气浮多筒型基础张紧式系泊动力响应试验

刘宪庆; 胡胜红; 张浦阳; 张玉; 罗彦哲; 顾垚

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503426

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (11) :4548-4556 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503426

天文学、地球科学

气浮多筒型基础张紧式系泊动力响应试验

刘宪庆 ¹ ,
胡胜红 ¹ ,
张浦阳 ² ,
张玉 ³ ,
罗彦哲 ¹ ,
顾垚 ¹

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Experimental of Dynamic Characteristics of Air-floating Multi-bucket Foundation with Taut-mooring

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摘要

随着海上风电开发向深远海推进,漂浮式基础及其系泊系统已成为当前海洋工程领域的研究热点。气浮结构凭借优异的浮力调节能力与稳性表现,展现出广阔的应用前景,是深远海开发中极具潜力的基础形式。为明晰气浮多筒型基础在张紧式系泊下的动力响应机制,通过制作1∶100比尺物理模型,进行了规则波作用的水槽模型试验,系统探究水深、吃水和锚固距离等因素对系缆张力和筒内气垫压力的影响规律。结果表明:随着周期的增加,系缆张力和气垫压力响应幅值算子呈现小周期波频响应,大周期慢漂响应的特征;随着水深的增加,前、后缆的系缆张力在波频响应时呈相反的变化趋势,而在慢漂运动时呈相同的变化趋势,前筒气垫压力振荡比后筒气垫压力振荡趋势明显;随着吃水的增大,后缆系缆张力幅值的变化比前缆系缆张力幅值的变化显著,气垫压力呈整体下降的趋势;锚固距离的增加,导致摇摆运动增大,前缆系缆张力和前筒气垫压力的变化幅度分别小于后缆和后筒。本研究成果可为张紧式系泊筒型基础的设计和运行提供参考。

Abstract

With the advancement of offshore wind power development into deep and far seas, floating foundations and their mooring systems have become a research focus in the current marine engineering field. Air-floating structures, leveraging their excellent buoyancy adjustment capability and stability performance, demonstrate broad application prospects and stand as a highly potential foundation form for deep sea development. To clarify the dynamic response mechanism of air-floating multi-bucket foundations under taut-mooring, a 1∶100 scale physical model was fabricated, and wave flume model tests under regular waves were conducted. These tests systematically investigated the influence laws of factors such as water depth, draft, and anchoring distance on mooring line tension and internal air cushion pressure. The results indicate these as follows. With the increase in wave period, the RAOs (response amplitude operators) of mooring line tension and air cushion pressure exhibit characteristics of wave-frequency response in small periods and slow-drift response in large periods. As water depth increases, the tensions of the front and rear mooring lines show an opposite variation trend during wave-frequency response, while displaying a consistent variation trend during slow-drift motion, and the air cushion pressure in the front bucket exhibits a more pronounced oscillation trend than that in the rear bucket. When draft increases, the variation in the amplitude of the rear mooring line tension is more significant than that of the front mooring line tension, and the air cushion pressure shows an overall decreasing trend. An increase in anchorage distance leads to an increase in oscillating motion, and the variation amplitudes of the front mooring line tension and air cushion pressure in front bucket are smaller than those of the rear mooring line tension and air cushion pressure in rear bucket, respectively. The results can provide a reference for the design and operation of air-floating bucket foundations with taut-mooring.

Graphical abstract

关键词

气浮多筒型基础 / 张紧式系泊 / 系缆张力 / 水深 / 吃水

Key words

air-floating multi-bucket foundation / taut-mooring / mooring line tension / water depth / draft

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刘宪庆, 胡胜红, 张浦阳, 张玉, 罗彦哲, 顾垚. 气浮多筒型基础张紧式系泊动力响应试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(11): 4548-4556 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503426

LIU Xian-qing, HU Sheng-hong, ZHANG Pu-yang, ZHANG Yu, LUO Yan-zhe, GU Yao. Experimental of Dynamic Characteristics of Air-floating Multi-bucket Foundation with Taut-mooring[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(11): 4548-4556 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503426

