唐山海上測風(fēng)塔設(shè)計與施工技術(shù)探討

文 | 馬建春，馬風(fēng)有

唐山海上測風(fēng)塔設(shè)計與施工技術(shù)探討

文 | 馬建春，馬風(fēng)有

海上風(fēng)電具有風(fēng)功率密度大、湍流小、可利用時間長、距離負(fù)荷中心近等特點(diǎn)，目前已成為風(fēng)電發(fā)展的重要領(lǐng)域。唐山市位于河北省東部，近海海域風(fēng)能資源豐富，規(guī)劃總裝機(jī)容量為430萬千瓦，是河北乃至全國海上風(fēng)電開發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。受到地面粗糙度、大氣穩(wěn)定度等因素的影響，陸地氣象站的測風(fēng)數(shù)據(jù)并不能代表海上風(fēng)能資源的特性，獲取海上風(fēng)能資源數(shù)據(jù)最直接的方法就是在海上建立測風(fēng)塔。海上測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與一般輸電鐵塔不同，目前國內(nèi)沒有相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，可借鑒參考的資料較少。本文主要根據(jù)唐山渤海海上測風(fēng)塔的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對測風(fēng)塔設(shè)計與施工的關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié)和探討，為今后類似工程提供參考。

海上測風(fēng)塔風(fēng)資源有效控制半徑不超過10km，使用年限一般為3年－5年，高度一般在100m左右，測風(fēng)塔上部結(jié)構(gòu)主要包括塔架、測風(fēng)支臂、避雷針和爬梯等，塔架采用塔桅鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用直縫鋼管，該海上測風(fēng)塔立體三維圖如圖1所示。

圖1　測風(fēng)塔立體三維示意圖

測風(fēng)塔上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、測風(fēng)塔形式選擇

海上測風(fēng)塔一般采用自立式，塔架形式可分為單根圓筒式、三角形或四邊形截面桁架等，單根圓筒式塔架結(jié)構(gòu)鋼管直徑大、耗鋼量大，需要進(jìn)行海上特有風(fēng)況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，在經(jīng)濟(jì)上不占優(yōu)勢?？紤]到海上測風(fēng)塔主要承受自身風(fēng)荷載和自重，受力較小，同時考慮到測風(fēng)塔基礎(chǔ)施工的難度和成本，采用三角形截面較為合適，當(dāng)三角形截面桁架不能滿足受力及變形要求或不經(jīng)濟(jì)時，塔架截面可以選用四邊形。

通過中尺度數(shù)值模擬的方法，推算該海域100m高平均風(fēng)速約7.7m/s，受臺風(fēng)影響小，初步判斷測風(fēng)塔受力較小，可采用三角形截面形式，塔架立面廓線選取直線型。

二、測風(fēng)塔塔架高度的確定

參考淺海鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造技術(shù)規(guī)范，平臺底層甲板高程按如下公式確定：

T－平臺底層或設(shè)備底面高程，m；

H－校核高水位的水面高程，m；

Hb－校核高水位的最大波高，m；

△－安全氣隙高度，取1.5m。

依據(jù)海上風(fēng)電場風(fēng)能資源測量及海洋水文觀測規(guī)范規(guī)定，海上測風(fēng)塔測量高度應(yīng)以風(fēng)電場區(qū)域平均海平面為起算基面。確定測風(fēng)塔承臺底高程后，測風(fēng)塔高度的確定與承臺形式和承臺厚度密切相關(guān)，如果采用鋼筋混凝土承臺，承臺厚度約2m，對90m測風(fēng)高度而言，是不容忽視的。

三、測風(fēng)設(shè)備選型及布置

風(fēng)能資源觀測設(shè)備常規(guī)使用較多的有NRG和Ammonit兩種設(shè)備，其中Ammonit設(shè)備材料專為海洋環(huán)境定制，設(shè)備保障率和采樣頻率更高，可以滿足日后的風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)測。

海上風(fēng)電機(jī)組輪轂高度一般在90m以上，為進(jìn)一步提高觀測數(shù)據(jù)的可靠性，測風(fēng)塔80m以上高度進(jìn)行加密觀測，同時考慮到海上維護(hù)困難，測風(fēng)塔在使用期間不能中斷觀測等因素，海上測風(fēng)塔在60m、80m、90m、100m高度安裝兩套風(fēng)速及風(fēng)向測量儀器以互為備用。

