冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法：理論、實(shí)踐與創(chuàng)新一、引言1.1研究背景與意義隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，海上風(fēng)電作為一種可持續(xù)的能源開發(fā)方式，在過去幾十年中得到了迅猛發(fā)展。海上風(fēng)能資源豐富，風(fēng)速穩(wěn)定，且不占用陸地空間，具有巨大的開發(fā)潛力。近年來，海上風(fēng)電項(xiàng)目在全球范圍內(nèi)不斷涌現(xiàn)，裝機(jī)容量持續(xù)攀升。截至[具體年份]，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到[X]GW，并且預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)仍將保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在一些高緯度地區(qū)或寒冷海域，如波羅的海、中國(guó)渤海、黃海北部等，海上風(fēng)機(jī)面臨著嚴(yán)峻的冰情挑戰(zhàn)。這些地區(qū)冬季海冰現(xiàn)象嚴(yán)重，海冰作用于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)上會(huì)引起劇烈冰激振動(dòng)，給機(jī)組安裝與運(yùn)維造成極大不便，危害機(jī)組及支撐結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐珊Ｉ巷L(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)失效及倒塔現(xiàn)象。例如，2018年冬季，中國(guó)渤海海域部分海上風(fēng)電場(chǎng)因海冰作用導(dǎo)致多臺(tái)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損傷，部分風(fēng)機(jī)被迫停機(jī)檢修，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本比非冰區(qū)高出約[X]%，且由于冰災(zāi)導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，每年損失的發(fā)電量可達(dá)[X]萬千瓦時(shí)。海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)作為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著支撐風(fēng)機(jī)主體、傳遞載荷的重要作用。在冰區(qū)環(huán)境下，支撐結(jié)構(gòu)不僅要承受風(fēng)載荷、波浪載荷、機(jī)組自身運(yùn)行載荷等常規(guī)載荷，還要承受海冰的擠壓、碰撞、摩擦等特殊冰載荷作用。這些復(fù)雜多變的載荷長(zhǎng)期反復(fù)作用在支撐結(jié)構(gòu)上，會(huì)使其產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，最終可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。一旦支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，將直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的失效，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能對(duì)海上作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成威脅，同時(shí)也會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成不良影響。因此，準(zhǔn)確評(píng)估冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞性能，對(duì)于保障海上風(fēng)電的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高風(fēng)電開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有至關(guān)重要的意義。通過對(duì)冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法的研究，可以為支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維等提供科學(xué)依據(jù)。在設(shè)計(jì)階段，基于準(zhǔn)確的疲勞評(píng)估結(jié)果，可以優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的形式和尺寸，合理選擇材料，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，降低結(jié)構(gòu)的重量和成本；在制造階段，能夠指導(dǎo)焊接工藝的改進(jìn)，減少焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量，從而降低結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生的可能性；在安裝階段，可以根據(jù)疲勞評(píng)估結(jié)果制定合理的安裝方案，避免因安裝不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)初始損傷的產(chǎn)生；在運(yùn)維階段，依據(jù)疲勞評(píng)估結(jié)果可以制定科學(xué)的維護(hù)計(jì)劃，合理安排檢測(cè)周期和維護(hù)措施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保海上風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行。此外，深入研究冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法，還有助于推動(dòng)海上風(fēng)電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，拓展海上風(fēng)電的開發(fā)區(qū)域，為全球清潔能源的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1冰載荷研究在冰載荷研究方面，國(guó)外起步較早且取得了豐碩成果。20世紀(jì)60年代起，加拿大、挪威等國(guó)針對(duì)海冰與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用開展大量研究。加拿大的研究者通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和物理模型試驗(yàn)，對(duì)不同類型海冰（如固定冰、浮冰等）與海洋平臺(tái)的相互作用進(jìn)行深入分析，提出了一系列冰載荷計(jì)算模型，如[具體模型1]、[具體模型2]，這些模型考慮了海冰的物理力學(xué)性質(zhì)（如抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等）、冰速、冰厚以及結(jié)構(gòu)物的形狀和尺寸等因素對(duì)冰載荷的影響。挪威船級(jí)社（DNV）也制定了相關(guān)規(guī)范，對(duì)冰載荷的計(jì)算方法和取值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，為工程實(shí)踐提供重要依據(jù)。國(guó)內(nèi)在冰載荷研究方面，隨著我國(guó)海上風(fēng)電向冰區(qū)拓展而逐漸深入。大連理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，研究渤海海域海冰與海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的相互作用，提出適用于渤海冰情的冰載荷計(jì)算方法，考慮海冰的破碎過程以及冰-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)冰載荷的影響。哈爾濱工程大學(xué)通過開展冰水池試驗(yàn)，對(duì)不同形狀和尺寸的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行冰激振動(dòng)測(cè)試，分析冰載荷的分布規(guī)律和作用特性，為冰載荷計(jì)算模型的建立提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。然而，由于海冰的復(fù)雜性和多變性，目前的冰載荷計(jì)算模型仍存在一定局限性，不同模型計(jì)算結(jié)果差異較大，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體工況進(jìn)行合理選擇和修正。1.2.2疲勞評(píng)估方法研究國(guó)外在疲勞評(píng)估方法研究方面，已形成較為成熟的理論體系和工程應(yīng)用方法。時(shí)域疲勞分析方法是最早發(fā)展起來的疲勞評(píng)估方法之一，通過對(duì)結(jié)構(gòu)所受載荷-時(shí)間歷程進(jìn)行詳細(xì)模擬，結(jié)合材料的S-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷理論，計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。該方法能夠精確考慮載荷的瞬態(tài)特性和結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)，但計(jì)算量巨大，對(duì)計(jì)算資源要求高。例如，在一些大型海上風(fēng)電項(xiàng)目中，采用時(shí)域疲勞分析方法對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的疲勞評(píng)估，但由于計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，成本高昂，限制了其在工程中的廣泛應(yīng)用。頻域疲勞分析方法則是基于隨機(jī)振動(dòng)理論，將結(jié)構(gòu)的載荷和響應(yīng)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。通過建立結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞函數(shù)和功率譜密度函數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同頻率下的疲勞損傷，然后進(jìn)行疊加得到總疲勞損傷。頻域方法計(jì)算效率高，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行快速評(píng)估，在工程中得到廣泛應(yīng)用。如在歐洲的一些海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中，采用頻域疲勞分析方法對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和疲勞評(píng)估，大大縮短設(shè)計(jì)周期。此外，一些新的疲勞評(píng)估方法也在不斷發(fā)展，如基于斷裂力學(xué)的疲勞評(píng)估方法，該方法考慮疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂過程，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余壽命，但由于涉及復(fù)雜的斷裂力學(xué)參數(shù)和計(jì)算，目前在工程應(yīng)用中還存在一定難度。國(guó)內(nèi)在疲勞評(píng)估方法研究方面，緊跟國(guó)際前沿，在時(shí)域和頻域疲勞分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)海上風(fēng)電的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。部分高校和科研機(jī)構(gòu)開展對(duì)復(fù)雜載荷作用下海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法的研究，考慮風(fēng)、浪、冰等多種載荷的耦合作用，提出相應(yīng)的疲勞評(píng)估模型和方法。例如，通過建立多場(chǎng)耦合的有限元模型，對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪、冰聯(lián)合作用下的疲勞損傷進(jìn)行分析，取得一定研究成果。但總體而言，我國(guó)在疲勞評(píng)估方法的研究深度和廣度上與國(guó)外仍存在一定差距，特別是在新方法的工程應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化方面，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和實(shí)踐。1.2.3海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞特性研究在海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞特性研究方面，國(guó)外針對(duì)不同類型的支撐結(jié)構(gòu)（如單樁、導(dǎo)管架、三腳架等）開展大量研究。通過數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，分析支撐結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的應(yīng)力分布、疲勞裂紋萌生位置和擴(kuò)展規(guī)律。例如，丹麥的研究人員對(duì)單樁式海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中的應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析其疲勞特性，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為單樁結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)提供實(shí)際數(shù)據(jù)支持。國(guó)內(nèi)在海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞特性研究方面，也取得一定進(jìn)展。針對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，開展相關(guān)的疲勞特性研究。通過建立精細(xì)化有限元模型，分析結(jié)構(gòu)在不同工況下的疲勞性能，研究結(jié)構(gòu)形式、材料性能、焊接工藝等因素對(duì)疲勞特性的影響。例如，研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式和焊接工藝，可以有效降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。然而，目前對(duì)于冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在復(fù)雜冰載荷作用下的疲勞特性研究還不夠深入，特別是冰-結(jié)構(gòu)相互作用引起的特殊疲勞現(xiàn)象，如冰激振動(dòng)導(dǎo)致的高頻疲勞、冰裂引起的沖擊疲勞等，還缺乏系統(tǒng)的研究和認(rèn)識(shí)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估領(lǐng)域已開展大量研究工作，在冰載荷計(jì)算、疲勞評(píng)估方法和支撐結(jié)構(gòu)疲勞特性等方面取得一定成果。但目前研究仍存在一些不足與空白：冰載荷計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和通用性有待進(jìn)一步提高；多種載荷（風(fēng)、浪、冰、機(jī)組運(yùn)行載荷等）耦合作用下的疲勞評(píng)估方法還不夠完善；針對(duì)冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)特殊疲勞現(xiàn)象的研究較少；缺乏適用于冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因此，深入開展冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過深入分析冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的受力特性和疲勞機(jī)理，綜合考慮多種因素對(duì)疲勞性能的影響，建立一套科學(xué)、準(zhǔn)確、實(shí)用的冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法，為冰區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維提供有力的技術(shù)支持和理論依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容如下：冰載荷特性及計(jì)算模型研究：系統(tǒng)收集和整理冰區(qū)的海冰物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括海冰的抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，分析其在不同環(huán)境條件下的變化規(guī)律。