一種鋼制潮流能發(fā)電平臺(tái)設(shè)計(jì)方法

徐俊，徐鑫

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)與利用已成為全世界關(guān)注的重點(diǎn)。在探索可再生能源的過(guò)程中，潮流能引起了廣泛的關(guān)注，水輪機(jī)等潮流能開(kāi)發(fā)設(shè)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(diǎn)，多分布在近海地區(qū)，水輪機(jī)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(fù)雜的地質(zhì)條件等因素都對(duì)潮流能開(kāi)發(fā)提出了嚴(yán)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(tái)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)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(duì)工程設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行有限元分析計(jì)算，論證了該設(shè)計(jì)方法的可行與合理性，為類似工程設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。

1 鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)形式

為追求高發(fā)電效率，潮流能開(kāi)發(fā)場(chǎng)址通常位于流速較大的海域，但是這類海域條件對(duì)安裝水輪機(jī)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(fù)雜地形、流速較大的環(huán)境條件下保證水輪機(jī)組的正常運(yùn)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(diǎn)[1-3]，廣泛應(yīng)用于海洋資源開(kāi)發(fā)，并可作為巖質(zhì)地基下嵌巖樁基礎(chǔ)的施工平臺(tái)。本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(tái)設(shè)計(jì)方法。主體鋼結(jié)構(gòu)在陸域拼裝完成后，吊運(yùn)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(tái)。

鋼制潮流能平臺(tái)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(tái)整體模型如圖1 所示。橫向排架數(shù)由水輪機(jī)組數(shù)決定，橫向鋼框架之間通過(guò)2 組永久縱向鋼框架進(jìn)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(tái)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(shè)計(jì)，最外側(cè)2 根為斜樁。排架內(nèi)各樁套筒之間通過(guò)圓管撐桿連接，排架之間水下部分基本不設(shè)置桿件連接，以免影響水輪機(jī)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(shè)置斜向支撐，使局部形成穩(wěn)定的三角形穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)，提高結(jié)構(gòu)整體的抗扭轉(zhuǎn)能力。

2 數(shù)值分析

2.1 設(shè)計(jì)資料

本文依托項(xiàng)目場(chǎng)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(shí)該區(qū)域水流湍急，最大流速可達(dá)5 m/s 以上，是理想的海洋潮流能發(fā)電場(chǎng)所。

擬建的鋼框架平臺(tái)長(zhǎng)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(jiàn)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(jìn)入中等風(fēng)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(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。場(chǎng)址50 a 一遇設(shè)計(jì)波高2.97 m，波長(zhǎng)138.64 m，周期10.29 s。水深最深處達(dá)25 m，海底地面為裸露巖石，陡度最陡處達(dá)30°。落潮流最大流速為5.82 m/s，與平臺(tái)最大夾角為6°，漲潮流最大流速為5.10 m/s，與平臺(tái)最大夾角為3°，平均流速為4 m/s，與平臺(tái)最大夾角為6°。

2.2 計(jì)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(dāng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化并設(shè)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(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建模、計(jì)算效率高，后處理結(jié)果不僅包括結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，還可以輸出GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]規(guī)范的檢驗(yàn)結(jié)果，常用于陸上建筑設(shè)計(jì)。該軟件可有效處理風(fēng)載荷、雪載荷等建筑設(shè)計(jì)中的常用載荷，但不能通過(guò)波流參數(shù)施加相應(yīng)載荷，因此需要通過(guò)相關(guān)規(guī)范計(jì)算出波流載荷，然后分別折算成節(jié)點(diǎn)力施加在結(jié)構(gòu)上。平臺(tái)的計(jì)算內(nèi)容包括構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算以及變形或撓度計(jì)算、長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算。

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

為準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼制平臺(tái)建模過(guò)程遵循以下原則：

1）桿件單元與單元之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)為剛接，對(duì)于特殊說(shuō)明的桿件，根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化處理。

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

3）局部加勁板不參與整體結(jié)構(gòu)計(jì)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(shè)計(jì)中，桿件首先需要滿足穩(wěn)定設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求，其中的關(guān)鍵指標(biāo)就是長(zhǎng)細(xì)比?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比允許限值為150，受拉構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比允許限值為300。

在常規(guī)跨度的桁架設(shè)計(jì)中，桿件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比通?？刂圃?.9 以下[5]，但本平臺(tái)常年承受潮流往復(fù)作用，而且海上晝夜溫差較大，溫度應(yīng)力等也會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生一定的影響。因此，本工程桿件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比控制標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算載荷主要包括以下幾項(xiàng)：

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(jì)算中設(shè)為吊車載荷，吊車總重取120 t，沖擊系數(shù)取1.3，移動(dòng)路徑可人為定義。

4）水流力，施工期水流速取平均流速，按照J(rèn)TS 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(jìn)行計(jì)算。

具體工況組合及載荷分項(xiàng)系數(shù)的選取見(jiàn)表2。位移計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值見(jiàn)表3，強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值見(jiàn)表4，桿件應(yīng)力比分布見(jiàn)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(luò)值Table 3 Envelope value of displacement results during construction period mm

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

圖3 桿件應(yīng)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(tái)在施工作業(yè)期間最大位移為22.09 mm，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位于3-3 排架角點(diǎn)；最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.546，對(duì)應(yīng)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(yīng)力比為0.604，對(duì)應(yīng)的桿件為臨時(shí)框架端部垂向方形鋼梁，抗剪應(yīng)力比和長(zhǎng)細(xì)比均滿足安全要求。通過(guò)上述分析計(jì)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(shí)框架，截除超出頂層框架的樁套筒。安裝水輪機(jī)組和其他設(shè)施，平臺(tái)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(jī)組載荷和地震載荷。機(jī)組極限載荷由業(yè)主提供，在計(jì)算時(shí)將載荷均分在機(jī)組的4 個(gè)節(jié)點(diǎn)上，機(jī)組平面布置見(jiàn)圖4。具體工況組合及載荷分項(xiàng)系數(shù)的選取見(jiàn)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(jì)算；小船意外撞擊載荷參考JTG D 60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[8]有關(guān)條款計(jì)算，地震載荷通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)施加在結(jié)構(gòu)上。具體載荷見(jiàn)表6，位移計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值見(jiàn)表7，強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算結(jié)構(gòu)包絡(luò)值見(jiàn)表8，桿件應(yīng)力比分布見(jiàn)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(jī)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(jī)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(luò)值Table 7 Envelope value of displacement results during operation period mm

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

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

由以上使用期各工況計(jì)算結(jié)果可知，桿件最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.463，桿件最大穩(wěn)定應(yīng)力比為0.438，對(duì)應(yīng)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(yǔ)

本文將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和嵌巖樁基礎(chǔ)施工結(jié)合起來(lái)，提出一種潮流能發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以某潮流能發(fā)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)3D3S 軟件建立了不同階段的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型，并對(duì)施工期工況、使用期工況等工況下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了計(jì)算，分析了相應(yīng)的計(jì)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(kāi)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(tái)兩側(cè)斜樁上的偏心桿件需重點(diǎn)關(guān)注；

4）本文的分析過(guò)程和結(jié)果可以為近海潮流能發(fā)電平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供參考。

鋼制潮流能發(fā)電平臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)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(jìn)行了專項(xiàng)技術(shù)論證，具體過(guò)程有待進(jìn)一步總結(jié)分析。