海上桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)過(guò)渡段拓?fù)鋬?yōu)化方法

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 311100； 2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 3.中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的增加以及環(huán)境壓力的日益增大，開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，在各種可再生能源中，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，已成為繼水力發(fā)電之后技術(shù)較成熟、較具規(guī)?；_(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)是按照“陸上風(fēng)電-近海風(fēng)電-遠(yuǎn)海風(fēng)電”的方向發(fā)展的[1]。其中，陸上風(fēng)電技術(shù)已十分成熟，近年來(lái)得到了蓬勃發(fā)展。但是，隨著陸上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，其存在的如占用土地、產(chǎn)生噪聲等問(wèn)題逐漸凸顯，成為阻礙陸上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。與之相比，剛剛起步的海上風(fēng)電規(guī)避了陸上風(fēng)電的上述問(wèn)題，將成為未來(lái)世界風(fēng)能發(fā)展的方向和制高點(diǎn)[2]。

海上風(fēng)電的發(fā)展方向大致由近海到遠(yuǎn)海、由淺水到深水。針對(duì)不同水深條件已開(kāi)發(fā)出不同類型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，包括重力式、高樁承臺(tái)式、單樁式、單樁牽索塔式、三腳架式、桁架式、門架式和浮式等[3]。目前，海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)主要集中于淺水區(qū)域，適用于淺水的各種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式得到了廣泛應(yīng)用。浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要適用于深水海域，未來(lái)有廣闊的發(fā)展前景，但暫時(shí)還處于研究階段，尚沒(méi)有實(shí)際工程投產(chǎn)運(yùn)行[4]。作為由淺水邁向深水的重要一步，20～50 m中等水深海域是當(dāng)下海上風(fēng)電發(fā)展的主要方向。海上風(fēng)能資源豐富，但基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)投資巨大，這就要求每座風(fēng)電結(jié)構(gòu)具有盡可能大的單機(jī)裝機(jī)容量。目前，裝機(jī)容量在4～5 MW的海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)已十分成熟，并得到了大規(guī)模應(yīng)用，更大裝機(jī)容量的機(jī)組也在不斷開(kāi)發(fā)之中[5]。

圖1 桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

對(duì)于位于20～50 m中等水深海域、裝機(jī)容量在4～5 MW的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，桁架式基礎(chǔ)是現(xiàn)階段較為適宜且使用較多的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式。桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：過(guò)渡段、空間鋼桁架結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)，如圖1所示。其中，過(guò)渡段是基礎(chǔ)環(huán)頂至甲板或等效于甲板的水平層之間的部分，連接了上部風(fēng)機(jī)塔筒與下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。桁架式基礎(chǔ)上部塔筒與下部桁架結(jié)構(gòu)型式差異較大，過(guò)渡段是將上部風(fēng)機(jī)荷載重分配并向下傳遞至基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分。過(guò)渡段結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)載荷重分配和向下傳遞的能力直接決定了桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)性能，而過(guò)渡段拓?fù)湫问绞怯绊懫浣Y(jié)構(gòu)功能的主要因素。本文對(duì)已有桁架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)過(guò)渡段拓?fù)湫问竭M(jìn)行整理和分析，提出過(guò)渡段拓?fù)湫问降脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，為相近條件下桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)過(guò)渡段的設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 Thorton Bank海上風(fēng)電場(chǎng)斜撐式過(guò)渡段

1 常見(jiàn)的過(guò)渡段拓?fù)湫问?/h2>

調(diào)研國(guó)內(nèi)外已建成投產(chǎn)的桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)可知，常見(jiàn)的過(guò)渡段拓?fù)湫问街饕行睋问健⑹窒湫土菏?、板狀?fù)合斜撐式和錐臺(tái)式等，這些過(guò)渡段拓?fù)湫问揭言谝恍┖Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用[6]。