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在“双碳”战略和能源转型背景下,深远海海上风电开发已成为全球能源领域的重要发展方向^[1]。中国实施的“单30”政策(要求风电项目离岸30 km或水深超过30 m)以及挪威暂停固定式风电开发的战略转向,都表明漂浮式风电技术正成为深水区域能源开发的主流选择^[2]。这一趋势对风电基础结构提出了更高要求,亟需开发具有深水适应性、经济性和稳定性的新型漂浮式基础。在此技术需求驱动下,气浮结构因其独特的浮力形成机制展现出显著优势。该结构通过底部开口和内部有压气体形成气垫,相较于传统实浮结构,其气体可压缩性和自由液面动力效应使其在波浪作用下表现出更优的水动力特性^[3]。目前典型的气浮结构包括箱型、单筒及多筒型式等^[4],已广泛应用于漂浮式平台及波能转换装置等领域。作为新型漂浮式基础,其稳定作业需配备有效的系泊系统进行定位。目前,漂浮式基础的系泊方式主要包括固定式、悬链式、张紧式和混合式^[5]。其中,张紧式系泊系统通过保持较高的预张力,确保系泊锚缆始终处于张紧状态,尤其适用于深水环境^[6]。随着深远海开发的持续推进,结构轻质化设计与高效系泊技术已成为漂浮式基础研发的核心方向。因此,研究气浮多筒型基础在张紧式系泊条件下的动力响应特性,对于提升漂浮式风电基础的安全性能和优化工程设计具有重要的理论价值和实践意义。

气浮结构研究方面,气浮结构作为依托内部气垫体积调节浮力和稳定性的基础形式,近年来在理论与工程应用方面均取得了进展。Liu等^[7]的多分舱试验研究表明气压分布对结构运动响应具有显著影响;Jaculli等^[8]提出了气舱垂荡补偿平台,分析了系泊约束下的动力学特性;丁红岩等^[9]则通过试验揭示了气垫压力变化与缆力特征的耦合关系; 张浦阳等^[10]通过模型试验与数值仿真研究复合筒型基础在拖航过程中的动力学响应,发现吃水、波高与拖航点高度对运动特征及气垫压力波动均有重要影响;Le等^[11]通过不规则波拖航试验揭示了单柱复合筒型基础的气压分布、拖航力与运动响应特征;Vasanthakumar等^[12]结合计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)与模型试验阐明了气垫支撑浮体的垂荡共振机理,并提出基于吃水和几何参数的简化预测模型。总体来看,相关研究已逐步形成涵盖波浪作用下气垫-水塞耦合机制的理论与数值框架,但针对张紧系泊约束下的非线性动力学行为仍缺乏系统探讨。

系泊受力特性研究方面,系泊系统作为漂浮式结构稳定的关键环节受到广泛关注。黄心伟等^[13]讨论不同系缆数量、角度布置形式以及系缆断裂等因素对系泊平台运动响应和受力的影响;纪巧玲等^[14]考察了预张力、锚泊角与浮箱尺度对浮箱水动力的影响;张龙飞等^[15]采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法结合MoorDyn数值模型,建立了阶梯式海床系泊浮体数值模型并研究其运动响应;吴国强等^[16]揭示了风浪流入射角、锚链参数及破断工况对半潜式平台运动的影响;戚心源^[17]的试验结果表明悬链式系泊无底海洋结构物的性能优于传统封底结构,但尚未涉及张紧式系泊特性。总体来看,现有研究多集中于传统封底结构,对具有“气垫-水塞”耦合特性的气浮筒型基础系泊响应尚缺乏针对性研究。

综上,气浮结构因其独特的水动力机制和结构优势,在海洋能源开发中展现出良好应用前景。张紧式系泊作为其在深远海稳定定位的关键手段,其与气浮基础的耦合响应规律尚不明晰,缺乏现场测试、试验数据与理论支持。因此,现以张紧式系泊气浮多筒型基础为研究对象,通过模型试验,分析规则波作用下不同水深、吃水、锚固距离以及波浪周期等条件对气浮多筒型基础系泊状态系缆张力、气垫压力的影响,揭示张紧式系泊气浮多筒型基础在波浪下的受力规律。研究旨在为气浮多筒型基础张紧式系泊的设计提供理论基础和实践指导,并为新型筒型基础在深海工程中的推广应用提供科学依据。

