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冰激海上风机基础结构疲劳寿命评估

郝二通

（北京万源工业有限公司技术部，北京100176）

摘要：基于Miner线性疲劳损伤累积理论和材料S-N曲线，假定渤海海域冰厚和冰速服从

耿贝尔逻辑模型，建立了冰激海上风机结构的谱疲劳寿命评估方法并总结了谱疲劳寿命评估

流程，通过对目前海上风机常用的两种基础（单立柱三桩导管架基础和桁架式导管架基础）

进行谱疲劳寿命评估，得出冰激单立柱三桩导管架基础和桁架式导管架基础的疲劳寿命分别

为55.25年和86.81年，验证了方法的合理性。本文的研究对海上风机基础结构抗冰研究有

一定的应用价值。

关键词：冰荷载疲劳寿命评估近海风机单立柱三桩导管架基础桁架式导管架基础

中图分类号：O346.2文献标志码：A

1引言

冰冻是高纬度地区冬季普遍存在的一种自然现象，它给我国渤海及黄海北部海域海洋工

程安全运行带来了不利影响。根据国家能源局《可再生能源“十二五”规划》，我国海上风电

到2020年规模将达到2012年十几倍，这其中就不可避免地包括渤海海域多个风电场建设，

因此在冬季结冰期海上风电机组基础结构的抗冰性能与安全问题就凸现出来。

目前，海上风机除了遭受着海冰直接的碰撞荷载外，风机结构在交变冰荷载作用下引起

的基础结构管节点疲劳等问题越来越突出，事实表明，少数的基础结构管节点疲劳破坏就可

能导致整个结构的破坏错误!未找到引用源。[1]。刘圆和岳前进等[2][3]给出了谱分析和时间域分析方法

的内容和流程，对渤海JZ20-2海域新建的JZ20-2NW海洋平台进行了冰激疲劳估计。宋晓

杰和黄一等[4]提出了相对于冰速、冰厚随机冰载的管节点热点应力幅的近似计算方法——

Kriging插值方法，对海洋平台管节点进行了疲劳可靠性研究。郭海涛和李斌等

错误!未找到引用源。

介绍了一种利用局部热点应力响应估算随机冰荷载作用下平台节点疲劳寿命的方法

本文基于Miner线性疲劳损伤累积理论和材料S-N曲线，总结了冰激海上风机结构的

谱疲劳寿命评估方法和流程，并通过对单立柱三桩导管架基础和桁架式导管架基础海上风机

进行谱疲劳寿命评估，证明该方法是合理的。

2疲劳设计方法

无限寿命设计、安全寿命设计、损伤容限设计和耐久性设计是目前常用的几种疲劳设计

方法[7]。安全寿命设计方法在海洋结构上的应用比较广泛，适用于海上结构的疲劳寿命估计。

安全寿命分析方法主要基于Miner线性累计损伤理论和材料S-N曲线。

2.1Miner线性累计损伤理论[8]

由于工程结构大都在变幅荷载（一般为随机荷载）下进行，因此，定量描述变幅荷载作

用下疲劳损伤的累积过程十分重要，目前已经提出多种疲劳损伤理论（线性和非线性），其

中应用最广泛的是Miner线性疲劳损伤累积理论。即：

若构件在某横幅应力水平S作用下，循环至破坏的循环次数为N，则可以定义其在经受

n次循环时的损伤为

D?n/N(1)

显然，在恒幅应力水平S作用下，若n=0，则D=0，构件未受到疲劳损伤；若n=N，则D=1，

构件发生疲劳破坏。

构件在应力水平

S作用下，经受

n次循环的损伤为D?n/N。若在k个应力水平

iiiii

S

i

作用下，各经受

n次循环，则可定义其总损伤为

i

kk

????(2)

DDn/N

iiii?1i?1

破坏准则为

D??nN?(3)

/1ii

n是在S作用下的循环次数，由荷载谱给出；N是在

其中，

iii

S作用下循环至破坏的循

i

环次数，由S-N曲线确定。目前，美国石油学会、挪威船级社等均推荐使用Miner累积损

伤理论对海洋结构进行疲劳累计损伤计算。

2.2S-N曲线

材料的疲劳性能，用作用应力S与此应力寿命循环次数N之间关系描述。材料的基本

S-N曲线，给出的是光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂纹萌生寿命。在海洋工程中，

常用的S-N曲线是APIRP2A[9]给出两条管节点S-N曲线（X曲线和X?曲线）。结构在应

力??作用下的允许循环次数N为

?m

???

N210?

?????

6

??

?ref

(4)

式中，??为循环应力，

?和m为参数，见下表1，X曲线和X?曲线见图1。

?ref

表1S-N曲线参数表

曲线类型??refm

X曲线1004.38

X?曲线793.74

图1管节点S-N曲线

X曲线多用于具有剖面控