圖3 Beatrice海上風(fēng)電場(chǎng)斜撐式過(guò)渡段

圖4 Nordsee Ost海上風(fēng)電場(chǎng)十字箱型梁式過(guò)渡段

圖5 Wikinger海上風(fēng)電場(chǎng)板狀復(fù)合斜撐式過(guò)渡段

(1) 斜撐式過(guò)渡段。斜撐式過(guò)渡段一般由主筒體、加強(qiáng)環(huán)、甲板斜撐和甲板等組成。上部塔筒在基礎(chǔ)環(huán)頂位置與主筒體通過(guò)法蘭連接，主筒體通過(guò)甲板與下部桁架結(jié)構(gòu)的主腿相連。為了有效傳遞載荷并保證過(guò)渡段結(jié)構(gòu)安全，由甲板上各桁架腿連接位置向上伸出斜撐，支撐在主筒體基礎(chǔ)環(huán)頂處。斜撐與甲板連接位置設(shè)置墊板，與主筒體連接位置設(shè)置外加強(qiáng)環(huán)。外加強(qiáng)環(huán)一方面可以增大主筒體與甲板斜撐之間的焊接面積，另一方面能夠有效釋放應(yīng)變能，避免基礎(chǔ)環(huán)頂連接位置出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。斜撐式過(guò)渡段在Alpha Ventus、Beatrice、Ormonde和Thorton Bank等海上風(fēng)電場(chǎng)大量使用，各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電結(jié)構(gòu)過(guò)渡段型式大致相同，只有一些細(xì)節(jié)存在差異。在Thorton Bank海上風(fēng)電場(chǎng)使用的斜撐式過(guò)渡段結(jié)構(gòu)型式如圖2所示，其甲板斜撐截面被加工成長(zhǎng)軸垂直的橢圓，以增大焊接面積。過(guò)渡段甲板為板梁組合結(jié)構(gòu)，甲板中心位置梁格設(shè)置為徑向、環(huán)向組合形式，邊緣位置梁格設(shè)置為縱向、橫向組合形式。大量應(yīng)用于Alpha Ventus、Beatrice和Ormonde海上風(fēng)電場(chǎng)的斜撐式過(guò)渡段結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。這種斜撐式過(guò)渡段與前述結(jié)構(gòu)略有不同，其甲板斜撐的直徑由甲板到基礎(chǔ)環(huán)頂逐漸變大，進(jìn)一步增大了斜撐在基礎(chǔ)環(huán)頂處的焊接面積。我國(guó)桂山海上風(fēng)電場(chǎng)預(yù)計(jì)建設(shè)66座風(fēng)電結(jié)構(gòu)，同樣采用斜撐式過(guò)渡段，該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)型式與Thorton Bank風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)過(guò)渡段十分相近，都是通過(guò)4根甲板斜撐連接基礎(chǔ)環(huán)頂與甲板，但桂山項(xiàng)目風(fēng)電結(jié)構(gòu)甲板斜撐的斜度更小。

圖6 Baltic 2海上風(fēng)電場(chǎng)錐臺(tái)式過(guò)渡段

(2) 十字箱型梁式過(guò)渡段。十字箱型梁式過(guò)渡段采用了與斜撐式過(guò)渡段不同的結(jié)構(gòu)型式，用1個(gè)十字形箱型梁代替甲板、甲板斜撐和基礎(chǔ)環(huán)頂加強(qiáng)環(huán)等結(jié)構(gòu)。十字形箱型梁的四角與下部桁架腿相連，主筒體安裝在箱型梁中心，貫穿箱型梁的上、下板面。十字箱型梁式過(guò)渡段在箱型梁上板面也安裝有1個(gè)平臺(tái)，但該平臺(tái)僅用于人員活動(dòng)，承載要求較低。Nordsee Ost海上風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模使用了十字箱型梁式過(guò)渡段，如圖4所示。

