钢质平台海上测风塔基础结构强度及稳定性分析

钢质平台海上测风塔基础结构强度及稳定性分

析

唐东洋1 万庆宇1黄春芳1翟钢军2

（1中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙410014

2 大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024）

摘要：针对渤海海域拟建的钢质平台海上测风塔基础结构及该海域环境荷载建立数值计算模型，对测风塔基础的整体稳定性及强度进行分析计算。重点分析了撑杆直径大小对测风塔整体稳定性及焊缝应力产生的影响；对比分析两种不同型式的柱脚，详细分析其优缺点，并采用ansys有限元软件对其进行强度分析。本文研究为我国海上测风塔基础工程设计提供参考。

关键词：海上测风塔基础；整体稳定性；结构强度；数值模型；

1 引言：

拥有资源才能获得发展，掌握未来。特别对于我国这样的发展中大国而言，能源的充分供给更是驱动经济快速发展车轮的动力。在气候变化问题日显，化石能源濒临枯竭，各国纷纷掀起能源革命的今天，发展清洁可再生能源、积极调整能源结构、促进技术创新、减少温室气体排放已成为能源行业发展的主流。

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用风力发电已经成为当今世界最主要的可再生能源技术之一。然而，由于陆地上经济可开发的风资源越来越少。全球风电场建设已出现从陆地向近海发展的趋势。与陆地风电相比，海上风电具有风能资源的能量效益比陆地风电场高2O％-4O％，海上风湍流强度小，风切变小，而且海上风电场具有不占用宝贵的土地资源等优势。因此，海上风电已经成为未来风电开发的主战场。进行海上风电开发首先需要收集近海区域海洋水文参数及风参数的数据。获得这些数据的最直接、有效的方法就是建立海上测风塔。目前我国已建成的海上测风塔很少，可供借鉴参考的资料更少。本文针对三桩钢质平台海上测风塔基础结构设计情况进行总结分析，为海上测风塔基础设计提供参考。

2 环境荷载参数及荷载组合

2.1 环境荷载参数

海上测风塔设计过程中考虑的荷载主要包括基础自重，上部塔架荷载、波浪力、水流力、风荷载、冰荷载和地震力等。本文对塔架荷载的考虑主要为上部塔架承受风荷载作用及其自重传递至塔架与基础连接的法兰部位的荷载。对于波浪力，本文对已收集到的测风塔海域的水文参数进行分析，分别计算波浪从0度、90度和270度入射时测风塔基础的稳定性及强度，拟建测风塔海域水位及波浪要素如表1所示。假定海流流速为1.14m/s。对于冰荷载，根据《中国海海冰条件及应用规定》[1]，取拟建测风塔海域调查统计单层冰最大厚度35cm，单轴无侧限极限抗压强度按50年一遇取值为1.99MPa。对于地震荷载，本文计算过程中按APIB谱计算，地面运动水平加速度取0.15g。考虑海生物附着影响，平均海平面以下的构件考虑10cm厚的海生物附着。本文在计算工程中，各荷载组合风、浪、流均为同向。

*唐东洋（1986-）男，助理工程师，主要从事海上风能发电基础设计。E-mail:deep_tdy@

表1 测风塔海域水位及波浪要素

水位（85高程）

对应水深 （m ） 设计波高 （m ） 周期 （s ） 波速 （m/s ） 波长 （m ） 极端高水位（3.71m ） 17.64 6.9 8.5 11.0 93.5 设计高水位（2.15m ） 16.08 6.9 8.5 10.7 90.7 设计低水位（-0.89m ） 13.04 6.5 8.5 9.9 84.5 极端低水位（-2.73m ）

11.2

6

8.5

9.4

79.8

2.2 荷载组合

对出现在测风塔上的荷载作用，应考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态，并结合相应的设计工况进行作用效应组合。风、波浪力、水流力和海冰荷载作为海洋工程中的经常作用力，设计将之纳入基本可变荷载而非其他可变荷载参加荷载组合，荷载组合中考虑可能出现的不利水位和波浪、水流及风的作用方向。因为测风塔海域的海浪主要是风浪，本文假定风荷载和波浪荷载方向一致，而风浪方向有可能和海流方向重叠，由于铁塔荷载除了竖向力之外，绝大部分由风产生，所以本文计算中可变荷载的作用方向全部考虑为同一方向，即波流力荷载、铁塔荷载水平力和弯矩、测风塔基础所受风荷载作用方向相同。具体组合如表2所示：

