徐俊，徐鑫

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著化石能源的不斷枯竭，可再生能源的開發(fā)與利用已成為全世界關(guān)注的重點。在探索可再生能源的過程中，潮流能引起了廣泛的關(guān)注，水輪機等潮流能開發(fā)設備也取得了一系列成果。潮流能具有持續(xù)穩(wěn)定、清潔便利等特點，多分布在近海地區(qū)，水輪機產(chǎn)生的電能可以得到快速傳輸和利用。但是，劇烈的海流作用和復雜的地質(zhì)條件等因素都對潮流能開發(fā)提出了嚴峻的工程技術(shù)要求。

本文提出了一種鋼制潮流能發(fā)電平臺設計方法，同時滿足安全、使用和施工要求，利用建筑工程鋼結(jié)構(gòu)常用的3D3S 軟件，針對工程設計實例進行有限元分析計算，論證了該設計方法的可行與合理性，為類似工程設計提供了有價值的參考。

1 鋼平臺的設計思路及結(jié)構(gòu)形式

為追求高發(fā)電效率，潮流能開發(fā)場址通常位于流速較大的海域，但是這類海域條件對安裝水輪機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成巨大挑戰(zhàn)，即基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)必須在復雜地形、流速較大的環(huán)境條件下保證水輪機組的正常運行。鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕，跨度大，制作、安裝較為便捷等優(yōu)點[1-3]，廣泛應用于海洋資源開發(fā)，并可作為巖質(zhì)地基下嵌巖樁基礎(chǔ)的施工平臺。本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)特點和基礎(chǔ)嵌巖樁施工要求，提出了一種鋼結(jié)構(gòu)潮流能平臺設計方法。主體鋼結(jié)構(gòu)在陸域拼裝完成后，吊運至指定海域，結(jié)合嵌巖樁施工技術(shù)便可形成穩(wěn)固的潮流能發(fā)電平臺。

鋼制潮流能平臺上部采用雙層平行弦鋼框架結(jié)構(gòu)，主要由方形桿件和鋼套筒組成，分縱橫向布置，平臺整體模型如圖1 所示。橫向排架數(shù)由水輪機組數(shù)決定，橫向鋼框架之間通過2 組永久縱向鋼框架進行連接，其中橫向鋼框架沿水流方向布置；縱向鋼框架沿垂直水流方向布置，框架直腹桿和斜腹桿、上下弦桿和斜腹桿的夾角取40°～50°。

圖1 平臺整體示意圖Fig.1 Overall diagram of the platform

下部采用嵌巖樁鋼套筒，嵌巖樁鋼套筒用于后續(xù)嵌巖樁施工。每榀排架均布置相同數(shù)目的鋼套筒嵌巖樁，每榀排架中間為直樁，考慮抗傾覆和抗滑移設計，最外側(cè)2 根為斜樁。排架內(nèi)各樁套筒之間通過圓管撐桿連接，排架之間水下部分基本不設置桿件連接，以免影響水輪機組。為了避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大幅度扭轉(zhuǎn)變形，在橫向鋼架和縱向鋼架連接處設置斜向支撐，使局部形成穩(wěn)定的三角形穩(wěn)定節(jié)點，提高結(jié)構(gòu)整體的抗扭轉(zhuǎn)能力。

2 數(shù)值分析

2.1 設計資料

本文依托項目場址位于浙江省舟山市岱山縣秀山島附近海域，受周圍島嶼影響，漲潮落潮時該區(qū)域水流湍急，最大流速可達5 m/s 以上，是理想的海洋潮流能發(fā)電場所。

擬建的鋼框架平臺長40.8 m，寬26.6 m，為3 榀2 跨結(jié)構(gòu)，跨度均為17.7 m，2 層平行弦框架中心間距為2 m，主要構(gòu)件截面尺寸見表1。每榀排架均布置6 根φ1 300 mm 鋼套筒嵌巖樁，每榀排架中間4 根樁為直樁，最外側(cè)2 根為斜樁，斜度為5∶1，嵌巖段直徑1 150 mm，嵌巖深度進入中等風化巖6 m。整體鋼結(jié)構(gòu)采用Q345B 鋼，彈性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.3。嵌巖樁內(nèi)混凝土采用C35 混凝土。

