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(1.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，長沙 410014;2.大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

風能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，利用風力發(fā)電已經成為當今世界最主要的可再生能源技術之一。由于陸地上可開發(fā)的風資源越來越少，全球風電場建設已出現從陸地向近海發(fā)展的趨勢。進行海上風電開發(fā)首先需要收集近海區(qū)域海洋水文參數及風參數的數據。獲得這些數據的最直接、有效的方法就是建立海上測風塔。目前我國已建成的海上測風塔很少，可供借鑒參考的資料更少。本文針對三樁鋼質平臺海上測風塔基礎結構設計情況進行總結分析，為海上測風塔基礎設計提供參考。

1 環(huán)境荷載參數及荷載組合

1.1 環(huán)境荷載參數

在海上測風塔設計過程中考慮的荷載主要包括基礎自重，上部塔架荷載、波浪力、水流力、風荷載、冰荷載和地震力等[1]。本文對塔架荷載的考慮主要為上部塔架承受風荷載作用及其自重傳遞至塔架與基礎連接的法蘭部位的荷載。對于波浪力，本文對已收集到的測風塔海域的水文參數進行分析，分別計算波浪從0°、90°和270°入射時測風塔基礎的穩(wěn)定性及強度。擬建測風塔海域水位及波浪要素見表1。

假定海流流速為1.14 m/s。對于冰荷載，根據《中國海海冰條件及應用規(guī)定》[2]，取擬建測風塔海域調查統(tǒng)計單層冰最大厚度35 cm，單軸無側限極限抗壓強度按50年一遇，取1.99 MPa。對于地震荷載，本文計算過程中按APIB譜計算，地面運動水平加速度取0.15g。考慮海生物附著影響，平均海平面以下的構件考慮10 cm厚的海生物附著。本文在計算工程中，各荷載組合風、浪、流均為同向。

表1 測風塔海域水位及波浪要素

1.2 荷載組合

對出現在測風塔上的荷載作用，應考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，并結合相應的設計工況進行作用效應組合。風、波浪力、水流力和海冰荷載作為海洋工程中的經常作用力，設計將之納入基本可變荷載而非其它可變荷載參加荷載組合，荷載組合中考慮可能出現的不利水位和波浪、水流及風的作用方向。因為測風塔海域的海浪主要是風浪，本文假定風荷載和波浪荷載方向一致，而風浪方向有可能和海流方向重疊，由于鐵塔荷載除了豎向力之外，絕大部分由風產生，所以本文計算中可變荷載的作用方向全部考慮為同一方向，即波流力荷載、鐵塔荷載水平力和彎矩、測風塔基礎所受風荷載作用方向相同。具體組合見表2。

2 荷載計算

2.1 塔架荷載

在對測風塔基礎結構進行分析時，所考慮的塔架荷載為上部結構承受風荷載作用傳遞至塔架底部的荷載，該部分荷載由塔架設計人員提供。

表2 荷載組合原則

2.2 風荷載

根據收集到的擬建測風塔區(qū)域的氣象資料，測風塔所在位置海邊風速(陸地)10 m高度處的50年一遇最大風速v=30.98 m/s。由

(1)

得W0=0.6 kN/m2。

根據《港口工程荷載規(guī)范》[3]，高度系數μz取1.38，根據《高聳結構設計規(guī)范》[4]，體型系數μs取0.9。垂直作用于測風塔基礎表面單位面積上的風荷載標準值Wk按下式計算。

Wk=μsμzW0

(2)

可得Wk=0.75 kN/m2。

2.3 波浪荷載

作用在構件上的波浪力采用Morison公式計算。水質點的速度和加速度采用流函數理論計算。對于圓柱體構件，阻力系數Cd和慣性力系數Cm取值一般情況下Cd取0.7，Cm取2.0。波浪力的計算公式如下。

(3)

式中：F——垂直構件軸線方向上的單位長度的水動力矢量；

FD——垂直構件軸線方向上的，在構件軸線和u平面內的單位長度上的阻力矢量；

FI——垂直構件軸線方向上的，在構件軸線和du/dt平面內的單位長度上的慣性力矢量；

CD——阻力系數；

Cm——慣性力系數；

ω——水的重度；

g——重力加速度；

D——構件的直徑(包括海生物附生)；

u——垂直構件軸線的水質點的速度分矢量；

du/dt——垂直構件軸線的水質點的加速度分矢量。

2.4 流荷載

當流單獨作用時,其作用在構件上的流荷載采用《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法——工作應力設計法》[5]中的計算公式

F=0.5CS·A·v2·ω/g

(4)