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究海冰與海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的相互作用過程，分析冰載荷的作用形式、分布規(guī)律和動(dòng)態(tài)特性?；谘芯砍晒?，對(duì)現(xiàn)有冰載荷計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析和改進(jìn)，建立適用于冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的高精度冰載荷計(jì)算模型，提高冰載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性?？紤]多載荷耦合的疲勞評(píng)估方法研究：全面分析海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中所承受的風(fēng)載荷、波浪載荷、冰載荷和機(jī)組運(yùn)行載荷等多種載荷的特性及其相互作用機(jī)制，建立考慮多載荷耦合作用的載荷模型。深入研究時(shí)域和頻域疲勞分析方法在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估中的應(yīng)用，對(duì)比分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。結(jié)合多載荷耦合模型，對(duì)時(shí)域和頻域疲勞分析方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，建立考慮多載荷耦合作用的疲勞評(píng)估模型和方法，提高疲勞評(píng)估的精度和效率。冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞特性研究：采用數(shù)值模擬方法，建立冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型，考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等因素，分析結(jié)構(gòu)在多載荷耦合作用下的應(yīng)力分布、應(yīng)變響應(yīng)和疲勞損傷演化規(guī)律。開展冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并制作縮尺模型，模擬實(shí)際工況下的載荷作用，測(cè)量模型的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等響應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，深入分析結(jié)構(gòu)形式、材料性能、焊接工藝、冰-結(jié)構(gòu)相互作用等因素對(duì)冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞特性的影響，揭示其疲勞破壞機(jī)理。疲勞評(píng)估方法驗(yàn)證與應(yīng)用：選取實(shí)際冰區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，應(yīng)用建立的疲勞評(píng)估方法對(duì)其進(jìn)行疲勞評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證疲勞評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)疲勞評(píng)估結(jié)果，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)維提出優(yōu)化建議，如調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸、改進(jìn)焊接工藝、制定合理的維護(hù)計(jì)劃等，為冰區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。同時(shí)，基于研究成果，為制定冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供參考依據(jù)。本研究將采用理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用相結(jié)合的技術(shù)路線。首先，通過查閱大量文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理和總結(jié)，明確研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然后，開展冰載荷特性及計(jì)算模型的理論分析和試驗(yàn)研究，建立冰載荷計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行考慮多載荷耦合的疲勞評(píng)估方法的理論研究和數(shù)值模擬，建立疲勞評(píng)估模型。接著，通過模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，深入研究冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞特性。最后，將建立的疲勞評(píng)估方法應(yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證其有效性，并為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。具體技術(shù)路線如圖1-1所示：[此處插入技術(shù)路線圖1-1]二、冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)特性與服役環(huán)境2.1支撐結(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能和可靠性直接影響著整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和安全穩(wěn)定性。在冰區(qū)環(huán)境下，由于海冰的存在，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)提出了更為嚴(yán)苛的要求。目前，常見的冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)類型主要包括單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)等，它們各自具有獨(dú)特的力學(xué)特性和應(yīng)用場(chǎng)景。單樁基礎(chǔ)是一種較為常見的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)形式，通常由一根大直徑的鋼管樁組成。單樁直接打入海底土層，通過樁與土體之間的摩擦力和端承力來支撐風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)的重量以及抵抗各種環(huán)境載荷。在冰區(qū)環(huán)境中，單樁基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、對(duì)海床適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其力學(xué)特性表現(xiàn)為在水平冰載荷作用下，單樁主要承受彎曲和剪切力，樁身的應(yīng)力分布沿深度方向逐漸變化，靠近海床表面處應(yīng)力集中較為明顯。例如，在波羅的海的某些海上風(fēng)電場(chǎng)，單樁基礎(chǔ)得到了廣泛應(yīng)用，通過合理設(shè)計(jì)樁徑和樁長(zhǎng)，能夠有效抵抗海冰的作用。然而，單樁基礎(chǔ)也存在一定局限性，由于其為單點(diǎn)支撐，在承受較大冰載荷時(shí)，易產(chǎn)生較大的水平位移和轉(zhuǎn)角，對(duì)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性有一定影響，且隨著水深增加，單樁的直徑和長(zhǎng)度需相應(yīng)增大，導(dǎo)致成本大幅上升，一般適用于水深較淺（通常小于30m）的海域。導(dǎo)管架基礎(chǔ)是由多根鋼管通過焊接或螺栓連接組成的空間框架結(jié)構(gòu)，底部通過樁基礎(chǔ)與海床相連。導(dǎo)管架基礎(chǔ)在冰區(qū)具有良好的力學(xué)性能，其空間框架結(jié)構(gòu)能夠有效地分散冰載荷，減少結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力集中。在冰載荷作用下，導(dǎo)管架各桿件協(xié)同工作，通過桿件的軸向力、剪力和彎矩來抵抗冰力。例如，在我國(guó)渤海海域的一些海上風(fēng)電場(chǎng)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)被大量采用，經(jīng)過多年運(yùn)行，證明其在冰區(qū)環(huán)境下具有較高的可靠性。該基礎(chǔ)形式適用于各種水深條件，尤其是在中等水深（30-60m）海域具有明顯優(yōu)勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大，穩(wěn)定性好，可承受較大的冰載荷和其他環(huán)境載荷；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和安裝成本較高，海上施工難度較大。三腳架基礎(chǔ)由三根樁腿和頂部連接結(jié)構(gòu)組成，呈三角形布置。這種結(jié)構(gòu)形式在冰區(qū)能夠提供較好的穩(wěn)定性和承載能力。在力學(xué)特性方面，三腳架基礎(chǔ)通過三根樁腿將冰載荷和其他載荷傳遞到海床，樁腿主要承受軸向力和彎矩。三根樁腿的三角形布置使得結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的受力較為均勻，能夠有效抵抗不同方向的冰流沖擊。例如，在某些高緯度地區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)，三腳架基礎(chǔ)的應(yīng)用有效地保障了風(fēng)機(jī)在冰期的正常運(yùn)行。其適用于中等水深海域，與單樁基礎(chǔ)相比，穩(wěn)定性更好；與導(dǎo)管架基礎(chǔ)相比，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但仍存在安裝精度要求高、對(duì)海床條件有一定限制等問題。重力式基礎(chǔ)依靠自身的重量來維持穩(wěn)定，通常采用鋼筋混凝土或鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。在冰區(qū)，重力式基礎(chǔ)通過較大的基底面積將冰載荷和其他載荷分散到海床上。其力學(xué)特性表現(xiàn)為在冰載荷作用下，基礎(chǔ)主要承受豎向壓力和水平摩擦力，基礎(chǔ)與海床之間的接觸應(yīng)力分布較為均勻。例如，在黃海北部的一些海上風(fēng)電場(chǎng)，重力式基礎(chǔ)得到了應(yīng)用，通過合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的形狀和尺寸，能夠滿足冰區(qū)的承載要求。重力式基礎(chǔ)適用于淺海海域且海床土質(zhì)較好的區(qū)域，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐久性好、后期維護(hù)成本低；缺點(diǎn)是自重大，對(duì)海床承載能力要求高，運(yùn)輸和安裝難度大，需要大型的施工設(shè)備。漂浮式基礎(chǔ)是一種適用于深海海域的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)形式，主要包括立柱式（Spar）、半潛式（Semi）、張力腿式（TLP）和駁船式（Barge）等類型。在冰區(qū)，漂浮式基礎(chǔ)通過系泊系統(tǒng)與海床相連，利用浮力和系泊力來平衡風(fēng)機(jī)的重量和冰載荷等外力。以半潛式漂浮基礎(chǔ)為例，其在冰載荷作用下，通過浮筒和系泊系統(tǒng)的協(xié)同作用，能夠有效減少平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。在北極地區(qū)的一些海上風(fēng)電示范項(xiàng)目中，漂浮式基礎(chǔ)的應(yīng)用為開發(fā)深海冰區(qū)風(fēng)能資源提供了可能。漂浮式基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是可適應(yīng)各種水深條件，不受海床地質(zhì)條件限制，安裝和維護(hù)相對(duì)方便；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，系泊系統(tǒng)在冰區(qū)環(huán)境下的可靠性面臨挑戰(zhàn)。不同類型的冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在力學(xué)特性和應(yīng)用場(chǎng)景上各有優(yōu)劣。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)具體的海域環(huán)境條件（包括水深、海床地質(zhì)、冰情等）、風(fēng)機(jī)參數(shù)以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，綜合考慮選擇最合適的支撐結(jié)構(gòu)類型，以確保海上風(fēng)機(jī)在冰區(qū)環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.2冰區(qū)服役環(huán)境荷載冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在服役過程中，會(huì)受到多種環(huán)境荷載的作用，這些荷載的特性及相互作用機(jī)制對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的性能和疲勞壽命有著顯著影響。以下將詳細(xì)分析風(fēng)、浪、流、冰等環(huán)境荷載的特性以及它們對(duì)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制。風(fēng)荷載是海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載之一。在冰區(qū)海域，風(fēng)速不僅受常規(guī)氣象因素影響，還會(huì)因海冰的存在而發(fā)生變化。海冰的表面粗糙度較大，會(huì)增強(qiáng)對(duì)風(fēng)的阻力，使得近冰面風(fēng)速減小，且風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律也與非冰區(qū)有所不同。風(fēng)荷載具有隨機(jī)性和脈動(dòng)性，其大小和方向隨時(shí)間不斷變化。在強(qiáng)風(fēng)天氣下，風(fēng)速可達(dá)[X]m/s以上，產(chǎn)生的風(fēng)壓力對(duì)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)形成巨大推力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和變形。例如，當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪所受的氣動(dòng)扭矩會(huì)急劇增加，通過塔筒傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上，使支撐結(jié)構(gòu)承受更大的彎矩和剪力。風(fēng)荷載還會(huì)激發(fā)支撐結(jié)構(gòu)的自振，當(dāng)風(fēng)的脈動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，可能引發(fā)共振現(xiàn)象，大幅增大結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，加劇結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。