(3) 板狀復(fù)合斜撐式過(guò)渡段。板狀復(fù)合斜撐式過(guò)渡段采用復(fù)合式板狀斜向支撐結(jié)構(gòu)代替圓管型斜撐，這一支撐結(jié)構(gòu)理念來(lái)源于大型導(dǎo)管架平臺(tái)在海上進(jìn)行駁船運(yùn)輸時(shí)采用的刀板式固支型式。主筒體在基礎(chǔ)環(huán)頂處設(shè)置外加強(qiáng)環(huán)，外加強(qiáng)環(huán)與各箱型斜撐上板連接，共同構(gòu)成過(guò)渡段支撐結(jié)構(gòu)。Wikinger海上風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃建造70座風(fēng)電結(jié)構(gòu)，均采用板狀復(fù)合斜撐式過(guò)渡段，如圖5所示。

(4) 錐臺(tái)式過(guò)渡段。錐臺(tái)式過(guò)渡段的主體結(jié)構(gòu)是錐臺(tái)，錐臺(tái)表面位置等效為基礎(chǔ)環(huán)頂，在錐臺(tái)表面安裝甲板，主要用于布置吊機(jī)和人員活動(dòng)，承載要求較低。Baltic 2海上風(fēng)電場(chǎng)大量使用錐臺(tái)式拓?fù)湫问阶鳛槠滹L(fēng)機(jī)基礎(chǔ)過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)型式，如圖6所示。與上述各風(fēng)電場(chǎng)桁架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同的是，Baltic 2海上風(fēng)電場(chǎng)安裝的桁架式基礎(chǔ)是三腿桁架。調(diào)研國(guó)內(nèi)外已投入使用的桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可知，桁架結(jié)構(gòu)主要有三腿和四腿兩種。其中，三腿桁架式基礎(chǔ)應(yīng)用較少，只在Baltic 2海上風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模使用。該風(fēng)電場(chǎng)水深為35～44 m，風(fēng)機(jī)質(zhì)量為243 t，裝機(jī)功率為3.6 MW。與使用四腿桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大部分風(fēng)電場(chǎng)相比，Baltic 2風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)功率較小，相應(yīng)地，風(fēng)機(jī)質(zhì)量也相對(duì)較小。與四腿桁架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比，三腿桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 三角形在平面內(nèi)的穩(wěn)定性使三腿桁架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭性能。

② 桁架結(jié)構(gòu)主腿數(shù)量的減少可降低用鋼量，使結(jié)構(gòu)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

然而，三腿桁架式結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱特征，會(huì)導(dǎo)致其使用條件存在以下瓶頸：

① 由于在不同方向上的抗傾覆能力具有顯著差異，因此三腿桁架式結(jié)構(gòu)僅能應(yīng)用于裝機(jī)功率較小的風(fēng)電機(jī)組(不超過(guò)3.6 MW)，并且僅能應(yīng)用于環(huán)境條件溫和的工程海域。

② 其非對(duì)稱性特征使其在不良工程地質(zhì)條件下出現(xiàn)顯著不均勻沉降的可能性遠(yuǎn)大于四腿結(jié)構(gòu)。

③ 該類支撐結(jié)構(gòu)通常需采用制作工藝要求較高的錐臺(tái)式過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可行性。

因此，對(duì)于位于20～50 m中等水深海域、裝機(jī)功率在4～5 MW的風(fēng)電結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，三腿桁架式結(jié)構(gòu)基本不具備適用性。據(jù)此，本文對(duì)過(guò)渡段拓?fù)湫问降脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化均基于四腿桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2 過(guò)渡段拓?fù)湫问皆O(shè)計(jì)

過(guò)渡段是連接風(fēng)機(jī)塔筒與下部支撐結(jié)構(gòu)的樞紐，是海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可發(fā)揮重要作用。一方面，過(guò)渡段是上部風(fēng)機(jī)和塔筒的基礎(chǔ)，對(duì)約束風(fēng)機(jī)和塔筒位移、控制固有頻率有顯著作用；另一方面，過(guò)渡段將上部風(fēng)機(jī)載荷傳遞至下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)樁基礎(chǔ)傳遞至海底。過(guò)渡段拓?fù)湫问綉?yīng)滿足以下設(shè)計(jì)原則：