除風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、大氣壓等傳感器外，測風(fēng)塔上還應(yīng)安裝這些設(shè)備配套的數(shù)據(jù)無線傳送裝置、太陽能電池板、數(shù)據(jù)線纜、免維護(hù)蓄電池及銘牌等，各種觀測設(shè)備的技術(shù)要求應(yīng)滿足海上風(fēng)電場風(fēng)能資源測量及海洋水文觀測規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。

四、測風(fēng)塔塔架設(shè)計的主要荷載

海上測風(fēng)塔上部結(jié)構(gòu)主要承受風(fēng)荷載及自重，結(jié)構(gòu)表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算：

式中：βz為z高度處的風(fēng)振系數(shù)；μs為測風(fēng)塔體型系數(shù)；μz為z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓，W0=V2/1600，V為基本風(fēng)速。

（一）基本風(fēng)壓的確定

根據(jù)GB/T18709－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》，在沿海地區(qū)，結(jié)構(gòu)能承受當(dāng)?shù)?0年一遇的最大風(fēng)載沖擊，考慮到海上測風(fēng)塔距離岸線較遠(yuǎn)、海況復(fù)雜、塔架及設(shè)備維護(hù)困難等因素，本海上測風(fēng)塔基本風(fēng)速選用50年一遇、10米高、10分鐘平均最大值。

通過對唐山樂亭海域已建測風(fēng)塔與樂亭氣象站逐月平均風(fēng)速進(jìn)行線性相關(guān)分析，得出線性相關(guān)方程并由此推算此海域50年一遇、10米高、10分鐘平均最大風(fēng)速為35.6m/s，對應(yīng)的基本風(fēng)壓為0.7921kN/m2。

（二）風(fēng)荷載體型系數(shù)計算

以三角形截面測風(fēng)塔為例，結(jié)構(gòu)考慮正風(fēng)、背風(fēng)和側(cè)風(fēng)三個方向風(fēng)壓作用，如圖2所示。

海上測風(fēng)塔風(fēng)荷載體型系數(shù)主要根據(jù)規(guī)范GB50135，依據(jù)組成測風(fēng)塔構(gòu)件截面類型分段進(jìn)行計算。

（三）風(fēng)振系數(shù)的確定

海上測風(fēng)塔屬高聳柔性結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮脈動風(fēng)引起的風(fēng)振影響，測風(fēng)塔z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz可依據(jù)規(guī)范GB50009中規(guī)定計算所得。

（四）風(fēng)壓高度變化系數(shù)計算

海上測風(fēng)塔地處海區(qū)，地面粗糙度屬A類，可依據(jù)規(guī)范GB50135通過查表取得，中間值按插入法計算。

五、測風(fēng)塔塔架設(shè)計荷載組合

海上測風(fēng)塔應(yīng)同時滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計要求。

（一）承載能力極限狀態(tài)下測風(fēng)塔荷載基本組合

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，測風(fēng)塔使用年限為5年，可取0.9；

γG為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；γQ1為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；（二）正常使用極限狀態(tài)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合

式中：SGK為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GK計算的荷載效應(yīng)值；SQ1k為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q1k計算的荷載效應(yīng)值，C為設(shè)計對變形規(guī)定的相應(yīng)限值，依據(jù)GB50135要求，對于以風(fēng)荷載為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)，其水平位移限值H/75（H為塔全高）。

（三）覆冰工況組合

根據(jù)樂亭氣象站多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該區(qū)域覆冰最大厚度為2.2mm，依據(jù)GB50135《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，輕覆冰區(qū)基本覆冰厚度可取5mm－10mm，同時風(fēng)壓取0.15kN/m2，同時氣溫取-5℃。

六、測風(fēng)塔設(shè)計優(yōu)化

（一）測風(fēng)塔構(gòu)件形式

測風(fēng)塔塔架構(gòu)件截面型式可選用鋼管、角鋼、圓鋼及其組合構(gòu)件。與角鋼塔架相比，鋼管塔架的風(fēng)荷載體型系數(shù)小，回轉(zhuǎn)半徑大且鋼管構(gòu)件截面各向同性，由鋼管組成的塔架具有風(fēng)阻小、剛性好、節(jié)省材料、造型美觀、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此海上測風(fēng)塔推薦采用直縫鋼管做為塔架結(jié)構(gòu)受力的主要構(gòu)件。