波浪荷載同樣是海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)不可忽視的重要荷載。在冰區(qū)，波浪的生成和傳播受到海冰的強(qiáng)烈影響。海冰的存在會(huì)阻礙波浪的傳播，減小波浪的高度和波長(zhǎng)，改變波浪的頻譜特性。例如，在密集冰區(qū)，波浪能量會(huì)因與海冰的相互作用而快速衰減，使得波浪的破碎和變形更加復(fù)雜。波浪對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的作用主要表現(xiàn)為周期性的波浪力，包括水平方向的拖曳力和慣性力以及垂直方向的升力。當(dāng)波浪作用于支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移和豎向位移，同時(shí)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。在風(fēng)暴潮期間，波浪高度大幅增加，波浪力急劇增大，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。長(zhǎng)期反復(fù)的波浪荷載作用，會(huì)使支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位（如樁土界面、節(jié)點(diǎn)連接處等）產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。海流荷載是由海水的流動(dòng)產(chǎn)生的，在冰區(qū)，海流的流速和流向受到海冰漂移、潮汐變化以及地形等多種因素的綜合影響。海冰的漂移運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周圍海水流動(dòng)，改變海流的速度場(chǎng)和方向場(chǎng)；潮汐的漲落會(huì)使海流產(chǎn)生周期性變化；而海底地形的起伏則會(huì)導(dǎo)致海流在局部區(qū)域加速或減速。海流對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的作用力主要為拖曳力，其大小與海流速度的平方成正比，與結(jié)構(gòu)物的形狀、尺寸以及表面粗糙度等因素有關(guān)。海流荷載會(huì)使支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平方向的位移和變形，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。當(dāng)海流與波浪、風(fēng)等荷載共同作用時(shí)，會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性，增大結(jié)構(gòu)的疲勞損傷程度。冰荷載是冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所特有的荷載，其特性和作用機(jī)制最為復(fù)雜。海冰的物理力學(xué)性質(zhì)，如抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量等，隨冰溫、鹽度、冰齡等因素變化顯著。一般來說，低溫、低鹽度和較長(zhǎng)冰齡的海冰具有較高的強(qiáng)度。冰荷載的作用形式多樣，包括靜冰壓力、動(dòng)冰力、冰激振動(dòng)等。當(dāng)海冰與支撐結(jié)構(gòu)接觸時(shí)，如果海冰處于靜止?fàn)顟B(tài)且逐漸擠壓結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生靜冰壓力，其大小取決于海冰的強(qiáng)度、厚度以及擠壓速度等因素；當(dāng)海冰在水流或風(fēng)力作用下以一定速度撞擊支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)冰力，動(dòng)冰力具有沖擊性和瞬時(shí)性，對(duì)結(jié)構(gòu)的局部破壞力較大；此外，由于海冰與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，還可能引發(fā)冰激振動(dòng)，冰激振動(dòng)具有高頻特性，會(huì)使結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)承受交變應(yīng)力，加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。例如，在渤海海域，冬季海冰厚度可達(dá)[X]m，當(dāng)大面積海冰漂移撞擊海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生的冰載荷可達(dá)數(shù)千kN，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全。在冰區(qū)服役環(huán)境下，風(fēng)、浪、流、冰等荷載并非獨(dú)立作用，而是相互耦合、相互影響的。風(fēng)可以推動(dòng)海冰漂移，改變海冰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響冰荷載的大小和方向；波浪與海冰相互作用，會(huì)改變波浪和海冰的特性，同時(shí)也會(huì)影響波浪荷載和冰荷載對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的作用；海流則會(huì)影響海冰的漂移路徑和速度，以及波浪的傳播方向和特性，從而間接影響風(fēng)荷載、波浪荷載和冰荷載。這些荷載的耦合作用使得支撐結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能產(chǎn)生更為不利的影響。準(zhǔn)確分析和掌握冰區(qū)服役環(huán)境荷載的特性及其對(duì)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，是進(jìn)行冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的關(guān)鍵前提。三、疲勞評(píng)估基礎(chǔ)理論與方法3.1疲勞基本原理疲勞是指材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后，發(fā)生裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的現(xiàn)象。即使交變應(yīng)力的最大值遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，在長(zhǎng)期循環(huán)作用下，結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程，與靜載作用下的強(qiáng)度失效有著本質(zhì)區(qū)別。疲勞破壞過程一般可分為三個(gè)階段：裂紋萌生階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。在裂紋萌生階段，由于材料內(nèi)部存在微觀缺陷（如夾雜、位錯(cuò)等），在交變應(yīng)力作用下，這些缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部塑性變形。隨著循環(huán)次數(shù)增加，塑性變形不斷累積，逐漸形成微觀裂紋。例如，在金屬材料中，疲勞裂紋往往首先在晶界、夾雜物與基體的界面等薄弱部位萌生。研究表明，材料表面的加工粗糙度、劃痕等也會(huì)顯著影響裂紋的萌生，粗糙的表面更容易引發(fā)疲勞裂紋。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，微觀裂紋逐漸擴(kuò)展形成宏觀裂紋。在交變應(yīng)力作用下，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋不斷向前擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值密切相關(guān)，通常用Paris公式來描述裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值之間的關(guān)系：da/dN=C(ΔK)^m，其中da/dN為裂紋擴(kuò)展速率，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，C和m是與材料特性相關(guān)的常數(shù)。在這一階段，裂紋擴(kuò)展相對(duì)緩慢且穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)仍能維持一定的承載能力，但隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)的有效承載面積逐漸減小。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸時(shí)，進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。此時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到材料的斷裂韌性，裂紋迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突然斷裂。由于這一階段裂紋擴(kuò)展速度極快，往往難以提前察覺，具有很強(qiáng)的突發(fā)性和破壞性，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重威脅。影響疲勞壽命的因素眾多，主要包括應(yīng)力水平、應(yīng)力集中、材料性能、表面狀態(tài)和環(huán)境因素等。應(yīng)力水平是影響疲勞壽命的關(guān)鍵因素，一般來說，應(yīng)力水平越高，疲勞壽命越短。根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論，疲勞損傷與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平相關(guān)，當(dāng)累積損傷達(dá)到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。例如，在海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)中，較高的冰載荷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受較大的應(yīng)力，從而加速疲勞損傷的累積，縮短疲勞壽命。應(yīng)力集中會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。在結(jié)構(gòu)的幾何形狀突變處（如開孔、圓角半徑過小、焊縫處等），會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得局部應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力。這些高應(yīng)力區(qū)域成為疲勞裂紋的萌生源，加速裂紋的形成和擴(kuò)展。例如，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的焊接節(jié)點(diǎn)處，由于焊接工藝缺陷或焊縫形狀不規(guī)則，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是疲勞破壞的高發(fā)區(qū)域。研究表明，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大過渡圓角半徑、改善焊縫形狀等措施，可以有效降低應(yīng)力集中程度，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。材料性能對(duì)疲勞壽命也有重要影響。不同材料具有不同的疲勞性能，一般來說，強(qiáng)度高、韌性好的材料疲勞壽命相對(duì)較長(zhǎng)。材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等因素會(huì)影響其疲勞性能。例如，鋼材中添加適量的合金元素（如錳、鉻等），可以提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，從而改善其疲勞性能；細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的材料比粗晶粒結(jié)構(gòu)的材料具有更好的抗疲勞性能。此外，材料的加工工藝也會(huì)影響其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響疲勞壽命。例如，經(jīng)過冷加工的材料，由于加工硬化作用，表面硬度提高，但內(nèi)部殘余應(yīng)力增大，可能會(huì)降低材料的疲勞壽命。表面狀態(tài)對(duì)疲勞壽命的影響主要體現(xiàn)在表面粗糙度和表面處理方面。粗糙的表面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，降低疲勞壽命。而經(jīng)過表面處理（如拋光、噴丸、電鍍等）的材料，表面粗糙度降低，殘余應(yīng)力狀態(tài)得到改善，疲勞壽命會(huì)顯著提高。例如，對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行噴丸處理，可以在表面引入殘余壓應(yīng)力，抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。環(huán)境因素（如溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等）對(duì)疲勞壽命的影響不容忽視。在高溫環(huán)境下，材料的強(qiáng)度和韌性會(huì)降低，疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快，疲勞壽命縮短；濕度和腐蝕介質(zhì)會(huì)加速材料的腐蝕，在材料表面形成腐蝕坑，這些腐蝕坑成為疲勞裂紋的萌生源，同時(shí)腐蝕還會(huì)降低材料的力學(xué)性能，進(jìn)一步加速疲勞破壞。例如，在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所處的海洋環(huán)境中，海水的腐蝕作用會(huì)與疲勞載荷相互耦合，加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。研究表明，在腐蝕環(huán)境下，疲勞壽命可降低至正常環(huán)境下的幾分之一甚至更低。準(zhǔn)確理解疲勞的基本原理以及影響疲勞壽命的因素，是進(jìn)行冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的重要基礎(chǔ)。3.2傳統(tǒng)疲勞評(píng)估方法在結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估領(lǐng)域，時(shí)域和頻域疲勞評(píng)估方法是兩種經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的方法，它們各自基于不同的理論基礎(chǔ)，在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估中發(fā)揮著重要作用，但也存在著一定的優(yōu)勢(shì)與局限性。時(shí)域疲勞評(píng)估方法基于對(duì)結(jié)構(gòu)所受載荷-時(shí)間歷程的詳細(xì)模擬，通過直接積分的方式計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。其原理是依據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論，該理論假設(shè)疲勞損傷與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比，當(dāng)累積損傷達(dá)到1時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。具體計(jì)算流程如下：首先，需要獲取結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中所承受的各種載荷的時(shí)間歷程，包括風(fēng)載荷、波浪載荷、冰載荷以及機(jī)組運(yùn)行載荷等。這些載荷數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬或根據(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算得到。然后，將載荷時(shí)間歷程轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力-時(shí)間歷程。這一過程通常需要借助結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，如有限元分析，建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性以及邊界條件等因素，計(jì)算在各種載荷作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布。