(1) 過(guò)渡段自身需具備足夠的強(qiáng)度，以形成對(duì)上部風(fēng)電模塊的有效支撐與約束，其中局部構(gòu)件的抗失效能力與關(guān)鍵位置的抗疲勞性能是需要重點(diǎn)考量的設(shè)計(jì)要素。

(2) 過(guò)渡段須具備較佳的載荷重新分配與傳遞能力，即過(guò)渡段須將上部風(fēng)機(jī)模塊傳遞下來(lái)的巨大水平載荷，在有限的空間內(nèi)進(jìn)行再次分配，并以軸向載荷的形式向下傳遞。

(3) 過(guò)渡段的設(shè)計(jì)通常是整體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原點(diǎn)，即過(guò)渡段結(jié)構(gòu)的整體規(guī)模將直接決定下部支撐結(jié)構(gòu)的拓?fù)浒l(fā)展方向，因此在確定其拓?fù)湫问綍r(shí)須充分考慮風(fēng)電機(jī)組對(duì)結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)要求(通常主控因素為結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特征要求)。

2.1 甲板斜撐拓?fù)湫问皆O(shè)計(jì)

第1節(jié)所述各種已應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)的過(guò)渡段拓?fù)湫问降闹饕獏^(qū)別在于甲板斜撐結(jié)構(gòu)型式的不同。甲板斜撐是連接主筒體與甲板的主要構(gòu)件，一般在甲板上由各主腿連接位置伸出，另一端焊接在塔筒基礎(chǔ)環(huán)頂位置。在第1節(jié)討論的各種過(guò)渡段拓?fù)湫问街?，斜撐式過(guò)渡段的甲板斜撐拓?fù)湫问讲捎昧撕?jiǎn)單撐桿構(gòu)件，十字箱型梁式過(guò)渡段的甲板斜撐拓?fù)湫问綖橄湫土菏?，板狀?fù)合斜撐式過(guò)渡段的甲板斜撐拓?fù)湫问綖榈栋迨健?/p>

箱型梁式支撐構(gòu)件用十字形箱型梁直接將各桁架腿與主筒體連接起來(lái)，同時(shí)發(fā)揮甲板和甲板斜撐的作用。箱型梁式甲板斜撐具有一項(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn)，即可通過(guò)合理的板梁式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分吸收上部風(fēng)機(jī)載荷的作用能量，同時(shí)還可最大程度保證塔筒高度，進(jìn)而起到易于將結(jié)構(gòu)整體自振頻率控制在低頻狀態(tài)下的作用。目前已發(fā)現(xiàn)的該過(guò)渡段甲板斜撐型式多用于6 MW以上的超大型風(fēng)電系統(tǒng)。然而，這一支撐模式并不具備有效的載荷傳遞性能，一旦在設(shè)計(jì)與建造中未發(fā)揮其應(yīng)有的吸能性能，下部支撐結(jié)構(gòu)將存在嚴(yán)重的隱患。這種拓?fù)湫问皆谠O(shè)計(jì)與建造中具有較高的精度要求。顯然，對(duì)于20～50 m中等水深條件和4～5 MW風(fēng)電系統(tǒng)規(guī)模而言，箱型梁式甲板斜撐并不適用。

