应用于海上风电浮式栈桥的双比尺物理模型试验方法与流程

本发明涉及风电浮式栈桥，尤其涉及一种应用于海上风电浮式栈桥的双比尺物理模型试验方法。

背景技术：

1、极端大浪作用下，海上小尺寸多浮体柔性连接结构物的动力响应存在以下问题：

2、浮式栈桥作为多浮体柔性连接结构的自身特征决定了浮块单元间的锚链拉力本质上取决于相邻浮块之间的相对位置变化。在波高和周期均最大时(50年一遇高水位+50年一遇波浪)，波浪波长远大于浮桥结构尺寸，此时浮桥结构可能整体随波浪运动，浮桥结构单元块之间无相对位移，锚链拉力较小。浮块单元之间的锚链拉力最大值容易出现在浮式栈桥呈中间弯折的状态(浮桥结构单元块之间有相对位移)，而当波浪波高较大、周期较小时(即波浪波陡较大时)，浮式栈桥容易出现上述弯折状态。

3、现有技术中的试验方法较为简单，无法测试不同海上动力条件下，无法使得风电机组浮式栈桥结构动力的响应，无法得知浮式栈桥单元间锚链拉力，影响工程方案设计，因此，本发明提出应用于海上风电浮式栈桥的双比尺物理模型试验方法，用于解决上述问题。

技术实现思路

1、基于背景技术存在试验方法较为简单，无法测试不同海上动力条件下，无法使得风电机组浮式栈桥结构动力的响应，无法得知浮式栈桥单元间锚链拉力，影响工程方案设计的技术问题，本发明提出了应用于海上风电浮式栈桥的双比尺物理模型试验方法。

2、本发明提出的应用于海上风电浮式栈桥的双比尺物理模型试验方法，包括以下步骤：

3、s1：试验环境；

4、s2：模型制作；

5、s3：试验方法；

6、s4：系缆力测试方法；

7、s5：数据采集；

8、s6：试验结果分析；

9、s7：结论。

10、优选地，所述s1步骤中需准备：

11、波浪试验水槽及造波机

12、本试验在非线性波浪宽水池中进行，长98m、宽4.0m、深1.8m，最大工作水深1.6m；一端配备伺服电机不规则波造波系统，同时配有微机控制及数据采集系统，可产生波形平稳、重复性好、满足试验要求的规则波和不规则波，造波周期能力为0.5s～5.0s；水池尾部安装有架空斜坡碎石及消能网复合消能设备，用以吸收波浪能量，尽量减少水池尾端的波浪反射；

13、波高测量系统

14、该波高测量系统包括波高传感器、采集仪和数据采集处理软件，波高传感器安装在测架上；可根据试验观测需要，放置于模型水域中所关心的位置进行测量；该系统采用电容式传感器记录水位变化，能够自动采集数据并统计波高、波峰面高度与波周期结果；传感器量程60cm，分辨率0.3mm，误差<1％f.s.；

15、拉力采集系统

16、采用gsv多通道放大器进行数据的转化和处理，通过同时配备多个放大器，可实现大量缆绳拉力数据的同步采集；该传感器具有质量轻，体积小(10.0mm×10.0mm×5mm)等特点，完全满足本次中缆绳张力的测量；传感器量程0～20kg，分辨率0.1g，误差<0.5％f.s.。

17、优选的，所述s2步骤中，结合本项目的浮块单元尺寸、试验水池造波能力等因素，为保证试验结果准确性，本试验做2套不同比尺试验模型，大比尺模型λ取1：10(保证模型尺寸较大，可模拟原型波高hs＝4.0m)，小比尺模型λ取1：30(保证试验波高达到目标值，可模拟原型波高hs＝8.74m)，不同比尺条件下，试验波高及模型尺寸如下：

18、①试验比尺λ取1：10，则模型理论最大波高hs＝87.4cm(试验中实际模拟最大波高hs＝40cm，可以准确模拟原型波高hs<4.0m波浪作用结果)，模型浮式栈桥圆环外径138.74cm、内径112.34cm，栈桥单元长边长30.1cm、短边长24.1cm、宽12.82cm、厚7.54cm；

19、②试验比尺λ取1：30，则模型最大波高hs＝29.1cm(对应原型hs＝8.74m)，模型浮式栈桥圆环外径46.2cm、内径37.4cm，栈桥单元长边长10.0cm、短边长8.04cm、宽4.27cm、厚2.51cm；

20、通过2套模型的试验结果相互参考校核，以大比尺试验结果验证修正小比尺试验结果的准确性，保障研究结果准确可信；

21、浮式栈桥单元结构的模拟按照几何比尺采用低密度聚乙烯材料3d打印制作；模拟时保证其几何相似、质量相似(入水深度)、重心高度相似，同时具有足够的刚度及整体稳定性；

22、试验中在浮块单元上表面固定螺钉，作为锚链固定点；原型浮块单元间的不锈钢锚链卸扣采用细不锈钢链模拟，对于布置拉力传感器的锚链，试验中将拉力传感器连接在杜邦kevlar线中间，然后连接到浮块单元上，该线具有重量轻、强度高、不易变形等优点，线绳本身不具有弹性；