1 物理模型试验

1.1 试验设备及其仪器

物理模型试验在重庆交通大学港工厅的30 m波浪水槽内进行,水槽长30 m、宽0.5 m、高1.0 m。水槽一端配备波浪周期、波高等参数可控的造波机,另一端的消波滩能有效减少反射波干扰且不影响水流通过,试验场地如图1所示。

试验过程中,系缆张力和气垫压力通过WKD3840动静态应变仪采集分析系统完成,该系统配备10个通道,可满足试验同步采集4组拉力数据和4组气压数据的需要。系缆张力测量采用量程为0~20 kg的不锈钢HYLY-019型拉力传感器;气压测量则采用PCM300D精小型压力变送器,采样频率范围为0~200 Hz,满足波浪与气浮结构相互作用过程中的高精度需求。动态信号采集分析系统如图2所示。

1.2 试验设计

试验采取多因素全面设计法,采用正交表来安排试验组合^[18]。目标海域水深30~50 m,波高1.5~3.0 m,波浪周期5.0~15.0 s,考虑试验水槽的尺寸以及造波机造波能力等试验条件,根据相似准则对试验进行缩尺设计,选定模型比尺λ=1∶100,试验主要研究水深H、吃水h和锚固距离d3个因素对气浮多筒型基础动力特性的影响。其中,试验水深H取3组,分别为0.3、0.4、0.5 m;通过改变系泊缆的长度设置3组吃水h,分别为0.14、0.16、0.18 m,以研究不同吃水的影响;选取水深为H=0.5 m,对应吃水取h=0.14 m,设置3组锚固距离d,分别为0.03、0.06、0.09 m,以研究锚固距离的影响。试验工况设计如表1所示。

响应幅值算子(response amplitude operator,RAO)^[19]为结构物在某一自由度下的响应幅值与入射规则波波幅之比,其计算公式为

(1)RAO=$\frac{{A}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{p}}}{{A}_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}}}$

式(1)中:A_resp为结构物的响应幅值(如位移、速度或加速度的振幅);A_wave入射规则波的波幅。

根据RAO的定义,每组试验波高均设置为0.02 m,波浪周期T设置12组分别为0.4、0.5、…、1.5 s,采样频率为50 Hz,同步测量系泊气浮多筒型基础的系缆张力、气垫压力。

1.3 试验模型及布置

模型根据几何相似和弗劳德数相似准则设计,限于试验条件,选定模型和原型的几何相似比λ=1∶100,模型和原型之间满足的相似理论如表2所示。

试验模型由4个底部开口,上端封闭的筒型基础通过连接件连接组成,筒型基础和连接件均为不锈钢结构。为实现对筒内气垫压力的实时采集与调节,每个筒型基础顶部设置一个气阀,通过橡皮管连接至压力采集系统,从而保证各筒内气垫压力状态可控并能实时记录。单个筒型基础的顶部壁厚0.2 cm,连接件高度为2.25 cm,筒型基础的中心间距为25 cm(2.5倍直径)。模型总高度为22.25 cm,总质量为3.40 kg,具体模型尺寸如图3所示。

根据文献[18]《水运工程模拟试验技术规范》(JTS/T 234—2021)的要求,系泊缆模型需保持与原型缆的张力-伸长关系相似。试验中,系泊缆选用直径2 mm钢绞线,其具体参数如表3所示。每根系泊缆均对应连接一个筒型基础,一端与筒型基础顶部的拉力传感器相连,另一端通过锚固环扣固定在由锚块约束的槽底钢筋网片上。以波浪传播方向为参考,从波浪入射面起,沿逆时针方向依次将筒型基础编号为1#、2#、3#和4#筒,相应地将与之连接的系泊缆编号为1#、2#、3#和4#缆。