刀板式支撐構(gòu)件的設(shè)計(jì)源自海洋工程結(jié)構(gòu)海上駁運(yùn)時(shí)的固定刀板理念，即通過(guò)面積較大的刀形復(fù)合板材為主筒體提供支撐。這種支撐形式可有效地將風(fēng)機(jī)荷載向下傳遞，并且通過(guò)刀板連接避免管節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題。在海上風(fēng)電系統(tǒng)中引入刀板支撐概念時(shí)，單片復(fù)合板材具有較大的尺度，將引發(fā)大跨度板的局部屈曲問(wèn)題。這就要求在建造該類支撐板材時(shí)須采用高強(qiáng)度、高韌性的特種材料，從而使建造加工難度和成本大幅提升。據(jù)此，該類支撐結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)單撐桿支撐相比，并不具備明顯優(yōu)勢(shì)。

相較而言，簡(jiǎn)單撐桿支撐構(gòu)件傳力路徑明確、合理，加工方便且成本可控。一些風(fēng)電結(jié)構(gòu)將過(guò)渡段甲板斜撐加工成變徑撐桿，即與基礎(chǔ)環(huán)頂連接一端直徑較大，與甲板連接一端直徑較小(一般與桁架腿直徑相同)。斜撐變徑后可增大構(gòu)件的承載能力和與主筒體之間的焊接面積，從而減小基礎(chǔ)環(huán)頂管節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力。綜合比較四腿桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)過(guò)渡段常見(jiàn)甲板斜撐的拓?fù)湫问?，?0～50 m中等水深海域、4～5 MW裝機(jī)功率條件下，建議使用簡(jiǎn)單撐桿作為甲板斜撐的拓?fù)湫问健?/p>

2.2 過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)連接形式設(shè)計(jì)

圖7 水平撐桿連接過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)

在上述各種常見(jiàn)的桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)過(guò)渡段拓?fù)湫问街?，過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)均通過(guò)甲板或等效于甲板的箱型梁連接。在已投產(chǎn)的桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)中，還有使用水平撐桿連接過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)的形式，如圖7所示。

連接過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)的甲板或水平撐桿是直接將上部風(fēng)機(jī)荷載向下傳遞至基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件。連接構(gòu)件拓?fù)湫问降暮侠硇允菦Q定其能否有效發(fā)揮傳力功能的重要因素。為對(duì)比甲板與水平撐桿這兩種連接形式的結(jié)構(gòu)性能，選取我國(guó)東海某海域四腿桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)之間采用甲板連接形式，分別建立原結(jié)構(gòu)和更換為水平撐桿連接形式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并在極限載荷條件下分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，如圖8所示。

圖8 過(guò)渡段水平撐桿和甲板連接形式桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等效應(yīng)力分布情況

由圖8可知，采用水平撐桿連接形式的過(guò)渡段各斜撐和水平撐應(yīng)力水平明顯高于甲板連接形式的過(guò)渡段構(gòu)件，這表明水平撐桿連接形式未形成對(duì)風(fēng)機(jī)載荷的有效向下傳遞。在采用水平撐桿連接形式時(shí)，下部桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平存在顯著不均勻特征，而甲板結(jié)構(gòu)則有效地重新分配了上部風(fēng)機(jī)載荷，使下部結(jié)構(gòu)的承載水平更合理。由此可見(jiàn)，過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)之間采用甲板連接具有更優(yōu)良的抗失效性能和載荷重新分配效果。

2.3 甲板板梁拓?fù)湫问皆O(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)第2.2節(jié)的分析與討論，將甲板結(jié)構(gòu)確定為過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)之間的連接形式。在已有的海上桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)中，甲板結(jié)構(gòu)有兩種常見(jiàn)的板梁拓?fù)湫问剑阂环N是常規(guī)的矩形梁格，另一種是輻射狀梁格。為對(duì)比兩種板梁拓?fù)湫问降慕Y(jié)構(gòu)性能，仍對(duì)第2.2節(jié)選取的桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。該結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的板梁拓?fù)湫问綖檩椛錉盍焊?，另外建立使用矩形梁格的有限元模型，分別在極限荷載條件下分析各構(gòu)件的受力情況。

