，， ，

(1.中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)沙 410014;2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，利用風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)今世界最主要的可再生能源技術(shù)之一。由于陸地上可開發(fā)的風(fēng)資源越來越少，全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢(shì)。進(jìn)行海上風(fēng)電開發(fā)首先需要收集近海區(qū)域海洋水文參數(shù)及風(fēng)參數(shù)的數(shù)據(jù)。獲得這些數(shù)據(jù)的最直接、有效的方法就是建立海上測(cè)風(fēng)塔。目前我國(guó)已建成的海上測(cè)風(fēng)塔很少，可供借鑒參考的資料更少。本文針對(duì)三樁鋼質(zhì)平臺(tái)海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行總結(jié)分析，為海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 環(huán)境荷載參數(shù)及荷載組合

1.1 環(huán)境荷載參數(shù)

在海上測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)過程中考慮的荷載主要包括基礎(chǔ)自重，上部塔架荷載、波浪力、水流力、風(fēng)荷載、冰荷載和地震力等[1]。本文對(duì)塔架荷載的考慮主要為上部塔架承受風(fēng)荷載作用及其自重傳遞至塔架與基礎(chǔ)連接的法蘭部位的荷載。對(duì)于波浪力，本文對(duì)已收集到的測(cè)風(fēng)塔海域的水文參數(shù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算波浪從0°、90°和270°入射時(shí)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度。擬建測(cè)風(fēng)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(duì)于冰荷載，根據(jù)《中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》[2]，取擬建測(cè)風(fēng)塔海域調(diào)查統(tǒng)計(jì)單層冰最大厚度35 cm，單軸無側(cè)限極限抗壓強(qiáng)度按50年一遇，取1.99 MPa。對(duì)于地震荷載，本文計(jì)算過程中按APIB譜計(jì)算，地面運(yùn)動(dòng)水平加速度取0.15g?？紤]海生物附著影響，平均海平面以下的構(gòu)件考慮10 cm厚的海生物附著。本文在計(jì)算工程中，各荷載組合風(fēng)、浪、流均為同向。

表1 測(cè)風(fēng)塔海域水位及波浪要素

1.2 荷載組合

對(duì)出現(xiàn)在測(cè)風(fēng)塔上的荷載作用，應(yīng)考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，并結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行作用效應(yīng)組合。風(fēng)、波浪力、水流力和海冰荷載作為海洋工程中的經(jīng)常作用力，設(shè)計(jì)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(xiàn)的不利水位和波浪、水流及風(fēng)的作用方向。因?yàn)闇y(cè)風(fēng)塔海域的海浪主要是風(fēng)浪，本文假定風(fēng)荷載和波浪荷載方向一致，而風(fēng)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(fēng)產(chǎn)生，所以本文計(jì)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(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)所受風(fēng)荷載作用方向相同。具體組合見表2。

2 荷載計(jì)算

2.1 塔架荷載

在對(duì)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，所考慮的塔架荷載為上部結(jié)構(gòu)承受風(fēng)荷載作用傳遞至塔架底部的荷載，該部分荷載由塔架設(shè)計(jì)人員提供。

表2 荷載組合原則

2.2 風(fēng)荷載

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

(1)

得W0=0.6 kN/m2。

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[3]，高度系數(shù)μz取1.38，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，體型系數(shù)μs取0.9。垂直作用于測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk按下式計(jì)算。

Wk=μsμzW0

(2)

可得Wk=0.75 kN/m2。

2.3 波浪荷載

作用在構(gòu)件上的波浪力采用Morison公式計(jì)算。水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度采用流函數(shù)理論計(jì)算。對(duì)于圓柱體構(gòu)件，阻力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)Cm取值一般情況下Cd取0.7，Cm取2.0。波浪力的計(jì)算公式如下。

(3)

式中：F——垂直構(gòu)件軸線方向上的單位長(zhǎng)度的水動(dòng)力矢量；

FD——垂直構(gòu)件軸線方向上的，在構(gòu)件軸線和u平面內(nèi)的單位長(zhǎng)度上的阻力矢量；

FI——垂直構(gòu)件軸線方向上的，在構(gòu)件軸線和du/dt平面內(nèi)的單位長(zhǎng)度上的慣性力矢量；

CD——阻力系數(shù)；

Cm——慣性力系數(shù)；

ω——水的重度；

g——重力加速度；

D——構(gòu)件的直徑(包括海生物附生)；

u——垂直構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)的速度分矢量；

du/dt——垂直構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)的加速度分矢量。

2.4 流荷載

當(dāng)流單獨(dú)作用時(shí),其作用在構(gòu)件上的流荷載采用《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》[5]中的計(jì)算公式