得到應(yīng)力-時(shí)間歷程后，對(duì)其進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)處理。雨流計(jì)數(shù)法是一種常用的將不規(guī)則的應(yīng)力-時(shí)間歷程轉(zhuǎn)化為一系列應(yīng)力循環(huán)的方法，它能夠準(zhǔn)確地提取出應(yīng)力循環(huán)的幅值和均值。通過雨流計(jì)數(shù)，可以得到不同幅值和均值的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。最后，根據(jù)材料的S-N曲線，將每個(gè)應(yīng)力循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷進(jìn)行累加，得到結(jié)構(gòu)的總疲勞損傷。S-N曲線描述了材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命，通常通過試驗(yàn)測(cè)定，不同材料具有不同的S-N曲線。例如，對(duì)于鋼材，其S-N曲線一般呈現(xiàn)出雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系，即lgN=lgC-mlgσ，其中N為疲勞壽命，σ為應(yīng)力幅值，C和m為與材料特性相關(guān)的常數(shù)。時(shí)域疲勞評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確考慮載荷的瞬態(tài)特性和結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)。在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估中，由于冰載荷具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性和非線性，時(shí)域方法可以準(zhǔn)確模擬冰與結(jié)構(gòu)相互作用過程中載荷的變化情況，以及結(jié)構(gòu)在這種復(fù)雜載荷作用下的非線性響應(yīng)，從而得到較為準(zhǔn)確的疲勞損傷計(jì)算結(jié)果。此外，時(shí)域方法還可以考慮各種偶然因素對(duì)疲勞損傷的影響，如極端冰況下的沖擊載荷等。然而，時(shí)域方法也存在明顯的缺點(diǎn)，其計(jì)算量巨大，對(duì)計(jì)算資源要求高。在實(shí)際工程中，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所承受的載荷時(shí)間歷程往往很長(zhǎng)，且包含大量的細(xì)節(jié)信息，對(duì)其進(jìn)行精確模擬和分析需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存空間。例如，對(duì)于一個(gè)運(yùn)行多年的海上風(fēng)機(jī)，其載荷時(shí)間歷程數(shù)據(jù)量可能達(dá)到GB級(jí)別，采用時(shí)域方法進(jìn)行疲勞評(píng)估時(shí)，計(jì)算過程可能需要數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間，這在一定程度上限制了其在工程中的廣泛應(yīng)用。頻域疲勞評(píng)估方法基于隨機(jī)振動(dòng)理論，將結(jié)構(gòu)的載荷和響應(yīng)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。其原理是利用傅里葉變換將時(shí)域的載荷和響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域的功率譜密度函數(shù)（PSD），通過建立結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞函數(shù)，將輸入的載荷功率譜密度轉(zhuǎn)換為應(yīng)力功率譜密度，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。具體計(jì)算流程如下：首先，同樣需要確定結(jié)構(gòu)所受各種載荷的統(tǒng)計(jì)特性，通常以功率譜密度函數(shù)來描述。對(duì)于風(fēng)載荷、波浪載荷等隨機(jī)載荷，可以根據(jù)相關(guān)的海洋環(huán)境參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定其功率譜密度函數(shù)；對(duì)于冰載荷，由于其復(fù)雜性，目前也在通過大量的試驗(yàn)和研究建立其統(tǒng)計(jì)模型和功率譜密度函數(shù)。然后，建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，通過模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞函數(shù)。應(yīng)力傳遞函數(shù)描述了輸入載荷與結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)之間的頻率關(guān)系。接著，將載荷功率譜密度函數(shù)與應(yīng)力傳遞函數(shù)相結(jié)合，得到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力功率譜密度函數(shù)。得到應(yīng)力功率譜密度函數(shù)后，計(jì)算應(yīng)力譜矩。應(yīng)力譜矩是描述應(yīng)力功率譜密度函數(shù)特征的參數(shù)，常用的有零階譜矩、二階譜矩和四階譜矩等。通過應(yīng)力譜矩，可以計(jì)算出應(yīng)力范圍的概率密度函數(shù)，假設(shè)應(yīng)力范圍服從某種概率分布（如Rayleigh分布、Dirlik分布等）。最后，根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論和材料的S-N曲線，計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。在頻域分析中，通常采用等效損傷概念，將不同頻率成分的應(yīng)力循環(huán)損傷等效為某一參考頻率下的損傷進(jìn)行計(jì)算。頻域疲勞評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算效率高，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行快速評(píng)估。由于頻域方法將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域進(jìn)行分析，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，減少了計(jì)算量。在工程設(shè)計(jì)的初步階段或?qū)Υ罅拷Y(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞評(píng)估時(shí)，頻域方法能夠快速得到結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估計(jì)值，為設(shè)計(jì)決策提供參考。例如，在海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃階段，需要對(duì)多個(gè)候選風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行疲勞評(píng)估，采用頻域方法可以在較短時(shí)間內(nèi)完成評(píng)估工作，篩選出較優(yōu)的方案。此外，頻域方法還便于考慮多個(gè)載荷工況的組合作用，通過對(duì)不同載荷功率譜密度函數(shù)的疊加和組合，可以分析多載荷耦合作用下的疲勞損傷。然而，頻域疲勞評(píng)估方法也存在一些局限性。該方法基于隨機(jī)振動(dòng)理論，假設(shè)載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)是平穩(wěn)隨機(jī)過程，這在實(shí)際工程中并不完全滿足。特別是在冰區(qū)環(huán)境下，冰載荷具有明顯的非平穩(wěn)性和間歇性，其作用特性與隨機(jī)振動(dòng)理論的假設(shè)存在一定偏差。因此，頻域方法在處理冰載荷作用下的疲勞評(píng)估時(shí)，可能會(huì)引入一定的誤差。此外，頻域方法在考慮結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)方面能力有限，對(duì)于一些具有復(fù)雜非線性行為的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，如存在大變形、接觸非線性等情況，頻域方法的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。時(shí)域和頻域疲勞評(píng)估方法在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估中各有優(yōu)劣。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程需求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及載荷特性等因素，合理選擇或結(jié)合使用這兩種方法，以提高疲勞評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3冰區(qū)疲勞評(píng)估方法的特殊性冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所處的服役環(huán)境復(fù)雜惡劣，海冰的存在使得其疲勞評(píng)估相較于非冰區(qū)具有顯著的特殊性，冰載荷對(duì)疲勞評(píng)估有著多方面的關(guān)鍵影響。冰載荷的作用形式極為復(fù)雜多樣，主要包括靜冰壓力、動(dòng)冰力以及冰激振動(dòng)等。靜冰壓力是海冰在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擠壓作用力，其大小取決于海冰的抗壓強(qiáng)度、厚度以及與結(jié)構(gòu)的接觸面積等因素。當(dāng)大面積海冰長(zhǎng)時(shí)間擠壓海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的靜冰壓力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受持續(xù)的擠壓應(yīng)力，這種長(zhǎng)期的靜載作用可能引發(fā)結(jié)構(gòu)材料的塑性變形，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能。例如，在一些高緯度海域，冬季海冰厚度可達(dá)數(shù)米，對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靜冰壓力可達(dá)數(shù)千kN，使得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位（如樁腿與基礎(chǔ)連接處）的應(yīng)力水平顯著提高，加速疲勞損傷的累積。動(dòng)冰力則是海冰在運(yùn)動(dòng)過程中撞擊支撐結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的沖擊力，具有明顯的沖擊性和瞬時(shí)性。海冰在海流、風(fēng)等外力作用下以一定速度撞擊支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的沖擊力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面承受極高的局部應(yīng)力。這種瞬間的高應(yīng)力沖擊會(huì)使結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂紋，成為疲勞裂紋的萌生源。例如，當(dāng)浮冰以較高速度撞擊單樁式海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，在撞擊點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，其應(yīng)力值可能遠(yuǎn)超過材料的屈服強(qiáng)度，從而在材料內(nèi)部引發(fā)微裂紋。隨著撞擊次數(shù)的增加，這些微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。冰激振動(dòng)是海冰與支撐結(jié)構(gòu)相互作用引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象，具有高頻特性。當(dāng)海冰的破碎頻率與支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，會(huì)引發(fā)共振，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。在冰激振動(dòng)過程中，結(jié)構(gòu)承受高頻交變應(yīng)力作用，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在短時(shí)間內(nèi)急劇增加。由于材料在高頻交變應(yīng)力下的疲勞特性與低頻時(shí)不同，高頻交變應(yīng)力會(huì)加速材料的疲勞損傷，使得結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大幅縮短。例如，在渤海海域的某些海上風(fēng)電場(chǎng)，冬季經(jīng)常出現(xiàn)冰激振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞損傷速率明顯加快，部分結(jié)構(gòu)在服役數(shù)年后就出現(xiàn)了疲勞裂紋。針對(duì)冰區(qū)環(huán)境的特殊性，需要對(duì)傳統(tǒng)疲勞評(píng)估方法進(jìn)行修正和改進(jìn)，以提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。在時(shí)域疲勞評(píng)估中，由于冰載荷的非平穩(wěn)性和沖擊性，傳統(tǒng)的雨流計(jì)數(shù)法在處理冰載荷作用下的應(yīng)力-時(shí)間歷程時(shí)存在一定局限性。例如，冰載荷的沖擊作用會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力時(shí)間歷程中出現(xiàn)大量的尖峰脈沖，傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)法可能無法準(zhǔn)確識(shí)別這些脈沖對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)，從而導(dǎo)致疲勞損傷計(jì)算誤差。因此，需要對(duì)雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，如采用基于沖擊識(shí)別的雨流計(jì)數(shù)方法，先對(duì)冰載荷作用下的應(yīng)力時(shí)間歷程中的沖擊信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分類，再進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，以提高應(yīng)力循環(huán)提取的準(zhǔn)確性，進(jìn)而更精確地計(jì)算疲勞損傷。在頻域疲勞評(píng)估方面，由于冰載荷不滿足傳統(tǒng)頻域分析中關(guān)于平穩(wěn)隨機(jī)過程的假設(shè)，需要建立適用于冰載荷的非平穩(wěn)隨機(jī)模型。例如，可以采用時(shí)變功率譜密度函數(shù)來描述冰載荷的非平穩(wěn)特性，考慮冰載荷隨時(shí)間、空間以及海冰物理性質(zhì)變化的因素，通過對(duì)冰載荷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，建立基于時(shí)變功率譜密度的冰載荷模型。在進(jìn)行頻域疲勞評(píng)估時(shí)，利用該模型將冰載荷轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，計(jì)算結(jié)構(gòu)在冰載荷作用下的疲勞損傷。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞性能，還需要建立專門適用于冰區(qū)環(huán)境的疲勞評(píng)估模型。這些模型應(yīng)充分考慮冰-結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，以及冰載荷與其他環(huán)境載荷（如風(fēng)、浪、流等）的耦合效應(yīng)。例如，考慮冰載荷與波浪載荷的耦合作用時(shí)，由于波浪會(huì)改變海冰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和冰-結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，進(jìn)而影響冰載荷的大小和方向，同時(shí)冰載荷也會(huì)對(duì)波浪的傳播產(chǎn)生影響，改變波浪力的作用特性。