本發(fā)明涉及一種破冰裝置。

背景技術：

隨著海上風能發(fā)電的高速發(fā)展，高緯度寒區(qū)海域以其風能密度大的特點受到了越來越多的關注。在國內(nèi)海上風電基礎結構設計中，高樁承臺結構具有成熟而完備的工程應用經(jīng)驗。為了便于船舶?？考叭藛T上下，通常將高樁承臺結構設置于水線面附近。這樣一來，當高樁承臺式風機基礎結構應用于寒區(qū)海域時，高樁承臺寬大的圓柱結構必然會遭受巨大的冰載荷作用，這將對海上風機基礎結構設計和風電場安全運營產(chǎn)生重要影響。此外，由于風電結構通常具有較大柔度的特點，其動冰載荷特性、冰激振動以及冰致結構疲勞累積損傷分析也是海上風電場設計中重點關注的問題，這些問題往往會直接影響到上部風機能否正常運轉(zhuǎn)，從而對發(fā)電效率產(chǎn)生影響。由此可見，在海上風機基礎結構設計中降低海冰對風機基礎結構的影響，直接關系到寒區(qū)海上風電場工程的安全和造價。

目前增強寒區(qū)高樁承臺式風機基礎的抗冰能力的方法主要是在高樁承臺潮差段安裝防冰型鋼。防冰型鋼在垂向上與高樁承臺軸線相平行，橫截面為梯形與矩形的組合體。防冰型鋼將冰排劈裂成塊，減小了與高樁承臺相作用的冰塊尺寸，進而達到降低冰載荷的效果。已有研究表明，防冰型鋼的安裝對冰載荷的縮減取得了一定的效果。然而，防冰型鋼設計并未從根本上改變冰排在高樁承臺前的大面積壓屈或擠壓的破壞模式，由于天然海冰的擠壓強度遠大于其彎曲強度，因此冰排發(fā)生擠壓或壓屈破壞所引發(fā)的冰載荷，也遠大于冰排彎曲破壞的冰載荷。冰排發(fā)生大面積的壓屈破壞時產(chǎn)生的碎冰尺寸較大，而防冰型鋼之間過小的間距將不利于碎冰塊的漂移和清除，從而易引發(fā)碎冰塊在高樁承臺下方的堵塞和堆積。因而，該增強方案沒有達到預期的效果。

基于上述原因，目前現(xiàn)有高樁承臺式風機基礎結構中所采用的防冰型鋼裝置并沒有對冰載荷起到有效的降低作用。渤海海域是我國唯一的寒區(qū)海域，其風力發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展已被列為今后五年我國海上風電產(chǎn)業(yè)的重點。因此，研發(fā)應用于寒區(qū)高樁承臺式風機基礎這種寬大型結構的新型破冰裝置有著十分重要的工程意義。

技術實現(xiàn)要素：

在綜合考慮經(jīng)濟性和抗冰效果的前提下，本發(fā)明提供一種適用于寒區(qū)海域高樁承臺式基礎結構的下壓式破冰刃。將數(shù)個此種下壓式破冰刃布置在寒區(qū)海域高樁承臺式基礎周圍，既即能達到降低冰載荷的目的，也可以在無冰期對波浪載荷起到一定的降低作用，且輕便靈巧，便于安裝拆卸。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：

一種下壓式破冰刃，包括長條形鋼板2、兩個支撐桿3和帶有豎板的連接板，連接板用于將所述的下壓式破冰刃和高樁承臺7相連，兩個支撐桿3平行固定在連接板4的豎板上，位于上部的支撐桿長于位于下部的支撐桿，長條形鋼板的長邊固定在兩個支撐桿3的端部，相對于豎板呈一定的傾斜角。

優(yōu)選地，長條形鋼板2的傾斜角取66°，其寬度取1.5倍的最大冰厚，截面呈刃狀，其厚度取0.1倍的最大冰厚。所述的連接板為倒“L”形連接板4；長條形鋼板2的長度L＝L₁+L₂+H/sinα，其中L₁為設計高水位到長條形鋼板2頂端的距離，L₁取1.5倍最大冰厚，L₂為設計低水位到長條形鋼板2底端的距離，L₂取6.4倍最大冰厚，α為長條形鋼板2的傾斜角，H為設計高水位到設計低水位的距離。

針對寒區(qū)海域高樁承臺式基礎的結構特點，在高樁承臺潮差段除靠船構件處均勻安裝一周本發(fā)明提供的下壓式破冰刃，這些下壓式破冰刃組成一個離散的倒錐體，引導冰排發(fā)生向下的彎曲破壞，達到了降低冰載荷的目的。本發(fā)明的實質(zhì)性特點是：(1)本發(fā)明中，下壓式的結構布置型式促使冰排發(fā)生彎曲破壞，對冰載荷與波浪載荷均形成了有效的縮減；(2)本發(fā)明中，破冰構件采用恰當?shù)慕孛娉叽纾率贡叛貥嫾蓚?cè)發(fā)生進一步的劈裂破壞，形成了“破冰刃”切割冰排的抗冰模式；(3)本發(fā)明中，破冰構件采用恰當?shù)难由扉L度，有效引導了碎冰塊的漂移，防止了碎冰在高樁承臺下方的堵塞與堆積；(4)本發(fā)明采用了方便靈巧的施工工藝，便于安裝拆卸。

