海上變電站結(jié)構(gòu)承載能力控制工況分析及多工況集成優(yōu)化

收稿日期：2021-12-24

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金（LQ21E090010）

通信作者：孫震洲（1989—），男，博士、高級(jí)工程師，主要從事海上新能源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研發(fā)方面的研究。sun_zz@hdec.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1580 文章編號(hào)：0254-0096（2023）05-0360-08

摘 要：對(duì)于海上變電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足其安全性的同時(shí)，也要注重提高構(gòu)件的材料利用率。針對(duì)如東海域的某海上變電站，采用SACS軟件建立其整體有限元模型，結(jié)合Matlab自編程序，開(kāi)展變電站結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位承載能力的控制工況研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多工況下的集成優(yōu)化，同時(shí)以變電站所有構(gòu)件和導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，提出海上變電站結(jié)構(gòu)全工況綜合定量評(píng)價(jià)指標(biāo)——綜合UC值（unity check ratio）。與傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)化后變電站結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件和導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的綜合UC平均值均明顯增大，表明構(gòu)件的材料利用率顯著提高。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；變電站；工況；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；綜合UC值

中圖分類(lèi)號(hào)：P752 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上變電站是海上風(fēng)電場(chǎng)輸變電的核心設(shè)施，針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前國(guó)際上認(rèn)可度較高的規(guī)范為DNVGL-ST-0145《Offshore substations》［1］。該規(guī)范將變電站的結(jié)構(gòu)承載能力失效模式規(guī)定為承載能力極限狀態(tài)（ultimate limit states，ULS），對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況主要有在位、地震、吊裝、靠船等。圍繞上述計(jì)算分析內(nèi)容，中國(guó)對(duì)于海上變電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已有一些研究成果。孫震洲等［2-4］對(duì)海上變電站的地震儲(chǔ)備承載系數(shù)及其在靠船工況下的振動(dòng)舒適性進(jìn)行了研究；吳子昂等［5］、蔡?hào)|等［6］、袁建中等［7］、王永發(fā)等［8］分別對(duì)海上變電站上部組塊吊耳、樁柱連接部位、灌漿連接段進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核；湯群益等［9］針對(duì)傳統(tǒng)型式和腳靴式兩種海上變電站基礎(chǔ)開(kāi)展了坐底穩(wěn)定性研究；張棟梁等［10］對(duì)極端風(fēng)暴潮工況下海上變電站結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力響應(yīng)開(kāi)展了試驗(yàn)研究。除上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究成果之外，中國(guó)關(guān)于海上變電站的研究主要還圍繞總體布置方案及設(shè)計(jì)原則［11-13］、安裝方法及技術(shù)［14-15］、站址選擇及優(yōu)化［16-17］、振動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析［18-20］等方面展開(kāi)。總體上，現(xiàn)有關(guān)于海上變電站的研究，主要圍繞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核、總體布置設(shè)計(jì)以及施工安裝工藝等方面展開(kāi)，對(duì)于其整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法卻鮮有報(bào)道。

海上變電站所處環(huán)境復(fù)雜，在位服役期會(huì)受到風(fēng)、浪、流、地震等環(huán)境荷載及船舶撞擊等可變荷載的作用，且不同類(lèi)型的荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)不同部位的影響程度不同。此外，由于變電站上部組塊是在陸上建造與安裝調(diào)試后，再通過(guò)駁船整體運(yùn)輸至海上完成安裝工作，故還需保證裝船、運(yùn)輸和吊裝工況下結(jié)構(gòu)的安全性。因此，對(duì)海上變電站開(kāi)展包括在役和役前狀態(tài)在內(nèi)的多工況分析，了解變電站結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位承載能力的控制工況，對(duì)提升海上變電站的設(shè)計(jì)水平至關(guān)重要。隨著海上變電站輕量化逐漸成為國(guó)內(nèi)外諸多建設(shè)單位的共同需求［21］，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身的輕量化對(duì)于提升項(xiàng)目整體的經(jīng)濟(jì)性具有顯著意義。