在甲板板梁結(jié)構(gòu)中，連接4根主腿的甲板梁是主梁。同時(shí)，輻射狀梁格中兩條對(duì)角線方向的甲板梁直接連接主筒體與桁架腿，對(duì)主筒體的變形控制和載荷傳遞發(fā)揮關(guān)鍵作用，也是甲板結(jié)構(gòu)的主梁。其他輻射狀梁格未與桁架腿直接連接，是甲板結(jié)構(gòu)中的次梁，次梁尺寸與主梁相比稍小。另外，梁格中超出4根桁架腿范圍的外伸部分不發(fā)揮載荷傳遞作用，也屬于板梁結(jié)構(gòu)中的次要構(gòu)件。對(duì)于矩形梁格結(jié)構(gòu)，按照主梁、次梁交替布置的方式構(gòu)建甲板板梁拓?fù)湫问健?/p>

經(jīng)過(guò)極限載荷作用下的靜力分析，兩種甲板結(jié)構(gòu)有限元模型各梁應(yīng)力UC值分布云圖如圖9所示[7]。由圖9可知，與矩形梁格相比，輻射狀梁格各梁應(yīng)力UC值分布更合理，可見(jiàn)輻射狀梁格的傳力機(jī)制更優(yōu)，能夠更有效地傳遞風(fēng)機(jī)塔筒載荷，且該板梁拓?fù)湫问皆O(shè)計(jì)質(zhì)量更小。據(jù)此，建議使用輻射狀梁格作為甲板板梁拓?fù)湫问健?/p>

圖9 輻射狀梁格與矩形梁格甲板梁應(yīng)力UC值分布情況

3 過(guò)渡段拓?fù)湫问絻?yōu)化

通過(guò)第2.3節(jié)的分析和討論，針對(duì)位于20～50 m水深海域和4～5 MW裝機(jī)功率的桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)過(guò)渡段，建議采用斜撐式拓?fù)湫问剑^(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)甲板連接，甲板板梁使用輻射狀梁格形式。為了得到最優(yōu)的過(guò)渡段拓?fù)湫问?，還需對(duì)過(guò)渡段結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，確定過(guò)渡段結(jié)構(gòu)型式的拓?fù)鋮?shù)包括：甲板斜撐表觀傾角和桁架腿甲板處間距。基于對(duì)已有海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的調(diào)研和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，過(guò)渡段拓?fù)湫问降脑O(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下限制條件：

(1) 桁架腿甲板處間距Ld應(yīng)介于主筒體直徑Dt的2～3倍之間。

2Dt≤Ld≤3Dt

(1)

(2) 過(guò)渡段高度Ht即基礎(chǔ)環(huán)頂至甲板的高度，一般設(shè)置在主筒體直徑的1～2倍之間。

Dt≤Ht≤2Dt

(2)

圖10 過(guò)渡段局部結(jié)構(gòu)模型

圖11 各組風(fēng)機(jī)載荷下過(guò)渡段無(wú)量綱剛度隨斜撐表觀傾角變化

在過(guò)渡段拓?fù)鋮?shù)中，甲板斜撐表觀傾角直接影響過(guò)渡段結(jié)構(gòu)剛度，是拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。在基礎(chǔ)環(huán)頂位置和過(guò)渡段高度的限制下，確定了甲板斜撐表觀傾角，另一拓?fù)鋮?shù)桁架腿甲板處間距也可以隨之確定。因此，建立過(guò)渡段局部結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，從而確定甲板斜撐表觀傾角的建議取值范圍。

過(guò)渡段局部結(jié)構(gòu)模型如圖10所示，模型包括過(guò)渡段主筒體、甲板斜撐、甲板和桁架腿頂部。其中，甲板設(shè)為剛性板，各桁架腿下部設(shè)置為鉸支約束。在基礎(chǔ)環(huán)頂位置分別施加不同級(jí)別的風(fēng)機(jī)載荷，計(jì)算在不同甲板斜撐表觀傾角下過(guò)渡段結(jié)構(gòu)的無(wú)量綱剛度k：