（二）塔架桿件布置

測風(fēng)塔鋼管主材和斜材軸線之間的夾角不宜小于30度，同時應(yīng)兼顧測風(fēng)儀器布置高程，靠近塔頂部分主斜材夾角可適當(dāng)放寬，但考慮到“鞭梢效應(yīng)”的影響，塔頂部分主斜材規(guī)格應(yīng)適當(dāng)留有余度，靠近塔架底部可采用K型節(jié)點(diǎn)布材方式，此時主、斜材軸線之間的夾角不宜小于20度。

（三）塔架坡度的優(yōu)化

圖2　三角形截面測風(fēng)塔風(fēng)壓作用示意圖

海上測風(fēng)塔承受的主要是外界風(fēng)荷載及塔架、設(shè)備的自重荷載，塔架頂部截面尺寸優(yōu)化空間較小，塔體高度一定時，以塔重為目標(biāo)函數(shù)，通過調(diào)節(jié)塔架下部根開，反復(fù)計算，得出滿足承載力極限狀態(tài)下測風(fēng)塔最佳坡度，同時查看荷載標(biāo)準(zhǔn)組合條件下塔頂水平位移限值是否滿足H/75（H為塔全高）的要求，如果不滿足，應(yīng)繼續(xù)調(diào)整塔底根開、塔身布材方式、桿件壁厚等方式予以解決，最終得出適合本工程測風(fēng)塔的最佳坡度。

（四）塔架構(gòu)件材質(zhì)選擇

測風(fēng)塔設(shè)計應(yīng)找到塔重與塔架變形的一個平衡點(diǎn)，全部構(gòu)件采用高強(qiáng)度材料，構(gòu)件截面小、耗材省、塔重輕，但塔架變形很難滿足要求。反之，只顧及塔架變形要求，塔架重量、底部根開就會很大，塔架及基礎(chǔ)投資就會大幅增加，因此海上測風(fēng)塔主材、支臂宜采用Q345鋼，塔架斜材宜采用Q235鋼，可以有效解決上述矛盾。

（五）塔架構(gòu)件最小厚度要求

測風(fēng)塔地處海洋環(huán)境，受鹽霧腐蝕嚴(yán)重，依據(jù)DL/T 5254－2010《架空輸電線路鋼管塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》構(gòu)造要求，鋼管塔主材、斜材最小厚度應(yīng)分別取5mm、4mm。

七、測風(fēng)塔構(gòu)造設(shè)計

（一）測風(fēng)塔底節(jié)分段高度不宜過大。因?yàn)榈撞糠ㄌm與承臺預(yù)埋螺栓相連，地腳螺栓數(shù)量較多、海上吊裝定位難度大，底節(jié)安裝順利與否直接影響整個塔架的安裝進(jìn)度。

（二）測風(fēng)塔地腳螺栓應(yīng)采用可調(diào)節(jié)型螺栓，以利于固定盤調(diào)平，消除基礎(chǔ)承臺的施工誤差。

（三）測風(fēng)塔主材的接頭法蘭盤宜盡量靠近節(jié)點(diǎn)，主材伸出節(jié)點(diǎn)高度一般不大于1000mm，器便于組塔人員螺栓緊固操作。

（四）測風(fēng)塔支臂橫梁端部需要安放測風(fēng)設(shè)備，至主材外緣距離一般不小于3倍相應(yīng)高度處塔身寬度，當(dāng)支臂橫梁長度大于10m時，應(yīng)考慮設(shè)置法蘭接頭，以利于運(yùn)輸及現(xiàn)場組裝。

（五）塔架接頭法蘭構(gòu)造要求。螺栓所在圓直徑應(yīng)大于“被連接桿件外壁直徑+2倍扳手空間+螺帽直徑+2倍桿件壁厚”；法蘭接頭螺栓間距應(yīng)滿足“螺帽直徑+2倍焊縫高度hf+加勁板厚t+2倍扳手空間”，扳手空間可取5mm。螺栓間距可取3倍－4倍的螺栓直徑d，法蘭板外邊距L取1.6d，現(xiàn)場緊固螺栓較為便利。

八、測風(fēng)塔塔架防腐蝕設(shè)計

考慮到測風(fēng)塔處在海上大氣區(qū)，體型規(guī)則且用鋼量不大，為方便制作加工，測風(fēng)塔上部塔架全部采用熱鍍鋅防腐，鋅層厚度不小于120μm，對于在施工現(xiàn)場收到損傷的部位應(yīng)補(bǔ)涂富鋅涂層，厚度不小于140μm。