F=0.5CS·A·v2·ω/g

(4)

式中：F——作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的流荷載；

Cs——阻力系數(shù)；

A——結(jié)構(gòu)構(gòu)件投影面積；

v——流速。

2.5 冰荷載

根據(jù)《中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》

p=mK1K2Rcbh

(5)

式中：m——樁柱形狀系數(shù)，對(duì)半圓形截面取0.9，三角形時(shí)可查表確定；

K1——局部擠壓系數(shù)，取值在2.0～3.0之間；

K2——接觸系數(shù)，與冰的硬度、結(jié)構(gòu)物迎冰面的平整度有關(guān)，建議取值0.45；

Rc——冰的抗壓極限強(qiáng)度；

b——樁柱寬度或直徑；

h——冰層厚度。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 數(shù)值模型

采用ANSYS有限元軟件對(duì)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力、變形及地基土的屈服特性進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。采用ANSYS中的Pipe59單元模擬基礎(chǔ)泥面以上的樁結(jié)構(gòu)，泥面以下的鋼管采用Pipe16單元模擬。根據(jù)《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦方法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》中P-Y曲線法建立測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)采用三樁鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，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(zhǎng)68 m。樁頂之間的間距由上部塔架結(jié)構(gòu)尺寸決定，本測(cè)風(fēng)塔樁頂成邊長(zhǎng)為9 m的正三角形布置。上水平連接桿單根長(zhǎng)8.69 m，重1.16 t，下水平連接桿單根長(zhǎng)10.59 m，重1.4 t，單根長(zhǎng)11.35 m，樁與撐桿以及撐桿與撐桿之間采用高強(qiáng)度焊縫連接。測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)數(shù)值模型見圖1。

圖1 測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)數(shù)值模型

圖2為風(fēng)、浪、流入射方向。本數(shù)值模型的坐標(biāo)按圖2所示布置X-Y平面坐標(biāo)，Z坐標(biāo)以向上方向?yàn)檎?/p>

圖2 風(fēng)、浪、流入射方向

3.2 整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

分別計(jì)算各工況下測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)樁的拔力、樁的壓力、von Mises等效應(yīng)力以及樁的最大豎向位移和傾斜率。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[6]，對(duì)豎向位移和傾斜率的計(jì)算僅考慮正常使用狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由表3見，本測(cè)風(fēng)塔屬于抗拔控制，樁的拔力極值出現(xiàn)在極端高水位風(fēng)、浪、流270°入射時(shí)，此時(shí)僅1JHJ樁抗拔，樁的拔力達(dá)到極值。風(fēng)、流以及冰荷載90°方向入射時(shí)，1JHJ樁單樁抗壓，此時(shí)，樁的壓力達(dá)到極值。樁的拔力和壓力控制要求根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTJ 254-1998)計(jì)算得到，式(7)和(8)分別為單樁垂直極限承載力計(jì)算公式和單樁抗拔極限承載力計(jì)算公式。本測(cè)風(fēng)塔樁的抗拔及抗壓均滿足要求。本測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)von Mises等效應(yīng)力極值出現(xiàn)在風(fēng)、流和冰荷載90°入射正常使用工況時(shí)，其最大值滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中的控制要求。本測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)在《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中安全等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)的最大豎向位移和傾斜率均滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)要求。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，測(cè)風(fēng)塔的穩(wěn)定性為抗拔控制，其極值出現(xiàn)在極限工況下極端高水位，而冰荷載對(duì)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)的應(yīng)力和傾斜率起控制作用。因此在需考慮冰荷載海域進(jìn)行測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)該海域海冰抗壓極限強(qiáng)度以及冰層厚度進(jìn)行重點(diǎn)復(fù)核。

(6)

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值；

γR——單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)；

U——樁身截面周長(zhǎng)；

q∏——第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

li——樁身穿過第i層土的長(zhǎng)度；

qR——單樁極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

(7)

式中：Td——單樁抗拔極限承載力設(shè)計(jì)值；

γR——單樁抗拔承載力分項(xiàng)系數(shù)；

ξi——折減系數(shù)；

G——樁重力，水下部分按浮重力計(jì)；

α——樁軸線與垂線夾角。

4 測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)撐桿選型

撐桿是測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)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(duì)波流力產(chǎn)生的影響。根據(jù)常規(guī)無縫鋼管直徑尺寸，比選不同直徑撐桿對(duì)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)所受波流力產(chǎn)生的影響，對(duì)比分析測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)樁的拔力、樁的壓力、以及撐桿銜接處的焊縫應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同直徑撐桿測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果