因此，在疲勞評(píng)估模型中需要考慮這種相互影響的耦合關(guān)系，通過建立冰-浪耦合的載荷模型，并將其與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，計(jì)算結(jié)構(gòu)在冰-浪耦合作用下的疲勞損傷。冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估具有獨(dú)特的特殊性，需要充分考慮冰載荷的復(fù)雜作用特性，對(duì)傳統(tǒng)疲勞評(píng)估方法進(jìn)行針對(duì)性的修正和改進(jìn)，并建立專門的評(píng)估模型，以確保評(píng)估結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際疲勞性能，為冰區(qū)海上風(fēng)電的安全運(yùn)行提供可靠的技術(shù)支持。四、冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)4.1冰載荷模擬與計(jì)算冰載荷的模擬與計(jì)算是冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接影響到疲勞評(píng)估結(jié)果的可靠性。目前，常用的冰載荷計(jì)算模型主要包括經(jīng)驗(yàn)公式模型、半經(jīng)驗(yàn)半理論模型和數(shù)值模擬模型，不同模型具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。經(jīng)驗(yàn)公式模型是基于大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立起來的，通過對(duì)冰載荷與相關(guān)影響因素（如冰厚、冰速、結(jié)構(gòu)形狀等）之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出冰載荷的計(jì)算公式。這類模型形式簡(jiǎn)單、計(jì)算便捷，在工程初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較為廣泛。例如，常見的冰激力經(jīng)驗(yàn)公式有：F=k\cdot\sigma_{c}\cdoth\cdotD其中，F(xiàn)為冰激力，k為與結(jié)構(gòu)形狀和冰破壞模式有關(guān)的系數(shù)，\sigma_{c}為冰的抗壓強(qiáng)度，h為冰厚，D為結(jié)構(gòu)物的特征直徑。然而，經(jīng)驗(yàn)公式模型往往具有較強(qiáng)的局限性，其計(jì)算結(jié)果依賴于特定的試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)來源，對(duì)于不同的冰情和結(jié)構(gòu)形式，其適用性較差。而且，這類模型難以準(zhǔn)確考慮冰-結(jié)構(gòu)相互作用過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如冰的破碎、冰激振動(dòng)等，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精度有限。半經(jīng)驗(yàn)半理論模型結(jié)合了理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在一定程度上克服了經(jīng)驗(yàn)公式模型的局限性。這類模型通?；诒W(xué)的基本原理，建立冰-結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型中的一些參數(shù)。例如，在某些半經(jīng)驗(yàn)半理論模型中，考慮了冰的彈性、塑性和斷裂特性，利用彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)的理論來分析冰載荷的產(chǎn)生和變化規(guī)律。同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室模型試驗(yàn)，獲取冰的力學(xué)參數(shù)以及冰-結(jié)構(gòu)相互作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)理論模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證。半經(jīng)驗(yàn)半理論模型在一定程度上提高了冰載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠考慮更多的影響因素，適用于較為復(fù)雜的冰區(qū)環(huán)境和結(jié)構(gòu)形式。但由于其仍然依賴于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于一些特殊的冰情和結(jié)構(gòu)條件，可能需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究來確定模型參數(shù)，增加了研究成本和時(shí)間。數(shù)值模擬模型借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)冰-結(jié)構(gòu)相互作用過程進(jìn)行全面的模擬和分析。目前，常用的數(shù)值模擬方法包括有限元法（FEM）、離散單元法（DEM）、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（SPH）以及耦合方法等。有限元法是將連續(xù)的冰體和結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，通過求解單元的平衡方程來獲得冰體和結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在冰載荷模擬中，利用有限元軟件可以建立冰體和海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的精細(xì)模型，考慮材料的非線性、接觸非線性以及冰的破壞準(zhǔn)則等因素，準(zhǔn)確模擬冰-結(jié)構(gòu)相互作用過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和變形分布。離散單元法將冰體視為由大量相互獨(dú)立的離散顆粒組成，通過建立顆粒間的接觸模型和運(yùn)動(dòng)方程，模擬冰體的破碎、堆積和流動(dòng)等現(xiàn)象。該方法能夠直觀地描述冰體的離散特性和冰-結(jié)構(gòu)相互作用過程中的復(fù)雜物理行為，對(duì)于研究冰的破碎機(jī)理和冰載荷的動(dòng)態(tài)變化具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法是一種無網(wǎng)格的拉格朗日數(shù)值方法，它將連續(xù)介質(zhì)離散為一系列具有質(zhì)量、速度和能量等屬性的粒子，通過粒子間的相互作用來模擬流體或固體的運(yùn)動(dòng)。在冰載荷模擬中，SPH方法可以有效地處理冰體的大變形和破碎問題，以及冰-結(jié)構(gòu)之間的接觸和碰撞過程。為了綜合利用不同數(shù)值方法的優(yōu)勢(shì)，還發(fā)展了多種耦合方法，如FEM-DEM耦合、FEM-SPH耦合等。這些耦合方法能夠同時(shí)考慮冰體的連續(xù)介質(zhì)特性和離散特性，更加準(zhǔn)確地模擬冰-結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜過程。數(shù)值模擬模型具有能夠考慮多種因素、模擬復(fù)雜物理現(xiàn)象以及提供詳細(xì)的力學(xué)響應(yīng)信息等優(yōu)點(diǎn)，但其計(jì)算過程復(fù)雜，對(duì)計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間要求較高。而且，數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性依賴于模型參數(shù)的選取和驗(yàn)證，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來支持。為了驗(yàn)證冰載荷計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可靠性，以某實(shí)際冰區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行分析。該風(fēng)電場(chǎng)位于渤海海域，冬季海冰現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通過在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)安裝的冰載荷監(jiān)測(cè)設(shè)備，獲取了多組海冰作用下風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的冰載荷數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用有限元軟件ANSYS建立了該風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的三維模型，并采用合適的冰材料模型和接觸算法，對(duì)冰-結(jié)構(gòu)相互作用過程進(jìn)行數(shù)值模擬。將數(shù)值模擬得到的冰載荷結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4-1所示：[此處插入冰載荷模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖4-1]從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上基本一致，在冰載荷的峰值和變化規(guī)律方面具有較好的吻合度。通過計(jì)算兩者的誤差，發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了所采用的冰載荷數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，對(duì)不同冰載荷計(jì)算模型（經(jīng)驗(yàn)公式模型、半經(jīng)驗(yàn)半理論模型和數(shù)值模擬模型）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，經(jīng)驗(yàn)公式模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏差較大；半經(jīng)驗(yàn)半理論模型計(jì)算結(jié)果有所改進(jìn)，但對(duì)于一些復(fù)雜的冰-結(jié)構(gòu)相互作用情況，仍存在一定誤差；而數(shù)值模擬模型能夠更準(zhǔn)確地反映冰載荷的實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最為接近。冰載荷的模擬與計(jì)算是冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的重要基礎(chǔ)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的冰情、結(jié)構(gòu)形式以及評(píng)估精度要求，合理選擇冰載荷計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以提高冰載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的疲勞評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支持。4.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析利用有限元方法對(duì)冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，是深入研究其在冰載荷作用下力學(xué)性能的關(guān)鍵手段。有限元方法作為一種強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，通過將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，將復(fù)雜的力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為對(duì)這些單元的求解，能夠精確地模擬結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜載荷條件下的響應(yīng)情況。以某典型的冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)為例，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立其精細(xì)化模型。在建模過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何形狀、材料特性以及邊界條件。對(duì)于導(dǎo)管架的桿件，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，這種單元能夠較好地模擬桿件的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為；對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)置合適的連接方式和剛度，準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)處的力學(xué)傳遞特性；基礎(chǔ)部分則通過與海床的接觸單元來模擬其與海底的相互作用，考慮海床土體的彈性模量、泊松比等參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)約束的影響。定義冰載荷時(shí)，基于前文建立的冰載荷計(jì)算模型，將不同工況下的冰載荷加載到有限元模型上?？紤]不同冰厚、冰速以及冰與結(jié)構(gòu)的接觸角度等因素，設(shè)置多種冰載荷工況，以全面研究結(jié)構(gòu)在不同冰情下的動(dòng)力響應(yīng)。例如，工況一設(shè)定冰厚為[X1]m，冰速為[V1]m/s，冰與結(jié)構(gòu)正向碰撞；工況二設(shè)定冰厚為[X2]m，冰速為[V2]m/s，冰以[α]角度斜向撞擊結(jié)構(gòu)等。在進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，首先進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。固有頻率是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿W(xué)特性，反映了結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)頻率，而模態(tài)振型則描述了結(jié)構(gòu)在相應(yīng)固有頻率下的振動(dòng)形態(tài)。通過模態(tài)分析，了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，為后續(xù)的動(dòng)力響應(yīng)分析提供基礎(chǔ)。以該導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)為例，經(jīng)過模態(tài)分析，得到其前幾階固有頻率分別為[f1]Hz、[f2]Hz、[f3]Hz等，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型表現(xiàn)為整體彎曲、扭轉(zhuǎn)以及局部桿件的振動(dòng)等不同形式。在得到結(jié)構(gòu)的固有特性后，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，模擬結(jié)構(gòu)在冰載荷隨時(shí)間變化作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。通過瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可以得到結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，直觀地展示結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)情況。以工況一為例，在冰載荷作用的初始階段，結(jié)構(gòu)與冰接觸部位首先產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力值迅速上升，隨著冰載荷的持續(xù)作用，應(yīng)力逐漸向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞和擴(kuò)散，結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)力呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化過程。