鋼質(zhì)平臺海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

，， ，

(1.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院，長沙 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)電場建設(shè)已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢。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風(fēng)塔。目前我國已建成的海上測風(fēng)塔很少，可供借鑒參考的資料更少。本文針對三樁鋼質(zhì)平臺海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計情況進(jìn)行總結(jié)分析，為海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

1 環(huán)境荷載參數(shù)及荷載組合

1.1 環(huán)境荷載參數(shù)

在海上測風(fēng)塔設(shè)計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。對于波浪力，本文對已收集到的測風(fēng)塔海域的水文參數(shù)進(jìn)行分析，分別計算波浪從0°、90°和270°入射時測風(fēng)塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度。擬建測風(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。對于冰荷載，根據(jù)《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》[2]，取擬建測風(fēng)塔海域調(diào)查統(tǒng)計單層冰最大厚度35 cm，單軸無側(cè)限極限抗壓強(qiáng)度按50年一遇，取1.99 MPa。對于地震荷載，本文計算過程中按APIB譜計算，地面運(yùn)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(gòu)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(fēng)、浪、流均為同向。

表1 測風(fēng)塔海域水位及波浪要素

1.2 荷載組合

對出現(xiàn)在測風(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。因為測風(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(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 荷載計算

2.1 塔架荷載

在對測風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，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)收集到的擬建測風(fēng)塔區(qū)域的氣象資料，測風(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)計規(guī)范》[4]，體型系數(shù)μs取0.9。垂直作用于測風(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公式計算。水質(zhì)點的速度和加速度采用流函數(shù)理論計算。對于圓柱體構(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。波浪力的計算公式如下。

(3)

式中：F——垂直構(gòu)件軸線方向上的單位長度的水動力矢量；

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)點的速度分矢量；

du/dt——垂直構(gòu)件軸線的水質(zhì)點的加速度分矢量。

2.4 流荷載

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

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)，對半圓形截面取0.9，三角形時可查表確定；

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)值計算

3.1 數(shù)值模型

采用ANSYS有限元軟件對測風(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)《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦方法——工作應(yīng)力設(shè)計法》中P-Y曲線法建立測風(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。本測風(fēng)塔基礎(chǔ)采用三樁鋼平臺結(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68 m。樁頂之間的間距由上部塔架結(jié)構(gòu)尺寸決定，本測風(fēng)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(qiáng)度焊縫連接。測風(fēng)塔基礎(chǔ)數(shù)值模型見圖1。

圖1 測風(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)以向上方向為正。

圖2 風(fēng)、浪、流入射方向

3.2 整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

分別計算各工況下測風(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]，對豎向位移和傾斜率的計算僅考慮正常使用狀態(tài)。計算結(jié)果見表3。

表3 測風(fēng)塔基礎(chǔ)數(shù)值計算結(jié)果

由表3見，本測風(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，此時僅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，1JHJ樁單樁抗壓，此時，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(fēng)塔樁的抗拔及抗壓均滿足要求。本測風(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，其最大值滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]中的控制要求。本測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)在《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中安全等級為二級，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)計規(guī)范》設(shè)計要求。從計算結(jié)果中可以看出，測風(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，而冰荷載對測風(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)行測風(fēng)塔設(shè)計時，應(yīng)對該海域海冰抗壓極限強(qiáng)度以及冰層厚度進(jìn)行重點復(fù)核。

(6)

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設(shè)計值；

γR——單樁垂直承載力分項系數(shù)；

U——樁身截面周長；

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)計值；

γR——單樁抗拔承載力分項系數(shù)；

ξi——折減系數(shù)；

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(fēng)塔基礎(chǔ)撐桿選型

撐桿是測風(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測風(fēng)塔基礎(chǔ)所受波流力產(chǎn)生的影響，對比分析測風(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。計算結(jié)果見表4。

表4 不同直徑撐桿測風(fēng)塔基礎(chǔ)計算結(jié)果

對于焊縫應(yīng)力的計算，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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(shù)；

Q——計算截面的剪力；

T——計算截面的轉(zhuǎn)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(yīng)力；

τ——計算截面最大剪應(yīng)力。

由表4可見，隨著撐桿直徑的增大，測風(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。這是因為撐桿直徑增大，測風(fēng)塔基礎(chǔ)所受的波浪力和水流力也會增大，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，焊縫應(yīng)力極值基本不變。在測風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)力及焊縫應(yīng)力極值，本測風(fēng)塔設(shè)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(fēng)塔基礎(chǔ)與塔架底端法蘭的重要構(gòu)件。目前測風(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(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)點在于：樁外圍可以布置加強(qiáng)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(diào)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(fēng)塔受壓及抗拔時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型柱腳受壓時結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為127 MPa,抗拔時為163 MPa；b型柱腳受壓時結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(yīng)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(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

本測風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計采用b型柱腳。

6 結(jié)論

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

2)測風(fēng)塔基礎(chǔ)撐桿直徑的選擇需綜合考慮撐桿對波流力以及焊縫應(yīng)力的影響，在滿足測風(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型肋板具有更長的有效焊縫長度，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比a型柱腳更加可靠，建議鋼質(zhì)平臺海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)采用b型柱腳。

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

[2] 中國海洋石油總公司.Q/HSn中國海海冰條件及應(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] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50135高聳結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計和建造的推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)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(shè)部，中華人民共國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].2003.