23、浮块单元间的轮胎采用表面光滑的橡胶垫近似模拟。

24、优选地，所述s3步骤中，在模型摆放前，首先率定原始波要素，以达到试验波要素满足目标值的要求；不规则波的频谱采用合田改进的jonswap谱，即：

25、

26、

27、

28、上式中，fp为谱峰频率，谱峰升高因子取3.3；

29、模拟不规则波时，将有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求；

30、为避免港池中波浪多重反射的影响，每次造波、采样完成后停机，待水面平静后再进行重复造波；单向不规则波模拟的允许偏差应满足下列要求：

31、①波能谱总能量的允许偏差为±10％；

32、②峰频模拟值的允许偏差为±5％；

33、③在谱密度大于或等于0.5倍谱密度峰值的范围内，谱密度分布的允许偏差为±15％；

34、④有效波高、有效周期或谱峰周期的允许偏差为±5％；

35、⑤模拟的波列中1％累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许偏差为+15％。

36、优选地，所述s4步骤中，波要素率定完成后，将风电机组塔柱及浮式接驳栈桥模型摆放至水槽指定位置(率波点)，整个浮桥环绕平台单元间选择6个位置安装拉力传感器，泊船平台选择1个位置安装拉力传感器，拉力传感器连接至浮块单元间锚链中间；模型及测量仪器安装完成后开始试验，同步测试锚链拉力，观察浮式栈桥整体运动姿态；

37、优选地，所述s5步骤中，试验过程中同步测量缆绳张力和栈桥的运动姿态，试验时每组波要素累计造波个数在1000个以上，采样时间间隔为0.02s，小于有效波周期的1/10，每组试验均重复四次以上，取每个工况测得的拉力最大值作为最终结果；

38、公称直径28mm的锚链拉力荷载值，看是否满足规范要求；

39、对于比尺1：10的试验结果，试验测得原型有效波高1.0m～4.0m范围内，浮块单元间的锚链拉力；基于试验开展工况的结果，拟合波高与锚链拉力之间的关系曲线及公式，对原型有效波高8.74m波浪作用下锚链缆绳拉力值进行初步推算；

40、对于比尺1：30的试验结果，试验测得原型有效波高3.0m～8.74m条件下，浮块单元间的锚链拉力；基于试验开展工况的结果，拟合波高与锚链拉力之间的关系曲线及公式，将此公式与前面得到的公式相互比较修正，得到对应原型有效波高8.74m波浪作用下锚链缆绳拉力。

41、优选地，所述s6步骤中，试验采用1:10和1:30两个比尺的试验模型，开展多序列组合工况下风机基础的浮式栈桥动力响应试验，测试浮块单元间的锚链拉力，通过2套模型的试验结果相互参考校核，以大比尺(1:10)试验结果验证修正小比尺(1:30)试验结果的准确性，保障锚链拉力结果准确可信；

42、1:10和1:30两种比尺条件，试验波浪作用下浮式栈桥动力响应试验照片；

43、1:10和1:30两种比尺条件，试验波浪作用下浮式栈桥单元间锚链拉力时间过程示例；

44、谱峰周期tp＝10.9s时，2套比尺条件下，原型锚链拉力随有效波高变化；

45、1:10和1:30两种比尺条件，试验波浪作用下浮式栈桥单元之间的缆绳拉力值；

46、极端高水位+50年一遇波浪试验结果分析

47、极端高水位+50年一遇波浪作用下(有效波高hs＝8.74m、最大波高hmax＝16.45m、谱峰周期tp＝10.9s)，浮块单元间锚链最大拉力为410.2kn，最大拉力位置先在垂直来浪方向的浮桥两侧位置，泊船平台与环绕平台间的锚链拉力小于环绕平台间的锚链拉力；

48、波浪周期对锚链拉力影响分析

49、试验结果表明：

50、(1)在极端高水位+50年一遇波浪作用下，锚链拉力最大值小于相同波高(hs＝8.74m)小周期波浪的作用结果；这是因为在波高和周期均较大时，波浪波长远大于浮桥结构尺寸，此时浮桥结构整体随波浪运动，浮桥结构单元块之间无相对位移，锚链拉力较小；浮块单元之间的锚链拉力最大值容易出先在浮式栈桥呈中间弯折的状态(浮桥结构单元块之间有相对位移)，而当波浪波高较大、周期较小时(即波浪波陡较大时)，浮式栈桥容易出现上述弯折状态；整体而言，在tp＝5.0～10.9s试验周期范围内，tp＝6.0s～8.0s时，浮式栈桥单元间锚链拉力较大；

51、(2)在试验工况下，有效波高hs＝8.74m、谱峰周期tp＝7.0s波浪作用下，浮块单元间锚链拉力最大，最大拉力为442kn，最大拉力位置同样先在垂直来浪方向的浮桥两侧位置，泊船平台与环绕平台间的锚链拉力小于环绕平台间的锚链拉力；