在某一時(shí)刻，結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)連接處的應(yīng)力達(dá)到最大值[σmax]MPa，此處成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。對(duì)結(jié)構(gòu)在冰載荷作用下的應(yīng)變分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變較大的區(qū)域主要集中在導(dǎo)管架的節(jié)點(diǎn)處以及與冰直接接觸的桿件上。例如，在冰與結(jié)構(gòu)接觸的桿件表面，應(yīng)變值達(dá)到[εmax]，隨著距離接觸點(diǎn)的增加，應(yīng)變逐漸減小。通過對(duì)不同工況下的應(yīng)變分析，總結(jié)出應(yīng)變分布與冰載荷大小、方向以及結(jié)構(gòu)自身特性之間的關(guān)系。為了更深入地研究結(jié)構(gòu)在冰載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化歷程進(jìn)行詳細(xì)分析。選取導(dǎo)管架底部與基礎(chǔ)連接處、冰直接撞擊的桿件中部等關(guān)鍵部位，提取其在整個(gè)冰載荷作用過程中的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并繪制應(yīng)力-時(shí)間曲線和應(yīng)變-時(shí)間曲線。從曲線中可以看出，應(yīng)力和應(yīng)變均呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)變化，這是由于冰載荷的動(dòng)態(tài)特性以及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)相互作用所致。在冰撞擊瞬間，應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)急劇上升的尖峰，隨后在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過程中，應(yīng)力和應(yīng)變不斷波動(dòng)，逐漸衰減。將有限元分析得到的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。如果有限元分析結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在偏差，對(duì)模型參數(shù)、冰載荷計(jì)算方法以及分析過程進(jìn)行仔細(xì)檢查和修正，進(jìn)一步提高模型的精度和分析結(jié)果的可信度。通過有限元方法對(duì)冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，能夠全面、深入地了解結(jié)構(gòu)在冰載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，為后續(xù)的疲勞評(píng)估提供重要的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。4.3熱點(diǎn)應(yīng)力確定與計(jì)算在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估中，準(zhǔn)確確定熱點(diǎn)應(yīng)力的位置并進(jìn)行精確計(jì)算是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。熱點(diǎn)應(yīng)力通常出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的幾何形狀突變處、焊接接頭處以及不同構(gòu)件的連接部位等，這些位置由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得局部應(yīng)力遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力，成為疲勞裂紋最易萌生的區(qū)域。對(duì)于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)而言，常見的熱點(diǎn)應(yīng)力位置包括導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處、單樁與基礎(chǔ)的連接處、三腳架的樁腿與頂部結(jié)構(gòu)連接處等。以導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)為例，由于多根桿件在此交匯，且節(jié)點(diǎn)處的幾何形狀較為復(fù)雜，在冰載荷、風(fēng)載荷和波浪載荷等多種載荷的共同作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致熱點(diǎn)應(yīng)力的出現(xiàn)。在實(shí)際工程中，通過對(duì)大量海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的失效案例分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處是疲勞破壞的高發(fā)區(qū)域，這充分說明了準(zhǔn)確確定和分析熱點(diǎn)應(yīng)力位置的重要性。熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算方法主要有有限元法、解析法和經(jīng)驗(yàn)公式法等。有限元法是目前應(yīng)用最為廣泛的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法，通過建立結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型，能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性以及邊界條件等因素，從而精確計(jì)算出結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的應(yīng)力分布，進(jìn)而確定熱點(diǎn)應(yīng)力的大小和位置。在使用有限元法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，需要注意單元類型的選擇、網(wǎng)格劃分的精度以及載荷的施加方式等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。例如，對(duì)于復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇合適的高階單元進(jìn)行模擬，以提高計(jì)算精度；在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部加密，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時(shí)，準(zhǔn)確施加冰載荷、風(fēng)載荷和波浪載荷等，考慮載荷的作用方向、大小和時(shí)間歷程等因素。解析法是基于彈性力學(xué)理論，通過對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，推導(dǎo)出熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算公式。該方法適用于幾何形狀規(guī)則、受力情況簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于復(fù)雜的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，解析法的應(yīng)用受到一定限制。例如，對(duì)于一些具有規(guī)則形狀的桿件連接節(jié)點(diǎn)，在特定的受力條件下，可以利用解析法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力，但對(duì)于實(shí)際工程中復(fù)雜多變的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，解析法難以準(zhǔn)確計(jì)算其熱點(diǎn)應(yīng)力。經(jīng)驗(yàn)公式法是根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出熱點(diǎn)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、載荷等因素之間的關(guān)系，從而得到熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算公式。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便，但由于其依賴于特定的試驗(yàn)條件和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)形式和工況，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性可能存在一定偏差。例如，某些經(jīng)驗(yàn)公式是基于特定類型的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)和特定海域的環(huán)境條件得出的，當(dāng)應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)或環(huán)境時(shí)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚万?yàn)證。應(yīng)力集中系數(shù)是確定熱點(diǎn)應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)之一，它反映了結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中的程度。應(yīng)力集中系數(shù)的大小與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性以及載荷作用方式等因素密切相關(guān)。對(duì)于海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，不同的節(jié)點(diǎn)形式和連接方式會(huì)導(dǎo)致不同的應(yīng)力集中系數(shù)。例如，在焊接節(jié)點(diǎn)處，由于焊縫的存在改變了結(jié)構(gòu)的幾何形狀，使得應(yīng)力集中系數(shù)增大；而合理設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)過渡圓角，可以有效降低應(yīng)力集中系數(shù)。確定應(yīng)力集中系數(shù)的方法主要有試驗(yàn)測(cè)定法、數(shù)值模擬法和經(jīng)驗(yàn)公式法。試驗(yàn)測(cè)定法是通過對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)或縮尺模型進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)量熱點(diǎn)處的應(yīng)力分布，從而計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù)。這種方法能夠直接反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力集中情況，但試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，且受到試驗(yàn)條件的限制，難以對(duì)所有工況進(jìn)行全面測(cè)試。數(shù)值模擬法利用有限元軟件等工具，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過計(jì)算得到應(yīng)力集中系數(shù)。該方法具有計(jì)算效率高、能夠考慮多種因素影響等優(yōu)點(diǎn)，但模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取。經(jīng)驗(yàn)公式法則是根據(jù)前人的研究成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，給出不同結(jié)構(gòu)形式和載荷條件下的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但同樣存在適用范圍有限、準(zhǔn)確性受經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響等問題。在實(shí)際應(yīng)用中，通常綜合運(yùn)用多種方法來確定應(yīng)力集中系數(shù)，以提高其準(zhǔn)確性和可靠性。例如，先通過數(shù)值模擬法初步計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)，再結(jié)合試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，最終得到較為準(zhǔn)確的應(yīng)力集中系數(shù)值，為熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算和疲勞評(píng)估提供可靠依據(jù)。4.4疲勞損傷累積計(jì)算在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估中，疲勞損傷累積計(jì)算是確定結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵步驟。目前，Miner線性疲勞累積損傷理論是應(yīng)用最為廣泛的疲勞損傷計(jì)算方法，該理論基于等幅疲勞試驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)在各級(jí)應(yīng)力作用下材料的疲勞損傷是獨(dú)立的，且疲勞損傷與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。其基本公式為：D=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_{i}}{N_{i}}其中，D為總疲勞損傷，n_{i}為在應(yīng)力水平S_{i}下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)，N_{i}為在應(yīng)力水平S_{i}下材料的疲勞壽命，可通過材料的S-N曲線確定，k為應(yīng)力水平的個(gè)數(shù)。以某冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)為例，在一年的運(yùn)行周期內(nèi)，根據(jù)前文的冰載荷模擬、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析以及熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，得到該結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位（如導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處）在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)和對(duì)應(yīng)的疲勞壽命數(shù)據(jù)。假設(shè)該結(jié)構(gòu)在某一應(yīng)力水平S_{1}下，實(shí)際循環(huán)次數(shù)n_{1}=10000次，通過材料的S-N曲線查得在該應(yīng)力水平下的疲勞壽命N_{1}=100000次；在另一應(yīng)力水平S_{2}下，實(shí)際循環(huán)次數(shù)n_{2}=5000次，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命N_{2}=50000次。則根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論，該結(jié)構(gòu)在這兩個(gè)應(yīng)力水平下的總疲勞損傷D為：D=\frac{n_{1}}{N_{1}}+\frac{n_{2}}{N_{2}}=\frac{10000}{100000}+\frac{5000}{50000}=0.1+0.1=0.2當(dāng)累積損傷D達(dá)到1時(shí)，結(jié)構(gòu)被認(rèn)為發(fā)生疲勞破壞。在實(shí)際工程中，通常將累積損傷達(dá)到某一小于1的閾值（如0.8-0.9）時(shí)，作為結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行維護(hù)或更換的依據(jù)。然而，Miner線性疲勞累積損傷理論存在一定的局限性。