依據(jù)本發(fā)明所構造的破冰裝置，經(jīng)室內(nèi)試驗證明，當寒區(qū)海域高樁承臺式風機基礎結構安裝了依據(jù)本發(fā)明設計的抗冰裝置后，將獲得以下性能提升：

1、下壓式破冰刃對冰載荷的縮減起到了十分顯著的效果，縮減比例可達80％以上；

2、破冰構件有效引導了碎冰塊的漂移，防止了碎冰在高樁承臺下方的堵塞與堆積；

3、下壓式破冰刃的使用不僅可有效降低冰載荷，還可對高樁承臺水平波浪載荷水平形成有效改善，載荷縮減水平可達15％以上。

附圖說明

圖1是本發(fā)明下壓式破冰刃與其相連接的高樁承臺的俯視圖。

圖2是本發(fā)明下壓式破冰刃與其相連接的高樁承臺的剖面圖。

圖中標號說明：1為靠船構件；2為長條形鋼板；3為支撐桿；4為倒“L”形連接板；5為定位銷；6為連接螺栓；7為高樁承臺。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行說明。參見圖1和圖2，本發(fā)明由長條形鋼板2、兩個支撐桿3、倒“L”形連接板4組成，其中長條形鋼板2與兩個支撐桿3構成了下壓式破冰刃的主體。下壓式布置的長條形鋼板2起到了類似倒錐的作用，引導冰排發(fā)生向下的彎曲破壞。支撐桿3對長條形鋼板2起到了支撐作用，倒“L”形連接板4將下壓式破冰刃與高樁承臺7相連接。

長條形鋼板2的長度L＝L₁+L₂+H/sinα，其中L₁為設計高水位到長條形鋼板2頂端的距離，經(jīng)驗證后L₁取1.5倍最大冰厚，L₂為設計低水位到長條形鋼板2底端的距離，經(jīng)驗證后L₂取6.4倍最大冰厚，α為長條形鋼板2的傾斜角，經(jīng)試驗驗證后選取66°，H為設計高水位到設計低水位的距離。長條形鋼板2寬度取1.5倍的最大冰厚，這樣的設計既保證了下壓式破冰刃對冰排有足夠的下壓作用，又使下壓式破冰刃間有足夠的間隙，防止碎冰堵塞。長條形鋼板2的厚度取0.1倍的最大冰厚，這使得長條形鋼板橫截面類似于刀刃，對冰排起到了劈裂的作用。

兩個支撐桿3截面為Φ300mm×30mm，長度分別為2076mm和1022mm。上支撐桿布置于設計高水位，下支撐桿布置于設計低水位。這樣的尺寸設計既使得與支撐桿3相連接的長條形鋼板2的傾斜角為66°，又使得長條形鋼板2的最大外伸長度略小于靠船構件1的外伸長度，保證維護船舶的正常?？?。倒“L”形連接板4截面尺寸為600mm×40mm，兩邊長分別為3712mm和2000mm。長條形鋼板2、支撐桿3、倒“L”形連接板4采用焊接的方式連接成一整體，倒“L”形連接板4與高樁承臺7通過連接螺栓6連接，將下壓式破冰刃固定在高樁承臺7上。螺栓連接前先通過位于倒“L”形連接板4較短端中心的定位銷5將倒“L”形連接板4與高樁承臺6定位固定，便于螺栓連接。下壓式破冰刃均勻布置于高樁承臺7潮差段除靠船構件1以外的區(qū)域，如圖1所示，下壓式破冰刃間的布置夾角為18°。

室內(nèi)模型試驗表明，下壓式破冰刃引導了冰排發(fā)生向下的彎曲破壞，且外伸的下壓式破冰刃能夠有效增大冰內(nèi)損傷場，使得冰排在到達高樁承臺7前便已具備較大損傷，從而將高樁承臺7所受冰載荷降到很低的水平。同時，下壓式破冰刃其下壓姿態(tài)對波浪的勢能增加起到了一定的抑制作用，使得波浪的局部勢能降低，這樣波浪傳遞到高樁承臺7上的勢能減小，波浪載荷降低。因此，本發(fā)明應用于寒區(qū)海域高樁承臺式風機基礎時既可以起到有效降低冰載荷的作用，又可以在無冰期降低波浪載荷，達到了很好的應用效果。