表1 主要構(gòu)件截面特性Table 1 Section characteristics of main components

所在地區(qū)抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.10g。場址50 a 一遇設計波高2.97 m，波長138.64 m，周期10.29 s。水深最深處達25 m，海底地面為裸露巖石，陡度最陡處達30°。落潮流最大流速為5.82 m/s，與平臺最大夾角為6°，漲潮流最大流速為5.10 m/s，與平臺最大夾角為3°，平均流速為4 m/s，與平臺最大夾角為6°。

2.2 計算方法

本文采用3D3S 軟件建立了施工期和使用期2種三維框架模型（圖2），適當進行模型簡化并設置合理的載荷情況和約束條件。3D3S 軟件是基于桿系和板殼單元的三維結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，對于鋼結(jié)構(gòu)建模、計算效率高，后處理結(jié)果不僅包括結(jié)構(gòu)的應力和變形，還可以輸出GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》[4]規(guī)范的檢驗結(jié)果，常用于陸上建筑設計。該軟件可有效處理風載荷、雪載荷等建筑設計中的常用載荷，但不能通過波流參數(shù)施加相應載荷，因此需要通過相關(guān)規(guī)范計算出波流載荷，然后分別折算成節(jié)點力施加在結(jié)構(gòu)上。平臺的計算內(nèi)容包括構(gòu)件強度、穩(wěn)定性驗算以及變形或撓度計算、長細比驗算。

圖2 施工期結(jié)構(gòu)計算模型Fig.2 Structural calculation model in construction period

為準確反映結(jié)構(gòu)特點，鋼制平臺建模過程遵循以下原則：

1）桿件單元與單元之間的節(jié)點設為剛接，對于特殊說明的桿件，根據(jù)實際情況簡化處理。

2）施工期樁基礎(chǔ)設為鉸接約束，鉸接點為巖面以下2 m 處，使用期樁基礎(chǔ)設為固支約束，嵌固點設為巖面以下2 m 處。施工期臨時框架與橫向排架的連接設為鉸接。

3）局部加勁板不參與整體結(jié)構(gòu)計算。

4）采用鋼混組合截面模擬嵌巖樁基礎(chǔ)。

2.3 校核原則

在鋼結(jié)構(gòu)設計中，桿件首先需要滿足穩(wěn)定設計的構(gòu)造要求，其中的關(guān)鍵指標就是長細比?！朵摻Y(jié)構(gòu)設計標準》中規(guī)定，受壓構(gòu)件的長細比允許限值為150，受拉構(gòu)件的長細比允許限值為300。

在常規(guī)跨度的桁架設計中，桿件的強度計算應力比通?？刂圃?.9 以下[5]，但本平臺常年承受潮流往復作用，而且海上晝夜溫差較大，溫度應力等也會對平臺產(chǎn)生一定的影響。因此，本工程桿件的強度計算應力比控制標準為0.8。

2.4 施工期結(jié)構(gòu)分析

本工程施工期，包括嵌巖樁施工的計算載荷主要包括以下幾項：

1）恒載，結(jié)構(gòu)自重。

2）均布載荷，10 kN/m2（鋪在頂層框架上的鋼板載荷）。

3）施工載荷，80 t 履帶吊載荷（自重80 t，最大作業(yè)重量40 t），履帶吊載荷在3D3S 軟件計算中設為吊車載荷，吊車總重取120 t，沖擊系數(shù)取1.3，移動路徑可人為定義。

4）水流力，施工期水流速取平均流速，按照JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[6]和JTS 144-1—2010《港口工程載荷規(guī)范》[7]進行計算。

具體工況組合及載荷分項系數(shù)的選取見表2。位移計算結(jié)果包絡值見表3，強度和穩(wěn)定計算結(jié)果包絡值見表4，桿件應力比分布見圖3。

表2 施工期工況組合Table 2 Condition combination during construction period

表3 施工期工況位移結(jié)果包絡值Table 3 Envelope value of displacement results during construction period mm