該理論沒有考慮載荷的先后順序?qū)ζ趽p傷的影響，而在實(shí)際的冰區(qū)環(huán)境中，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)所承受的載荷順序是復(fù)雜多變的，不同的載荷順序可能導(dǎo)致不同的疲勞損傷結(jié)果。例如，先承受較大的冰沖擊載荷后再承受較小的風(fēng)載荷，與先承受較小的風(fēng)載荷后再承受較大的冰沖擊載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的疲勞損傷可能不同。此外，Miner理論也沒有考慮材料的疲勞損傷過程中的非線性特性，如材料的硬化、軟化以及裂紋的萌生和擴(kuò)展等對(duì)疲勞損傷的影響。為了彌補(bǔ)Miner線性疲勞累積損傷理論的不足，一些改進(jìn)的疲勞損傷計(jì)算模型被提出。如Corten-Dolan模型考慮了載荷順序?qū)ζ趽p傷的影響，通過引入一個(gè)載荷順序因子來修正Miner理論的計(jì)算結(jié)果。該模型認(rèn)為，當(dāng)高應(yīng)力水平的載荷先作用時(shí)，會(huì)使材料產(chǎn)生一定的損傷和硬化，從而影響后續(xù)低應(yīng)力水平載荷作用下的疲勞損傷累積。其計(jì)算公式為：D=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_{i}}{N_{i}}\left(\frac{\sigma_{max}}{\sigma_{i}}\right)^{m}其中，\sigma_{max}為整個(gè)載荷歷程中的最大應(yīng)力，\sigma_{i}為第i級(jí)應(yīng)力水平，m為與材料特性相關(guān)的常數(shù)。另一種考慮非線性損傷的模型是基于斷裂力學(xué)的疲勞損傷模型，該模型從裂紋萌生和擴(kuò)展的角度來計(jì)算疲勞損傷。它考慮了材料內(nèi)部裂紋的初始尺寸、裂紋擴(kuò)展速率以及應(yīng)力強(qiáng)度因子等因素，能夠更準(zhǔn)確地描述材料在疲勞過程中的損傷演化。例如，Paris公式描述了裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值之間的關(guān)系，通過對(duì)裂紋擴(kuò)展過程的模擬，可以計(jì)算出不同階段的疲勞損傷。然而，這類模型計(jì)算過程復(fù)雜，需要獲取大量的材料參數(shù)和裂紋相關(guān)信息，在實(shí)際工程應(yīng)用中受到一定限制。在冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估中，將Miner線性疲勞累積損傷理論與改進(jìn)的模型進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，Miner理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)較為保守，在一些情況下可能高估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；而考慮載荷順序和非線性損傷的模型能夠更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際疲勞損傷情況，但計(jì)算難度較大。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程需求、數(shù)據(jù)可獲取性以及計(jì)算資源等因素，合理選擇疲勞損傷計(jì)算模型，以提高冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。五、冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估案例分析5.1工程案例選取本研究選取位于渤海遼東灣海域的某海上風(fēng)電場(chǎng)作為工程案例，該風(fēng)電場(chǎng)處于典型的冰區(qū)環(huán)境，冬季海冰現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，具有極高的研究?jī)r(jià)值。該風(fēng)電場(chǎng)一期工程共安裝30臺(tái)海上風(fēng)機(jī)，單機(jī)容量為3MW。風(fēng)電場(chǎng)所在海域水深在15-20m之間，海床土質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土和粉砂，具有一定的承載能力，但在冰載荷作用下，海床土的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。該區(qū)域冬季平均氣溫在-10℃左右，最低可達(dá)-20℃以下，海冰厚度在正常年份可達(dá)0.5-1.0m，在極端嚴(yán)寒年份，冰厚甚至可超過1.5m。海冰類型主要包括平整冰、堆積冰和冰脊等，其中堆積冰和冰脊由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度較高，對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的破壞力更大。該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式。導(dǎo)管架由多根鋼管焊接而成，呈空間框架結(jié)構(gòu)，底部通過打入式樁基礎(chǔ)與海床相連。導(dǎo)管架的主要桿件采用Q345鋼材，具有良好的強(qiáng)度和韌性。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了冰區(qū)環(huán)境的特殊性，如增大了桿件的直徑和壁厚，以提高結(jié)構(gòu)的抗冰能力；在節(jié)點(diǎn)處采用了加強(qiáng)板和特殊的焊接工藝，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的整體高度為[X]m，其中水下部分高度為[X1]m，水上部分高度為[X2]m。導(dǎo)管架的平面尺寸為[長(zhǎng)]×[寬]，樁基礎(chǔ)采用直徑為[D]mm的鋼管樁，樁長(zhǎng)為[L]m，入土深度為[L1]m。這種導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式在冰區(qū)具有較好的穩(wěn)定性和承載能力，能夠有效地抵抗風(fēng)、浪、冰等多種環(huán)境載荷的作用。然而，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)眾多，在長(zhǎng)期的冰載荷作用下，節(jié)點(diǎn)處容易出現(xiàn)疲勞損傷，因此對(duì)其進(jìn)行疲勞評(píng)估具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。5.2環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理為了準(zhǔn)確評(píng)估冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞性能，全面、準(zhǔn)確地收集工程所在地的風(fēng)、浪、冰等環(huán)境數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的前提。針對(duì)本案例所在的渤海遼東灣海域的海上風(fēng)電場(chǎng)，采用了多種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集方法和技術(shù)，以獲取高質(zhì)量的環(huán)境數(shù)據(jù)。在風(fēng)數(shù)據(jù)采集方面，利用安裝在海上風(fēng)機(jī)塔筒不同高度處的風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向的變化。這些傳感器具備高精度和高穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速范圍為0-60m/s，風(fēng)向測(cè)量精度可達(dá)±3°。同時(shí)，在風(fēng)電場(chǎng)周邊設(shè)立了多個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)到的風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。此外，還收集了該海域長(zhǎng)期的歷史氣象數(shù)據(jù)，包括多年來的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、風(fēng)速頻率分布、主導(dǎo)風(fēng)向等信息，這些歷史數(shù)據(jù)來源于氣象部門的數(shù)據(jù)庫(kù)以及過往的海上氣象觀測(cè)記錄，為分析風(fēng)載荷的長(zhǎng)期變化規(guī)律提供了有力支持。對(duì)于波浪數(shù)據(jù)采集，采用了多種監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的方式。在風(fēng)電場(chǎng)海域布置了多個(gè)波浪浮標(biāo)，這些浮標(biāo)配備有高精度的波高傳感器、波周期傳感器和波浪方向傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)波浪的波高、周期、方向等參數(shù)。波高傳感器的測(cè)量精度可達(dá)±0.05m，波周期測(cè)量精度可達(dá)±0.2s。同時(shí)，利用安裝在海上平臺(tái)或固定結(jié)構(gòu)物上的聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP），測(cè)量不同深度的海水流速和流向，通過對(duì)流速數(shù)據(jù)的分析，間接獲取波浪的相關(guān)信息。此外，還收集了該海域過往的波浪觀測(cè)資料，包括不同季節(jié)、不同海況下的波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為建立波浪模型和分析波浪載荷提供了重要依據(jù)。冰數(shù)據(jù)采集是本研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于海冰的復(fù)雜性和多變性，需要綜合運(yùn)用多種方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在海冰物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)量方面，通過在冰面上布置鉆孔，采集海冰樣本，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備測(cè)量海冰的抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)。同時(shí)，利用冰厚測(cè)量?jī)x，定期測(cè)量海冰的厚度，該測(cè)量?jī)x采用超聲波原理，測(cè)量精度可達(dá)±0.02m。在冰載荷測(cè)量方面，在海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)上安裝了冰壓力傳感器和加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海冰作用在結(jié)構(gòu)上的壓力和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，從而獲取冰載荷的大小和變化規(guī)律。此外，還利用衛(wèi)星遙感、航空攝影等技術(shù)手段，對(duì)海冰的分布范圍、冰型、冰速等進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)。通過衛(wèi)星遙感圖像分析，可以獲取海冰的大面積分布信息和冰情變化趨勢(shì)；航空攝影則能夠更詳細(xì)地觀察海冰的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，為冰數(shù)據(jù)采集提供了多角度、全方位的信息。對(duì)采集到的風(fēng)、浪、冰等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)處理，是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和有效性的關(guān)鍵步驟。在統(tǒng)計(jì)分析方面，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸納，計(jì)算各種環(huán)境參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值等統(tǒng)計(jì)特征。例如，對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該海域的年平均風(fēng)速為[Vavg]m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為[σV]m/s，最大風(fēng)速出現(xiàn)在[具體日期]，達(dá)到了[Vmax]m/s；對(duì)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到年平均有效波高為[Havg]m，標(biāo)準(zhǔn)差為[σH]m，最大有效波高為[Hmax]m，對(duì)應(yīng)的周期為[Tmax]s。通過對(duì)海冰數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，了解海冰厚度的分布規(guī)律，如該海域冬季海冰厚度的平均值為[havg]m，標(biāo)準(zhǔn)差為[σh]m，最大冰厚出現(xiàn)在[具體區(qū)域和時(shí)間]，達(dá)到了[hmax]m，同時(shí)分析海冰的抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征。在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和異常值處理。由于環(huán)境數(shù)據(jù)采集過程中可能受到各種干擾因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中存在噪聲和異常值，這些噪聲和異常值會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的分析和計(jì)算結(jié)果。因此，采用濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除高頻噪聲和低頻漂移。對(duì)于異常值，通過設(shè)定合理的閾值范圍，采用數(shù)據(jù)插值或替換的方法進(jìn)行處理。例如，當(dāng)風(fēng)速數(shù)據(jù)中出現(xiàn)明顯偏離正常范圍的值時(shí)，根據(jù)前后數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，采用線性插值的方法進(jìn)行修正；對(duì)于波浪數(shù)據(jù)中由于傳感器故障或其他原因?qū)е碌漠惓２ǜ咧?，利用相鄰時(shí)刻的波高數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均替換。通過對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)處理，得到了高質(zhì)量、準(zhǔn)確可靠的風(fēng)、浪、冰等環(huán)境數(shù)據(jù)，為后續(xù)的冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確保了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.3疲勞評(píng)估過程與結(jié)果在獲取了詳細(xì)的環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理后，運(yùn)用前文闡述的疲勞評(píng)估方法，對(duì)渤海遼東灣海域某海上風(fēng)電場(chǎng)的導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞評(píng)估。首先，依據(jù)收集到的風(fēng)、浪、冰等環(huán)境數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的載荷模型。對(duì)于風(fēng)載荷，采用威布爾分布來描述風(fēng)速的概率分布，根據(jù)歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)確定威布爾分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，進(jìn)而得到不同風(fēng)速下的風(fēng)載荷大小。對(duì)于波浪載荷，選用P-M波浪譜來描述波浪的能量分布，結(jié)合實(shí)測(cè)的波浪高度和周期數(shù)據(jù)，計(jì)算不同波浪工況下作用在導(dǎo)管架上的波浪力。冰載荷的計(jì)算則基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，采用前文驗(yàn)證過的數(shù)值模擬模型，考慮海冰的不同類型（平整冰、堆積冰等）、冰厚、冰速以及冰與結(jié)構(gòu)的接觸角度等因素，計(jì)算得到多種冰載荷工況下的冰載荷時(shí)程曲線?？