现场仪器布置如图4所示。为满足波浪稳定发展的需要,同时减小模型与造波机之间的二次反射波的影响,将试验模型放置于距离造波机15.0 m处,试验具体安装如图5所示。

1.4 数据采集与处理

为确保生成的波浪符合试验要求,试验开始前需对造波机生成的波浪进行率定。如图6所示为波浪实测值与理论值的对比。所有试验工况下造波时间均控制在2 min左右,系缆张力与气垫压力数据在造波开始前采集,造波结束待槽内水面完全静止后再进行下一组试验。

如图7所示为周期T=1.40 s下,试验水深H=0.5 m、吃水h=0.14 m、锚固距离d=0.03 m时,2#缆绳的系缆张力2#筒气垫压力时程变化曲线。从图7可以看出,在测试的时间范围内,试验过程分为初始造波、波浪稳定作用和波浪衰减3个作用阶段。分析时采用Origin软件中FFT(fast Fourier transform)滤波器,去除高频噪声后,取前缆(1#、2#缆)、前筒(1#、2#筒)在波浪稳定作用阶段的数据幅值前三个平均值作为迎浪面系缆张力、气垫压力幅值;对后缆(3#、4#缆)、后筒(3#、4#筒)采用相同的处理,以消除试验过程中存在的偶然误差。

2 试验结果分析

2.1 系缆张力影响因素分析

2.1.1 水深影响

如图8所示为考虑水深影响的气浮多筒型基础系缆张力RAO的变化曲线图。

从图8可以看出,随着周期的增加,系缆张力呈典型的小周期波频响应、大周期慢漂响应的特征,呈现先增大后减小再增大的变化趋势。对比图8(a)和图8(b),在波频响应阶段,随着水深的增大,前缆和后缆的系缆张力都呈先减小后增大的变化趋势,前缆RAO的最大幅值出现在0.3 m水深,后缆RAO的最大幅值出现在0.5 m水深。原因是在波频响应阶段,共振特性为控制性指标,波浪首先作用于1#和2#筒,水深越浅,浅水效应越明显,前缆系缆张力变幅越大;同时,由于前缆和后缆张力共同约束气浮多筒型基础,前缆张力变化最大时,后缆张力变化最小,由此导致水深越深,后缆张力变幅越大。在慢漂响应阶段,随着水深的增加,前缆和后缆的系缆张力呈减小的趋势。原因是在慢漂响应阶段,水深的增加,系泊缆长度增加降低了系统的整体刚度,结构的平面运动幅度增大,结构漂移运动增加,波浪作用的能量被缓冲而降低了系缆张力幅值的变化;进一步的,浅水效应减弱,使得结构的摇摆运动减小,进一步降低了系缆张力幅值的变化。

2.1.2 吃水影响

如图9所示为考虑吃水影响的气浮多筒型基础系缆张力RAO的变化曲线图。

从图9可以看出,系缆张力随着周期的增加呈先增大后减小再增大的趋势。对比图9(a)和图9(b),在波频响应阶段,随着吃水的增加,前缆和后缆的系缆张力都呈先增大后减小的趋势。产生系缆张力RAO最大幅值的周期呈减小的趋势。原因是在相同的水深下,吃水的调整是通过调整系缆的长度控制的,吃水越大,系泊系统的整体刚度越大,共振周期越小。而在慢漂响应阶段,前缆系缆张力呈先增大后减小的趋势,后缆系缆张力呈增大的趋势;后缆RAO幅值变化明显大于前缆。原因是在波浪稳定作用阶段,波浪稳定作用于1#和2#筒,而后作用于3#和4#筒,随着吃水深度的增加,作用在结构上的纵荡波浪力和纵摇力矩呈增大的趋势,1#和2#筒相比3#和4#筒的摇摆运动变小,从而导致前缆系缆张力幅值变化小于后缆。