(3)

式中：F為基礎(chǔ)環(huán)頂處風(fēng)機(jī)剪力；M為基礎(chǔ)環(huán)頂處風(fēng)機(jī)彎矩；Dx為基礎(chǔ)環(huán)頂處水平位移。無(wú)量綱剛度k反映過(guò)渡段結(jié)構(gòu)抵抗水平載荷作用的支撐性能。

為了盡可能全面地刻畫(huà)過(guò)渡段拓?fù)湫问綄?duì)支撐性能的影響，在分析中設(shè)定14種風(fēng)機(jī)載荷情況，包括與不同裝機(jī)功率對(duì)應(yīng)的橫向載荷與垂向載荷的組合，具體情況如表1所示。圖11給出在表1中的14組風(fēng)機(jī)載荷作用下，過(guò)渡段無(wú)量綱剛度k隨斜撐表觀傾角的變化情況?？梢钥吹?，隨著風(fēng)機(jī)載荷的變化，無(wú)量綱剛度k的最優(yōu)區(qū)間也隨之變化，即過(guò)渡段最佳拓?fù)湫问揭蚕鄳?yīng)改變。

表1 不同裝機(jī)功率風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的橫向、垂向風(fēng)機(jī)載荷

圖12 最優(yōu)甲板斜撐表觀傾角隨風(fēng)機(jī)載荷變化曲面

根據(jù)上述變化趨勢(shì)，可將無(wú)量綱剛度的平穩(wěn)段劃定為最優(yōu)傾角范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)，為保證風(fēng)電結(jié)構(gòu)滿足風(fēng)機(jī)廠商提出的頻率要求，桁架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)型構(gòu)型。在最優(yōu)斜撐表觀傾角范圍內(nèi)，可選取上限值作為最優(yōu)甲板斜撐表觀傾角。據(jù)此，可得到上述各級(jí)載荷所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)甲板斜撐表觀傾角，如圖12所示。根據(jù)桁架式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組的載荷條件，即可從圖12曲面中選取最優(yōu)的甲板斜撐表觀傾角。

4 結(jié) 論

針對(duì)位于20～50 m中等水深海域、裝機(jī)功率在4～5 MW的桁架式風(fēng)電結(jié)構(gòu)，研究和討論其過(guò)渡段拓?fù)湫问降脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。本過(guò)渡段拓?fù)鋬?yōu)化方法是基于調(diào)研已有實(shí)際工程、總結(jié)相關(guān)設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)，以及具體的計(jì)算分析得到的。經(jīng)過(guò)分析與探討，主要得到以下結(jié)論：

(1) 在20～50 m水深范圍和4～5 MW裝機(jī)功率條件下，斜撐式過(guò)渡段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力路徑明確，推薦其作為過(guò)渡段拓?fù)湫问?。甲板結(jié)構(gòu)能夠有效重新分配應(yīng)力并向下傳遞，推薦其作為過(guò)渡段與桁架結(jié)構(gòu)的連接形式。輻射狀梁格具有更合理的傳力機(jī)制，建議將其作為甲板板梁的拓?fù)湫问健?/p>

(2) 除上述因素外，決定過(guò)渡段拓?fù)湫问降膬?yōu)化參數(shù)還有甲板斜撐表觀傾角和桁架腿甲板處間距。建立過(guò)渡段局部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，將反映過(guò)渡段水平承載性能的無(wú)量綱剛度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了在不同風(fēng)機(jī)載荷作用下最優(yōu)甲板斜撐表觀傾角的變化趨勢(shì)。

本文結(jié)合大量工程實(shí)例和具體結(jié)構(gòu)分析，提出了目標(biāo)水深范圍和裝機(jī)功率條件下桁架式基礎(chǔ)過(guò)渡段拓?fù)湫问降脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，可為相近條件下過(guò)渡段結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)提供參考。