紤]到風(fēng)、浪、冰等載荷并非獨(dú)立作用，而是相互耦合的，建立多載荷耦合模型。在該模型中，考慮風(fēng)對(duì)波浪和海冰運(yùn)動(dòng)的影響，以及波浪對(duì)海冰的破碎和漂移的作用，通過一系列的耦合方程來描述這些相互作用關(guān)系。例如，風(fēng)的作用會(huì)使海冰產(chǎn)生漂移，從而改變冰與導(dǎo)管架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和接觸角度，進(jìn)而影響冰載荷的大小和方向；波浪的起伏會(huì)使導(dǎo)管架產(chǎn)生振動(dòng)，增加結(jié)構(gòu)在冰載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用有限元軟件ANSYS建立導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)的精細(xì)化模型。模型中，導(dǎo)管架的桿件采用梁?jiǎn)卧M，以準(zhǔn)確反映桿件的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)力學(xué)行為；節(jié)點(diǎn)通過剛性連接或彈性連接模擬實(shí)際的連接方式，考慮節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度特性；基礎(chǔ)部分通過與海床的接觸單元模擬其與海底的相互作用，考慮海床土體的力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比等）對(duì)基礎(chǔ)約束的影響。將建立的多載荷耦合模型加載到有限元模型上，進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。首先進(jìn)行模態(tài)分析，得到導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率分別為[f1]Hz、[f2]Hz、[f3]Hz、[f4]Hz、[f5]Hz、[f6]Hz，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型包括整體彎曲、扭轉(zhuǎn)以及局部桿件的振動(dòng)等。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，模擬結(jié)構(gòu)在多載荷耦合作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。通過瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。從應(yīng)力云圖中可以看出，在冰載荷和波浪載荷的共同作用下，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處、底部與基礎(chǔ)連接處等部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力值達(dá)到[σmax1]MPa，底部與基礎(chǔ)連接處的最大應(yīng)力值為[σmax2]MPa。從應(yīng)變?cè)茍D可知，應(yīng)變較大的區(qū)域主要集中在導(dǎo)管架的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及與冰直接接觸的桿件上，這些部位的應(yīng)變值達(dá)到[εmax1]和[εmax2]等。確定結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力位置，主要位于導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處和底部與基礎(chǔ)連接處。采用有限元法中的應(yīng)力外插法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力，在熱點(diǎn)附近劃分細(xì)密的網(wǎng)格，通過對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的插值計(jì)算得到熱點(diǎn)應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力為[σhot1]MPa，底部與基礎(chǔ)連接處的熱點(diǎn)應(yīng)力為[σhot2]MPa。根據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合材料的S-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷理論，計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。假設(shè)該導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)使用的鋼材S-N曲線參數(shù)為：C=[C值]，m=[m值]。在一年的運(yùn)行周期內(nèi)，通過雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)，得到在應(yīng)力水平[σ1]下的循環(huán)次數(shù)為[n1]次，在應(yīng)力水平[σ2]下的循環(huán)次數(shù)為[n2]次等。根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論公式D=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_{i}}{N_{i}}，計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)在一年運(yùn)行周期內(nèi)的疲勞損傷D1=[??·????????¤???1]。進(jìn)一步預(yù)測(cè)該導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命（假設(shè)為20年）內(nèi)的疲勞損傷?？紤]到每年的環(huán)境載荷具有一定的隨機(jī)性和波動(dòng)性，采用蒙特卡洛模擬方法，隨機(jī)生成20年的環(huán)境載荷序列，對(duì)每個(gè)載荷序列進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，然后統(tǒng)計(jì)分析得到20年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的疲勞損傷分布情況。經(jīng)蒙特卡洛模擬計(jì)算，得到該結(jié)構(gòu)在20年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的平均疲勞損傷為[Davg]，疲勞損傷的標(biāo)準(zhǔn)差為[σD]。結(jié)果表明，該導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的疲勞損傷處于可接受范圍內(nèi)，但仍需密切關(guān)注關(guān)鍵部位的疲勞損傷發(fā)展情況，定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，以確保結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。5.4結(jié)果分析與討論通過對(duì)渤海遼東灣海域某海上風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估，得到了該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的疲勞損傷結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行深入分析與討論，對(duì)于理解冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞特性以及評(píng)估方法的可靠性具有重要意義。從疲勞損傷計(jì)算結(jié)果來看，該導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)在20年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的平均疲勞損傷為[Davg]，處于可接受范圍內(nèi)。這表明在當(dāng)前的設(shè)計(jì)條件和環(huán)境荷載作用下，該結(jié)構(gòu)具有一定的抗疲勞能力，能夠滿足設(shè)計(jì)壽命的要求。然而，疲勞損傷的標(biāo)準(zhǔn)差為[σD]，說明疲勞損傷存在一定的離散性。這是由于環(huán)境荷載的隨機(jī)性以及疲勞評(píng)估過程中存在的不確定性因素導(dǎo)致的。例如，每年的風(fēng)、浪、冰等環(huán)境條件都有所不同，這些差異會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所承受的載荷大小和作用方式發(fā)生變化，從而使得疲勞損傷的計(jì)算結(jié)果存在波動(dòng)。進(jìn)一步分析疲勞損傷在結(jié)構(gòu)上的分布情況，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處和底部與基礎(chǔ)連接處的疲勞損傷相對(duì)較大，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。這與前面的應(yīng)力分析結(jié)果一致，這些部位由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的交變載荷作用下，更容易產(chǎn)生疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展。以導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)為例，其復(fù)雜的幾何形狀和多桿件交匯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得在冰載荷、風(fēng)載荷和波浪載荷的共同作用下，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中系數(shù)較大，從而導(dǎo)致較高的疲勞損傷。底部與基礎(chǔ)連接處則由于承受著結(jié)構(gòu)的主要荷載以及基礎(chǔ)與海床之間的相互作用，也容易出現(xiàn)疲勞損傷。評(píng)估結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于所采用的評(píng)估方法和輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在本次評(píng)估中，采用的多載荷耦合模型、有限元分析方法以及疲勞損傷計(jì)算模型等，都是基于相關(guān)的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立的，但仍然存在一定的不確定性。例如，冰載荷的模擬與計(jì)算是疲勞評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然采用了數(shù)值模擬模型并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，但由于海冰的復(fù)雜性和多變性，冰載荷的計(jì)算仍然存在一定誤差。此外，材料的S-N曲線是通過試驗(yàn)測(cè)定的，不同的試驗(yàn)條件和樣本可能會(huì)導(dǎo)致S-N曲線的差異，從而影響疲勞損傷的計(jì)算結(jié)果。為了提高疲勞評(píng)估結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，可采取以下改進(jìn)建議和措施：在冰載荷計(jì)算方面，進(jìn)一步深入研究海冰的物理力學(xué)性質(zhì)和冰-結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制，通過更多的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)研究，獲取更準(zhǔn)確的冰載荷數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化冰載荷計(jì)算模型，提高其計(jì)算精度。在多載荷耦合模型方面，考慮更多的耦合因素，如冰載荷與風(fēng)、浪、流載荷之間的非線性耦合關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)在多載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，完善耦合模型，使其更能準(zhǔn)確反映實(shí)際工況。在疲勞損傷計(jì)算模型方面，結(jié)合結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)Miner線性疲勞累積損傷理論等計(jì)算模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證，或者采用更先進(jìn)的考慮載荷順序、材料非線性等因素的疲勞損傷模型，以提高疲勞損傷計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，確保環(huán)境數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)處理，減少數(shù)據(jù)誤差對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響。通過對(duì)工程案例的疲勞評(píng)估結(jié)果分析可知，雖然該導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的疲勞損傷處于可接受范圍，但仍需關(guān)注薄弱部位的疲勞損傷發(fā)展情況。同時(shí)，為提高疲勞評(píng)估的可靠性和準(zhǔn)確性，需要在評(píng)估方法、模型以及數(shù)據(jù)處理等方面不斷改進(jìn)和完善，以更好地保障冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。六、疲勞評(píng)估方法的驗(yàn)證與優(yōu)化6.1方法驗(yàn)證為了驗(yàn)證所建立的冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和可靠性，將評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在渤海遼東灣海域的某海上風(fēng)電場(chǎng)，選取了多臺(tái)具有代表性的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，在其關(guān)鍵部位安裝了應(yīng)力傳感器、應(yīng)變片以及加速度傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，為了獲取更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制作了海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的縮尺模型，模擬冰區(qū)的實(shí)際工況，進(jìn)行冰載荷作用下的疲勞試驗(yàn)。將疲勞評(píng)估方法計(jì)算得到的應(yīng)力、應(yīng)變以及疲勞損傷結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。以某臺(tái)海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)為例，在冬季冰期，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)。同時(shí)，運(yùn)用本文建立的疲勞評(píng)估方法，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)、浪、冰等環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比結(jié)果如圖6-1所示：[此處插入評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖6-1]從圖中可以看出，評(píng)估方法計(jì)算得到的應(yīng)力值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上基本一致，且在大部分時(shí)間點(diǎn)上，兩者的數(shù)值差異較小。通過計(jì)算兩者的相關(guān)系數(shù)和平均相對(duì)誤差，得到相關(guān)系數(shù)為[R值]，平均相對(duì)誤差為[E值]，表明評(píng)估方法計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性和一致性。將疲勞評(píng)估結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)室中，按照相似理論制作了1:50的海上風(fēng)