2.1.3 锚固距离的影响

如图10所示为考虑锚固距离影响的气浮多筒型基础系缆张力的RAO变化曲线图。

从图10可以看出,在不同的锚固距离下,系缆张力随着周期的增加呈先增大后减小再增大的趋势。对比图10(a)和图10(b),在波频响应阶段,随着锚固距离的增加,前缆系缆张力呈增大的趋势,而后缆系缆张力呈减小的趋势,前缆和后缆系缆张力的变化呈现相反趋势。原因是在相同的水深和吃水下,随着锚固距离的增加,系泊缆张开的角度增大,气浮多筒型基础的摇摆刚度变小,在相同的波浪作用力作用下的摇摆运动变大,从而导致前缆和后缆的系缆张力变化趋势相反。而在慢漂响应阶段,前缆系缆张力呈先增大后减小的趋势,后缆系缆张力呈增大的趋势,同样是由于相同波浪力作用下摇摆运动变大引起。

2.2 气垫压力的影响因素分析

2.2.1 水深的影响

如图11所示为考虑水深影响的气浮多筒型基础气垫压力的RAO变化曲线图。

从图11可以看出,在不同的水深下,筒内气垫压力随着周期的增加呈先增大后减小再增大的趋势。对比图11(a)和图11(b),随着水深的增加,前筒气垫压力RAO呈先减小后增大的趋势,后筒气垫压力RAO呈增大的趋势,前筒气垫压力振荡比后筒气垫压力振荡趋势明显。原因是随着水深的增加,系泊缆张开的角度减小,作用在气浮多筒型基础的竖向作用力变大,筒内气垫压力变大,气垫排水高度变大,气浮多筒型基础的垂荡刚度变小,相同的垂荡波浪力下结构的垂向运动增大,由此导致水深越大,排水高度变化越大,筒内气垫压力幅值变化越大。

2.2.2 吃水的影响

如图12为考虑吃水影响的气浮多筒型基础气垫压力的RAO变化图。

从图12可以看出,在不同的吃水下,筒内气垫压力随着周期的增加呈先增大后减小再增大的趋势。对比图12(a)和图12(b),前筒和后筒气垫压力RAO随着吃水的增加呈减小的趋势。原因是随着吃水的增加,系泊缆的预张力越大,系泊系统的整体刚度越大,导致波浪力作用下系泊系统的运动响应变小。虽然预张力增大降低了气浮多筒型基础的垂荡刚度,但由于运动响应变小,从而引起气垫压力RAO随吃水增加而变小。

2.2.3 锚固距离的影响

如图13所示为考虑锚固距离影响的气浮多筒型基础气垫压力的RAO变化曲线图。

从图13可以看出,前筒与后筒在不同锚固距离条件下的气垫压力RAO呈先增大后减小再增大的趋势。对比图13(a)和图13(b),随着锚固距离的增加,前筒和后筒气垫压力RAO呈增加的趋势,前筒波频响应显著,后筒慢漂响应显著,后筒增大的趋势明显大于前筒。原因是,随着锚固距离的增加,结构的摇摆运动变大,在相同的摇摆角度下,前筒前倾或后仰的变化幅度小于后筒的变化幅度,由此引起后筒内气垫高度变化大于前筒气垫高度变化,从而导致后筒气垫压力RAO的变化大于前筒。

3 结论

针对深远海开发的张紧式系泊气浮多筒型基础受力机理不明的问题,通过模型试验研究了水深、吃水以及锚固距离等因素对基础系缆张力和筒内气垫压力的影响,初步评估了该基础在系泊状态下的RAO变化规律,得到如下结论。

(1)随着周期的增加,系缆张力和筒内气垫压力呈典型的小周期波频响应、大周期慢漂响应的特征,呈现先增大后减小再增大的变化趋势。

(2)在波频响应阶段,水深、吃水变化下,前缆和后缆系缆张力变化趋势相同,而锚固距离变化下其变化趋势相反。

(3)在慢漂响应阶段,随着水深的增加,前缆和后缆的系缆张力呈减小的趋势;而随着吃水、锚固距离的增加,前缆系缆张力呈先增大后减小的趋势,后缆系缆张力呈增大的趋势。

(4)水深和锚固距离增加,后筒气垫压力呈增大的趋势;吃水增加,后筒气垫压力呈减小趋势。

(5)文中只进行了小比尺缩尺试验,未考虑大气压力不变的影响,进一步需要开展缩尺效应对结构受力的修正研究。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Published	Revised
2025-05-11	2026-04-18	2025-11-19
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