表4 施工期工況強度和穩(wěn)定計算結(jié)果包絡值Table 4 Envelope value of strength and stability results during construction period

圖3 桿件應力比分布圖Fig.3 Distribution diagram of bar stress ratio

由以上分析結(jié)果可知，平臺在施工作業(yè)期間最大位移為22.09 mm，對應的節(jié)點位于3-3 排架角點；最大強度應力比為0.546，對應的桿件為3-3 排架外側(cè)一處斜向方形鋼梁；最大穩(wěn)定應力比為0.604，對應的桿件為臨時框架端部垂向方形鋼梁，抗剪應力比和長細比均滿足安全要求。通過上述分析計算，該結(jié)構(gòu)在施工期總體滿足安全和穩(wěn)定要求。

2.5 使用期結(jié)構(gòu)分析

嵌巖樁施工完成后，需要拆除臨時框架，截除超出頂層框架的樁套筒。安裝水輪機組和其他設施，平臺即可投入使用。本工程使用期主要外載荷包括水流力、波浪力、500 t 小船意外撞擊載荷、機組載荷和地震載荷。機組極限載荷由業(yè)主提供，在計算時將載荷均分在機組的4 個節(jié)點上，機組平面布置見圖4。具體工況組合及載荷分項系數(shù)的選取見表5，波浪力和水流力參考《港口與航道水文規(guī)范》[6]和《港口工程載荷規(guī)范》[7]的有關(guān)條款計算；小船意外撞擊載荷參考JTG D 60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》[8]有關(guān)條款計算，地震載荷通過設置相關(guān)參數(shù)施加在結(jié)構(gòu)上。具體載荷見表6，位移計算結(jié)果包絡值見表7，強度和穩(wěn)定計算結(jié)構(gòu)包絡值見表8，桿件應力比分布見圖5。

在所有工況組合中，結(jié)構(gòu)最大位移為16.35 mm，所在桿件為最東側(cè)排架下層一處方形鋼梁，所在工況為使用期工況組合4，結(jié)構(gòu)整體最大位移滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖4 水輪機組平面布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the layout of the hydraulic turbine group

表5 使用期工況組合Table 5 Operation condition combination

表6 1.5 MW 機組極限載荷表Table 6 Ultimate load of 1.5 MW

表7 使用期工況位移結(jié)果包絡值Table 7 Envelope value of displacement results during operation period mm

表8 使用期工況強度和穩(wěn)定計算結(jié)果包絡值Table 8 Envelope value of strength and stability results during operation period

圖5 桿件應力比分布圖Fig.5 Distribution diagram of bar stress ratio

由以上使用期各工況計算結(jié)果可知，桿件最大強度應力比為0.463，桿件最大穩(wěn)定應力比為0.438，對應桿件均為最東側(cè)排架-10.8 m 處左側(cè)φ800 橫向鋼撐桿，所處工況為工況組合4；證明結(jié)構(gòu)能夠抵抗各種極端工況載荷，滿足安全要求。

3 結(jié)語

本文將鋼結(jié)構(gòu)設計和嵌巖樁基礎(chǔ)施工結(jié)合起來，提出一種潮流能發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設計方法，以某潮流能發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為例，通過3D3S 軟件建立了不同階段的結(jié)構(gòu)分析計算模型，并對施工期工況、使用期工況等工況下的結(jié)構(gòu)受力進行了計算，分析了相應的計算結(jié)果，得到了以下結(jié)論：

1）大型鋼框架結(jié)合嵌巖樁施工技術(shù)可滿足近海潮流能開發(fā)的安全性、使用性和施工要求；

2）施工載荷是重要的控制載荷，直接影響桿件選取和結(jié)構(gòu)承載能力；

3）平臺兩側(cè)斜樁上的偏心桿件需重點關(guān)注；

4）本文的分析過程和結(jié)果可以為近海潮流能發(fā)電平臺的設計提供參考。

鋼制潮流能發(fā)電平臺的設計不僅包括整體結(jié)構(gòu)設計和計算，還包括整體吊裝技術(shù)和嵌巖樁施工技術(shù)等，本工程在這些方面都已進行了專項技術(shù)論證，具體過程有待進一步總結(jié)分析。