52、(3)锚链最大拉力442kn小于直径d＝28mm、am3级锚链的允许拉力449kn，但已达到锚链允许拉力极限值，建议适当增加锚链直径，且需要注意的是锚链与浮块单元连接处的角钢强度是否满足要求；

53、补充工况试验结果分析

54、系列试验结果表明：

55、(1)浮块单元间的锚链拉力本质上取决于相邻浮块之间的相对位置变化，而浮块单元的相对位置变化除了受到波浪作用影响外，还受到风机基础对浮桥作用影响；

56、(2)1:10和1:30两个模型比尺下的试验结果，在对应原型有效波高hs＝3.0～4.0m范围内，锚链拉力基本一致，且1:10模型比尺下的试验结果曲线外延后与1:30比尺下的试验结果趋势及量值接近，即两套模型试验结果相互验证可信；

57、(3)试验工况下，整体而言浮式栈桥锚链拉力最大位置均出先在垂直来浪方向的浮桥两侧位置；锚链最大拉力主要出先在两种情况下：①浮桥整体撞到风机塔柱上，整个结构向后冲击时刻；②当波浪波高较大、周期较小时(即波浪波陡较大时)，浮式栈桥中间弯折时刻；

58、(4)对于波浪波高而言，随着波高增大，浮块单元间锚链拉力显著增大；

59、(5)浮桥结构在大浪作用下升沉现象显著，在小波高(试验中原型波高hs≤4.5m)、长周期波浪作用下，呈现一定的随波运动(升沉运动幅值与波面变化接近)；大波高作用时，浮桥结构出现显著上水，升沉运动幅值小于波面变化幅值；试验中发现，迎浪侧在大浪作用下显著上升，背浪侧在波谷作用下显著下沉，此时浮式栈桥环绕平台容易卡到靠船柱与风机基础之间的缝隙中。

60、优选地，所述s7步骤中，本试验本质上是研究极端大浪作用下，海上小尺寸多浮体柔性连接结构物的动力响应问题；试验采用1:10和1:30两个比尺的试验模型，开展多序列组合工况下风机基础的浮式栈桥动力响应试验，测试浮块单元间的锚链拉力，通过2套模型的试验结果相互参考校核，以大比尺(1:10)试验结果验证修正小比尺(1:30)试验结果的准确性，保障锚链拉力结果准确可信；

61、研究得到如下主要结论：

62、(1)开展1:10和1:30双比尺系列试验，研究极端大浪作用下，海上小尺寸浮式栈桥结构动力响应问题方法可行，两套模型试验结果相互验证可信；1:10和1:30两个模型比尺下的试验结果，在对应原型有效波高hs＝3.0～4.0m范围内，锚链拉力基本一致，且1:10模型比尺下的试验结果曲线外延后与1:30比尺下的试验结果趋势及量值接近；

63、(2)浮块单元间的锚链拉力本质上取决于相邻浮块之间的相对位置变化，而浮块单元的相对位置变化除了受到波浪作用影响外，还受到风机基础对浮桥作用影响；

64、(3)试验工况下，整体而言浮式栈桥锚链拉力最大位置均出先在垂直来浪方向的浮桥两侧位置；锚链最大拉力主要出先在两种情况下：①浮桥整体撞到风机塔柱上，整个结构向后冲击时刻；②当波浪波高较大、周期较小时(即波浪波陡较大时)，浮式栈桥中间弯折时刻；

65、(4)对于波浪波高而言，随着波高增大，浮块单元间锚链拉力显著增大；

66、(5)对于波浪周期而言，在tp＝5.0～10.9s试验周期范围内，tp＝6.0s～8.0s时，浮式栈桥单元间锚链拉力较大；

67、(6)在试验工况下，有效波高hs＝8.74m、谱峰周期tp＝7.0s波浪作用下，浮块单元间锚链拉力最大，最大拉力为442kn，最大拉力位置同样先在垂直来浪方向的浮桥两侧位置，泊船平台与环绕平台间的锚链拉力小于环绕平台间的锚链拉力；

68、(7)锚链最大拉力442kn小于直径d＝28mm、am3级锚链的允许拉力449kn，但已达到锚链允许拉力极限值，建议适当增加锚链直径，且需要注意的是锚链与浮块单元连接处的角钢强度是否满足要求；

69、(8)浮桥结构在大浪作用下升沉现象显著，在小波高(试验中原型波高hs≤4.5m)、长周期波浪作用下，呈现一定的随波运动(升沉运动幅值与波面变化接近)；大波高作用时，浮桥结构出现显著上水，升沉运动幅值小于波面变化幅值；试验中发现，迎浪侧在波峰作用下显著上升，背浪侧在波谷作用下显著下沉，此时浮式栈桥环绕平台容易卡到靠船柱与风机基础之间的缝隙中。

70、本发明的有益效果：

71、本发明是研究极端大浪作用下，海上小尺寸多浮体柔性连接结构物的动力响应问题，试验采用两个比尺的试验模型，开展多序列组合工况下风机基础的浮式栈桥动力响应试验，测试浮块单元间的锚链拉力，通过两套模型的试验结果相互参考校核，以大比尺试验结果验证修正小比尺试验结果的准确性，可保障锚链拉力结果准确可信。