基于FRP增强UHPC结构的漂浮式风电基础研究取得重要进展
基于FRP增强UHPC结构的漂浮式风电基础研究取得重要进展
随着国家“双碳”及“海洋强国”政策的实施，加快风电这种清洁可再生能源的建设迫在眉睫。漂浮式风电作为风资源开发由陆地走向深远海的关键技术，其基础结构的创新和优化成为研究热点。华南理工大学船舶与海洋工程系主任樊天慧教授团队与澳大利亚南澳大学曾俊杰教授团队合作，率先提出使用纤维增强聚合物（FRP）增强超高性能混凝土（UHPC）结构（FRU）替代传统钢结构建造海上漂浮风电（OFWT）基础。
图1 图文摘要
FRU材料的耐久性研究
FRU复合材料的耐久性至关重要。研究团队开展了基于人工海水加速暴露老化FRU板材的测试。对暴露与未暴露的FRU哑铃形状板材进行了单轴拉伸试验，以评估它们的拉伸性能。关键参数包括短纤维的类型（钢纤维、聚乙烯纤维）、FRP格栅层数以及老化时间（0、3个月、6个月、9个月和12个月）。
研究表明，海水暴露没有改变试样在拉伸下的破坏模式。聚乙烯纤维一般表现出拔出和断裂破坏，而钢纤维主要发生拔出破坏。FRP增强提高了FRU的开裂应力。FRU板的应力-应变曲线呈现出两段行为。此外，在UHPC板和FRU板的拉伸应力-应变曲线中观察到由于水泥基质和短纤维之间的滑移导致轻微的载荷波动。
图2显示了海水加速暴露对FRU拉伸行为的影响不显著，但在海水中加速老化12个月后，UHPC样品的峰值应力和极限拉伸强度明显下降，这证实了在UHPC板中使用FRP增强材料可以显著提升UHPC耐腐蚀性。
图2 F-S13-1和P18-1中的典型失效模式和微观断裂面
FRU结构的力学性能
研究团队综述了FRU箱式空心梁的剪切性能及空心柱的受压性能。在此基础上，建立了确定FRU板和空心构件在各种载荷下强度计算理论。目前的研究表明，FRU构件具有卓越的力学性能。通过比较造价，表明FRU作为海洋基础设施材料较传统钢结构结构成本可降低约30%。
图3 FRU和UHPC复合材料的拉伸应力-应变曲线，FRU复合材料的典型拉伸应力应变曲线，以及FRU和UHPC板的应力变化与老化时间的关系
FRU浮动基础的水动力性能分析
研究团队介绍了FRU浮动基础的静水压稳定性分析与风机-基础一体化风浪流耦合分析。该基础由四个垂直浮筒组成，即三个侧浮筒和一个中心浮筒。水动力稳定性分析是在SESAM软件中使用GeniE模块进行的。本研究采用了势流模型，水深设置为50米，FRU复合材料的密度设置为2500千克/立方米。
稳性分析结果显示，FRU基础的重心比钢基础低1.7米。FRU基础的风倾角约比钢基础小20%左右。在风浪流荷载条件下耦合分析结果表明，钢基础和FRU基础的响应在正常波浪周期范围内比较接近。FRU基础的纵摇平均比钢基础小14%，表明FRU基础在不同工况条件下都具有更好的稳定性。减少纵荡和纵摇运动显著提高了发电效率，并减少与基础连接的系泊缆绳损坏。
图4 在工作和恶劣环境条件下，纵荡和纵摇的静水稳性分析结果和时程响应
总结与展望
FRU结构在海上平台领域展现出卓越的性能优势：耐腐蚀、力学性能优异、较低的建造及维护成本。进一步关于FRU施工、多场耦合的运动响应、结构疲劳分析、设计方法及健康监测的研究有待深入开展。以FRU结构替代传统钢结构的技术创新，将会为行业带来更多的机遇和发展空间，助力海洋工程结构迈向更加安全、高效和可持续的未来。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第2卷第2期以Article发表的"Offshore floating wind turbine foundation revolution enabled by fiber-reinforced polymer (FRP) reinforced cementitious materials" (投稿: 2023-09-22；接收: 2024-05-13；在线刊出: 2024-05-24)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100073
引用格式：Fan T., Zeng J., Su T., et al., (2024). Offshore floating wind turbine foundation revolution enabled by fiber-reinforced polymer (FRP) reinforced cementitious materials. The Innovation materials 2(2), 100073.
作者简介
樊天慧（第一作者），华南理工大学船舶与海洋工程系主任，兴华人才精英学者，教授，博导，广东省杰出青年基金获得者。主持国家自然科学基金2项，J委装备发展部HY行动创新成果转化项目，广东省杰青项目，广东省重点领域研发计划课题，广东省海洋经济发展重点项目课题等各级别项目29项，近五年主持总经费2500余万元。以第一/通讯作者发表期刊论文55篇，其中SCI期刊论文33篇，一区论文24篇，以第一发明人申请发明专利11件，已授权3件。在漂浮式风电系统装备性能分析方法、设计方法以及试验方法方向上的研究成果已经进行应用转化，三峡集团投资约3亿元，于2021年7月建成我国首台漂浮式风力发电系统装备“三峡引领号”。
曾俊杰（通讯作者），澳大利亚南澳大学高级讲师，博士生导师。澳大利亚研究基金委优秀青年学者(优青)、广东省杰出青年基金、“澳门青年学者”获得者。主持国家自然科学基金2项，澳大利亚研究基金委项目1项，广东省自然科学基金/科技计划5项。已在Engineering Structures等SCI期刊发表论文115篇（第一或通讯作者论文94篇），其中ESI热点论文2篇，高被引论文9篇。总引用3600余次，H因子38。发表EI中文核心期刊论文2篇，授权国家专利9项。连续多年入选斯坦福大学全球前2%学者榜单。复合材料顶刊Composite Structures编委。