測風(fēng)塔組立完畢后，地腳螺栓露出承臺頂面部分（包括墊塊、螺帽等），應(yīng)刷防腐漆防腐，具體做法為：底層涂料可采用富鋅漆，平均涂層厚度可取40μm，面層涂料可采用氯化橡膠漆，平均涂層厚度可取280μm。

圖3　接頭法蘭螺栓放樣圖

測風(fēng)塔塔架施工

一、測風(fēng)塔塔架施工季節(jié)選擇

海上測風(fēng)塔施工條件惡劣，工期受季節(jié)、氣候條件的影響較大，根據(jù)渤海海域海洋水文氣象資料，本地區(qū)初冰期一般出現(xiàn)在11月下旬，終冰期在3月上旬，盛冰期為1、2月份，以1月為主；春季風(fēng)大；臺風(fēng)多出現(xiàn)在7月－9月，少數(shù)在10月出現(xiàn)，適宜海上施工的時間段為5月－8月。

二、測風(fēng)塔塔架施工組織

海上測風(fēng)塔塔架安裝可分為吊裝式和自升式兩種，測風(fēng)塔高度接近100m，整體吊裝需選用大型吊裝設(shè)備，考慮海上施工條件及吊裝設(shè)備的實(shí)際情況，工程中一般采用自升式安裝。塔架安裝示意圖見圖4。

測風(fēng)塔架安裝流程為：測風(fēng)塔塔架運(yùn)輸至施工現(xiàn)場→測風(fēng)塔底節(jié)吊裝→每節(jié)測風(fēng)塔主體安裝→測風(fēng)塔垂直度調(diào)整→頂節(jié)安裝→避雷針安裝→測風(fēng)塔垂直度調(diào)整→避雷線安裝→測風(fēng)設(shè)備安裝→竣工驗(yàn)收。具體方案如下：

1.對每個塔腳錨栓間距、塔腳間錨栓間距、錨栓露出定位板的長度進(jìn)行檢測進(jìn)行檢測，應(yīng)符合安裝要求。

2.對照塔架結(jié)構(gòu)圖紙，清點(diǎn)并標(biāo)示構(gòu)件編號。

3.利用多功能駁船的起重裝置吊裝腿部主材鋼管并固定。

4.安裝底節(jié)斜材并固定。

5.固定滑輪，吊拉拔桿并固定。

6.依次起吊安裝第二節(jié)及以上塔架主材、斜材至頂節(jié)并固定。

7.吊裝避雷針及避雷引下線并固定。

8.安裝測風(fēng)儀和風(fēng)向標(biāo)并固定信號饋線。

9.安裝航空障礙燈、航標(biāo)指示燈。

為確保施工過程不發(fā)生意外安全事故，保證施工質(zhì)量，如遇風(fēng)速大于8m/s、波浪高大于1.38m或雨、霧、結(jié)冰等惡劣天氣時，不應(yīng)出海施工作業(yè)。

三、測風(fēng)塔垂直度測量

塔架安裝過程中和竣工完成后都需要檢測其整體垂度，根據(jù)塔桅鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程，對塔架整體垂直度偏差（雙向偏差矢量和），當(dāng)塔高度H大于75m時，塔身實(shí)際軸線與設(shè)計軸線偏差不得大于50+（H－75000）/4000mm，測量儀器可采用經(jīng)緯儀。測風(fēng)塔離岸較近時，測站點(diǎn)可選擇在近海岸，較遠(yuǎn)時可選擇在承臺中心，利用目鏡導(dǎo)光器實(shí)現(xiàn)天頂方向全方位仰視觀測。

圖4　塔架安裝示意圖

結(jié)語

海上測風(fēng)塔雖屬臨時性結(jié)構(gòu)，但投資費(fèi)用高，施工難度大，合理確定計算荷載及其組合工況，優(yōu)化塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方案，對降低工程本體投資、縮短施工周期、確保施工質(zhì)量是十分必要的。本海上測風(fēng)塔自建成至今已經(jīng)安全運(yùn)行3年，經(jīng)受多次極端惡劣海況的考驗(yàn)，目前運(yùn)行良好，該測風(fēng)塔的設(shè)計與施工技術(shù)可為海上風(fēng)電場類似工程建設(shè)提供參考。

（作者單位：河北省電力勘測設(shè)計研究院）