔ)可采用多層氣肋的膜結(jié)構(gòu)作為主體混凝土施工的模板，通過(guò)選擇合適的膜材、優(yōu)化充氣氣壓和氣肋直徑在保證模板強(qiáng)度條件下實(shí)現(xiàn)合理的剛度從而完成基礎(chǔ)的海上澆筑。

2） 提高充氣壓力可以小幅提高模板剛度減小模板變形，考慮到浮式基礎(chǔ)澆筑的尺寸精度要求，建議取充氣壓力為1.2 倍的澆筑混凝土產(chǎn)生的最大壓力。

3） 在相同內(nèi)外壓力下氣肋的直徑和膜材厚度對(duì)于充氣模板的應(yīng)力和變形分布有較大的影響。在進(jìn)行充氣膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以?xún)?yōu)化氣肋直徑和膜材厚度，在控制模板應(yīng)力和變形條件下實(shí)現(xiàn)柔性模板的經(jīng)濟(jì)性。