表2 荷载组合原则

水位

承载能力极限状态

正常使用极限状态

持久组合

短暂组合

偶然组合

频遇组合

准永久组合

短暂状况

极端高水位 √ 设计高水位 √ √ √ √ √ √ 设计低水位 √ √ √ √ √ √ 极端低水位

√

3 荷载计算 3.1 塔架荷载

本文对测风塔基础结构进行分析时，所考虑的塔架荷载为上部结构承受风荷载作用传递至塔架底部的荷载，该部分荷载由塔架设计人员提供。 3.2 风荷载

根据收集到的拟建测风塔区域的气象资料，测风塔塔所在位置海边风速（陆地）10m 高度处的50年一遇最大风速为30.98m/s 。

6.01600

98.301600122

0===V W kN/m

2 （3.1） 根据《港口工程荷载规范》 [2]，高度系数z μ取1.38，根据《高耸结构设计规范》 [3]，体型系数s μ取0.9，则垂直作用于测风塔基础表面单位面积上的风荷载标准值计算如下：

75.06.038.19.00=⨯⨯==W W z s k μμkN/m 2 （3.2）

3.3 波浪荷载

作用在构件上的波浪力采用Morison 公式计算。水质点的速度和加速度采用流函数理论计算。对于圆柱体构件，阻力系数d C 和惯性力系数m C 取值一般情况下Cd 取0.7 Cm 取2.0。波浪力的计算公式如下：

dt

du

D g C u u D g

C F F F m

D

I D ⋅

⋅

+=+=242π

ωω

（3.3） 式中：F 为垂直构件轴线方向上的单位长度的水动力矢量；D F 为垂直构件轴线方向上的，在构件轴线和u 平面内的单位长度上的阻力矢量；I F 为垂直构件轴线方向上的，在构件轴线和dt du /平面内的单位长度上的惯性力矢量；D C 为阻力系数；m C 为惯性力系数；ω为水的重度；g 为重力加速度；D 为构件的直径(包括海生物附生)；u 为垂直构件轴线的水质点的速度分矢量；|u|为u 的绝对值；dt du /为垂直构件轴线的水质点的加速度分矢量。 3.4 流荷载

当流单独作用时,其作用在构件上的流荷载采用《海上固定平台规划、设计和建造方的推荐作法工作应力设计法》[4]中的计算公式：

g V A C F S /5.02

ω⋅⋅⋅= （3.4）

式中：F 为作用于结构构件上的流荷载；s C 为阻力系数；A 为结构构件投影面积；V 为流速；ω为水的重度；g 为重力加速度。 3.5 冰荷载

根据《中国海海冰条件及应用规定》

bh R K mK p c 21= （3.5） 式中：m 为桩柱形状系数，对半圆形截面取0.9，三角形时可查表确定；1K 为局部挤压系数，取值在2.0～3.0之间；2K 为接触系数，与冰的硬度、结构物迎冰面的平整度有关，建议取值0.45；

c R 冰的抗压极限强度；b 为桩柱宽度或直径；h 为冰层厚度。

4 数值计算

4.1 数值模型

本文采用ANSYS 有限元软件对测风塔基础结构受力、变形及地基土的屈服特性进行了详细计算分析。采用ANSYS 程序中的Pipe59单元模拟基础泥面以上的桩结构，泥面以下的钢管采用Pipe16单元模拟。根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法－工作应力设计法》中P-Y 曲线法建立测风塔基础结构的桩－土相互作用模型，钢管桩与土层之间作用由三维弹簧单元Combine39模拟。本测风塔基础采用三桩钢平台结构基础，采用6:1的斜桩，桩顶面高程为9.3m ，钢管桩直径1.2m ，桩长68m 。桩顶之间的间距由上部塔架结构尺寸决定，本测风塔桩顶成边长为9m 的正三角形布置。上水平连接杆单根长8.69m ，重1.16t ，下水平连接杆单根长10.59m ，重1.4t ，单根长11.35m ，桩与撑杆以及撑杆与撑杆之间采用高强度焊缝连接。测风塔基础数值模型如图1所示。图2为风、浪、流入射方向。本数值模型的坐标按图2所示布置X-Y 平面坐标，Z 坐标以向上方向为正。