式中：F——作用于結構構件上的流荷載；

Cs——阻力系數；

A——結構構件投影面積；

v——流速。

2.5 冰荷載

根據《中國海海冰條件及應用規(guī)定》

p=mK1K2Rcbh

(5)

式中：m——樁柱形狀系數，對半圓形截面取0.9，三角形時可查表確定；

K1——局部擠壓系數，取值在2.0～3.0之間；

K2——接觸系數，與冰的硬度、結構物迎冰面的平整度有關，建議取值0.45；

Rc——冰的抗壓極限強度；

b——樁柱寬度或直徑；

h——冰層厚度。

3 數值計算

3.1 數值模型

采用ANSYS有限元軟件對測風塔基礎結構受力、變形及地基土的屈服特性進行詳細計算分析。采用ANSYS中的Pipe59單元模擬基礎泥面以上的樁結構，泥面以下的鋼管采用Pipe16單元模擬。根據《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦方法——工作應力設計法》中P-Y曲線法建立測風塔基礎結構的樁-土相互作用模型，鋼管樁與土層之間作用由三維彈簧單元Combine39模擬。本測風塔基礎采用三樁鋼平臺結構基礎，采用6∶1的斜樁，樁頂面高程為9.3 m，鋼管樁直徑1.2 m，樁長68 m。樁頂之間的間距由上部塔架結構尺寸決定，本測風塔樁頂成邊長為9 m的正三角形布置。上水平連接桿單根長8.69 m，重1.16 t，下水平連接桿單根長10.59 m，重1.4 t，單根長11.35 m，樁與撐桿以及撐桿與撐桿之間采用高強度焊縫連接。測風塔基礎數值模型見圖1。

圖1 測風塔基礎數值模型

圖2為風、浪、流入射方向。本數值模型的坐標按圖2所示布置X-Y平面坐標，Z坐標以向上方向為正。

圖2 風、浪、流入射方向

3.2 整體強度及穩(wěn)定性分析

分別計算各工況下測風塔基礎樁的拔力、樁的壓力、von Mises等效應力以及樁的最大豎向位移和傾斜率。根據《港口工程樁基規(guī)范》[6]，對豎向位移和傾斜率的計算僅考慮正常使用狀態(tài)。計算結果見表3。

表3 測風塔基礎數值計算結果

由表3見，本測風塔屬于抗拔控制，樁的拔力極值出現在極端高水位風、浪、流270°入射時，此時僅1JHJ樁抗拔，樁的拔力達到極值。風、流以及冰荷載90°方向入射時，1JHJ樁單樁抗壓，此時，樁的壓力達到極值。樁的拔力和壓力控制要求根據《港口工程樁基規(guī)范》(JTJ 254-1998)計算得到，式(7)和(8)分別為單樁垂直極限承載力計算公式和單樁抗拔極限承載力計算公式。本測風塔樁的抗拔及抗壓均滿足要求。本測風塔基礎von Mises等效應力極值出現在風、流和冰荷載90°入射正常使用工況時，其最大值滿足《鋼結構設計規(guī)范》[7]中的控制要求。本測風塔結構在《高聳結構設計規(guī)范》中安全等級為二級，基礎的最大豎向位移和傾斜率均滿足《高聳結構設計規(guī)范》設計要求。從計算結果中可以看出，測風塔的穩(wěn)定性為抗拔控制，其極值出現在極限工況下極端高水位，而冰荷載對測風塔基礎的應力和傾斜率起控制作用。因此在需考慮冰荷載海域進行測風塔設計時，應對該海域海冰抗壓極限強度以及冰層厚度進行重點復核。

(6)

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設計值；

γR——單樁垂直承載力分項系數；

U——樁身截面周長；

q∏——第i層土的極限側摩阻力標準值，kPa；

li——樁身穿過第i層土的長度；

qR——單樁極限樁端阻力標準值，kPa。

(7)

式中：Td——單樁抗拔極限承載力設計值；

γR——單樁抗拔承載力分項系數；

ξi——折減系數；

G——樁重力，水下部分按浮重力計；

α——樁軸線與垂線夾角。

4 測風塔基礎撐桿選型

撐桿是測風塔基礎的重要組成部分，其尺寸的確定需綜合考慮鋼管尺寸規(guī)格以及撐桿尺寸對波流力產生的影響。根據常規(guī)無縫鋼管直徑尺寸，比選不同直徑撐桿對測風塔基礎所受波流力產生的影響，對比分析測風塔基礎樁的拔力、樁的壓力、以及撐桿銜接處的焊縫應力。計算結果見表4。