對(duì)于焊縫應(yīng)力的計(jì)算，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，角焊縫在各種力綜合作用下，正應(yīng)力σf和剪應(yīng)力τf共同作用處，應(yīng)滿足下式要求。

(8)

當(dāng)彎矩作用在平面內(nèi)的拉彎焊縫和壓彎焊縫，其強(qiáng)度按下式計(jì)算。

(9)

當(dāng)彎矩作用在平面內(nèi)的直剪焊縫和扭剪焊縫，其強(qiáng)度按下式計(jì)算。

(10)

式中：N——計(jì)算截面的軸向力；

M——計(jì)算截面的彎矩；

WZ——計(jì)算截面分別繞x軸和y軸的彎矩截面系數(shù)；

Q——計(jì)算截面的剪力；

T——計(jì)算截面的轉(zhuǎn)矩；

WP——截面的抗扭截面模量；

D——圓管計(jì)算截面直徑；

t——圓管計(jì)算截面壁厚；

σf——計(jì)算截面最大正應(yīng)力；

τ——計(jì)算截面最大剪應(yīng)力。

由表4可見，隨著撐桿直徑的增大，測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)樁基所受的拔力、壓力和von Mises等效應(yīng)力都相應(yīng)增大。這是因?yàn)閾螚U直徑增大，測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)所受的波浪力和水流力也會(huì)增大，從而導(dǎo)致樁基所受的拔力、壓力和von Mises等效應(yīng)力相應(yīng)增大。撐桿焊縫應(yīng)力一方面會(huì)隨著撐桿所受的軸力、彎矩及轉(zhuǎn)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(shù)和截面抗扭截面模量也會(huì)增大，從而導(dǎo)致焊縫應(yīng)力的減少。隨著撐桿直徑的增大焊縫應(yīng)力極值逐漸減少，當(dāng)撐桿直徑達(dá)到508 mm時(shí)，焊縫應(yīng)力極值基本不變。在測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中須綜合考慮不同直徑撐桿下樁的拔力、von Mises等效應(yīng)力及焊縫應(yīng)力極值，本測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)選用撐桿直徑為508 mm。

5 柱腳型式對(duì)比分析

柱腳是連接測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)與塔架底端法蘭的重要構(gòu)件。目前測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)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(nèi)部，其優(yōu)點(diǎn)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(zhì)量；其缺點(diǎn)在于，焊縫的有效長(zhǎng)度較短，且在實(shí)際工程中留給塔架法蘭可調(diào)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(qiáng)肋板。b型柱腳的優(yōu)點(diǎn)在于：樁外圍可以布置加強(qiáng)肋板，柱腳板的有效焊縫長(zhǎng)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(diào)節(jié)的空間較大；其缺點(diǎn)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(duì)比分析測(cè)風(fēng)塔受壓及抗拔時(shí)兩種柱腳型式所受的應(yīng)力。應(yīng)力分布見圖4、5。

由圖4和圖5可見，a型柱腳受壓時(shí)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為127 MPa,抗拔時(shí)為163 MPa；b型柱腳受壓時(shí)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為91.5 MPa，抗拔時(shí)為117 MPa。b型柱腳在受壓和抗拔時(shí)最大應(yīng)力均比a型柱腳小。這主要是因?yàn)閎型柱腳比a型柱腳多出一圈加強(qiáng)肋板，樁與塔架法蘭的連接更加穩(wěn)定。

圖4 a型柱腳應(yīng)力

圖5 b型柱腳應(yīng)力

本測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用b型柱腳。

6 結(jié)論

1)鋼質(zhì)平臺(tái)海上測(cè)風(fēng)塔為抗拔控制。冰荷載是測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程中需考慮的重要荷載，對(duì)于需考慮冰荷載的測(cè)風(fēng)塔工程，須詳細(xì)調(diào)查項(xiàng)目所在海域的冰情，選擇合適的冰荷載參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)撐桿直徑的選擇需綜合考慮撐桿對(duì)波流力以及焊縫應(yīng)力的影響，在滿足測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性的前提下，選擇焊縫應(yīng)力較小的直徑。

3)b型柱腳由于可以增加加強(qiáng)肋板，比a型肋板具有更長(zhǎng)的有效焊縫長(zhǎng)度，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比a型柱腳更加可靠，建議鋼質(zhì)平臺(tái)海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)采用b型柱腳。

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

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

[3] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)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(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50135高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

[5] 國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì).海土固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[6] 中華人民共和國(guó)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(guó)建設(shè)部，中華人民共國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2003.