表4 不同直徑撐桿測風塔基礎計算結果

對于焊縫應力的計算，根據《鋼結構設計規(guī)范》，角焊縫在各種力綜合作用下，正應力σf和剪應力τf共同作用處，應滿足下式要求。

(8)

當彎矩作用在平面內的拉彎焊縫和壓彎焊縫，其強度按下式計算。

(9)

當彎矩作用在平面內的直剪焊縫和扭剪焊縫，其強度按下式計算。

(10)

式中：N——計算截面的軸向力；

M——計算截面的彎矩；

WZ——計算截面分別繞x軸和y軸的彎矩截面系數；

Q——計算截面的剪力；

T——計算截面的轉矩；

WP——截面的抗扭截面模量；

D——圓管計算截面直徑；

t——圓管計算截面壁厚；

σf——計算截面最大正應力；

τ——計算截面最大剪應力。

由表4可見，隨著撐桿直徑的增大，測風塔基礎樁基所受的拔力、壓力和von Mises等效應力都相應增大。這是因為撐桿直徑增大，測風塔基礎所受的波浪力和水流力也會增大，從而導致樁基所受的拔力、壓力和von Mises等效應力相應增大。撐桿焊縫應力一方面會隨著撐桿所受的軸力、彎矩及轉矩變大而增大；另一方面由于撐桿直徑的增大焊縫的彎矩截面系數和截面抗扭截面模量也會增大，從而導致焊縫應力的減少。隨著撐桿直徑的增大焊縫應力極值逐漸減少，當撐桿直徑達到508 mm時，焊縫應力極值基本不變。在測風塔基礎設計過程中須綜合考慮不同直徑撐桿下樁的拔力、von Mises等效應力及焊縫應力極值，本測風塔設計選用撐桿直徑為508 mm。

5 柱腳型式對比分析

柱腳是連接測風塔基礎與塔架底端法蘭的重要構件。目前測風塔基礎采用的柱腳型式主要有兩種，見圖3。

圖3 柱腳型式

a型柱腳其柱腳板位于樁內部，其優(yōu)點在于柱腳板與樁之間的焊縫連接為平焊，便于施工，容易保證焊縫質量；其缺點在于，焊縫的有效長度較短，且在實際工程中留給塔架法蘭可調節(jié)的空間較少。b型柱腳其柱腳板稍大于樁徑，外面布置一圈加強肋板。b型柱腳的優(yōu)點在于：樁外圍可以布置加強肋板，柱腳板的有效焊縫長度能得到很大的增加，柱腳板直徑較大從而留給塔架法蘭可調節(jié)的空間較大；其缺點在于柱腳板的焊縫為仰焊，焊接工藝要求較高。

采用Ansys軟件對比分析測風塔受壓及抗拔時兩種柱腳型式所受的應力。應力分布見圖4、5。

由圖4和圖5可見，a型柱腳受壓時結構最大應力為127 MPa,抗拔時為163 MPa；b型柱腳受壓時結構最大應力為91.5 MPa，抗拔時為117 MPa。b型柱腳在受壓和抗拔時最大應力均比a型柱腳小。這主要是因為b型柱腳比a型柱腳多出一圈加強肋板，樁與塔架法蘭的連接更加穩(wěn)定。

圖4 a型柱腳應力

圖5 b型柱腳應力

本測風塔基礎設計采用b型柱腳。

6 結論

1)鋼質平臺海上測風塔為抗拔控制。冰荷載是測風塔基礎設計工程中需考慮的重要荷載，對于需考慮冰荷載的測風塔工程，須詳細調查項目所在海域的冰情，選擇合適的冰荷載參數進行計算。

2)測風塔基礎撐桿直徑的選擇需綜合考慮撐桿對波流力以及焊縫應力的影響，在滿足測風塔基礎整體穩(wěn)定性的前提下，選擇焊縫應力較小的直徑。

3)b型柱腳由于可以增加加強肋板，比a型肋板具有更長的有效焊縫長度，其結構穩(wěn)定性比a型柱腳更加可靠，建議鋼質平臺海上測風塔基礎采用b型柱腳。

[1] 陳營營,黃 一,李紅霞,等.自升式鉆井平臺風暴自存狀態(tài)性能分析研究[J].船海工程,2011(6):142-145.

[2] 中國海洋石油總公司.Q/HSn中國海海冰條件及應用規(guī)定[S].北京：人民交通出版社，2002.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.JTS144-1-2010港口工程荷載規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50135高聳結構設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[5] 國家發(fā)展改革委員會.海土固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法——工作應力設計法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[6] 中華人民共和國交通部，JTS167-4-2012港口工程樁基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[7] 中華人民共和國建設部，中華人民共國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，鋼結構設計規(guī)范[S].2003.