針對(duì)如東海域的某海上變電站結(jié)構(gòu)，利用專(zhuān)業(yè)海洋工程有限元計(jì)算軟件SACS對(duì)其建立精細(xì)化模型，開(kāi)展包含裝船、運(yùn)輸、吊裝、在位、地震、靠船等多工況在內(nèi)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定變電站結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位承載能力的控制工況，并進(jìn)行了變電站結(jié)構(gòu)多工況集成優(yōu)化，以變電站所有構(gòu)件和導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，提出海上變電站結(jié)構(gòu)全工況綜合定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，以期為今后海上變電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)和借鑒。

1 計(jì)算原理

1.1 UC值和綜合UC值的定義

結(jié)構(gòu)計(jì)算中，通常采用[UC]值（unity check ratio）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。[UC]值為計(jì)算荷載與許用荷載的比值，其大小在某種程度上直接反映結(jié)構(gòu)的安全程度與經(jīng)濟(jì)性。[UC]值小于或等于1，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠，滿(mǎn)足規(guī)范要求，但[UC]值不宜過(guò)小，越小表明結(jié)構(gòu)的材料利用率越低，經(jīng)濟(jì)性較弱。在所有工況的計(jì)算結(jié)果中，構(gòu)件最大[UC]值（[RUC，max]）所對(duì)應(yīng)的工況即為該構(gòu)件承載能力的控制工況。

基于[UC]值的基本定義，進(jìn)一步提出海上變電站結(jié)構(gòu)全工況綜合定量評(píng)價(jià)指標(biāo)——綜合[UC]值。構(gòu)件綜合[UC]值的計(jì)算方法為：

[RUC，mem=1iRUC（i）×m（i）/G] （1）

式中：[RUC，mem]——變電站所有構(gòu)件在某工況下的綜合[UC]值；[RUC（i）]——第[i]根構(gòu)件的強(qiáng)度[UC]值；[m（i）]——第[i]根構(gòu)件的質(zhì)量；[G]——所有構(gòu)件總質(zhì)量。

由于管節(jié)點(diǎn)是變電站導(dǎo)管架設(shè)計(jì)中關(guān)鍵又薄弱的環(huán)節(jié)，因此優(yōu)化過(guò)程需同時(shí)對(duì)導(dǎo)管架主要構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)（導(dǎo)管架立柱、平面撐桿以及立面撐桿等主要受力構(gòu)件相互連接形成的節(jié)點(diǎn)）綜合[UC]值的計(jì)算方法為：

[RUC，joint=1jRUC（j）/P] （2）

式中：[RUC，joint]——導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)的綜合[UC]值；[RUC（j）]——第[j]個(gè)主節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度[UC]值；[P]——導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

綜合[UC]值反映變電站結(jié)構(gòu)材料的綜合利用效率，在滿(mǎn)足規(guī)范要求的范圍內(nèi)，盡可能提高綜合[UC]值是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。

1.2 結(jié)構(gòu)自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體思路為使得每根構(gòu)件的[UC]值在符合要求的范圍內(nèi)盡可能大，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量盡可能小，即實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性、材料利用率的最大化。

海上變電站結(jié)構(gòu)多工況集成優(yōu)化采用貪心算法的原理［22］，其基本思想是只考慮在當(dāng)前看來(lái)是最好的局部最優(yōu)解，然后將所有的局部最優(yōu)解合起來(lái)形成整體上的一個(gè)近似最優(yōu)解。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化時(shí)，假設(shè)變電站結(jié)構(gòu)數(shù)值模型中顯像化建模的構(gòu)件總數(shù)為[N]（上部組塊和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件，包含管型構(gòu)件[P]和梁構(gòu)件[H]），非顯像化建模的構(gòu)件總數(shù)為[M]（樁結(jié)構(gòu)）。通過(guò)裝船、運(yùn)輸、吊裝、在位、地震和靠船工況分析，可分別得到各個(gè)構(gòu)件在上述6個(gè)工況下的最大[UC]值[RUC，load、][RUC，trans、][RUC，lift、][RUC，ext、][RUC，ele、][RUC，shim，]則對(duì)于構(gòu)件[XN+M]中的任意元素[Xq]，判斷其承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求的唯一衡準(zhǔn)為：

[RUC，max（q）=maxRUC，load（q），RUC，trans（q），RUC，lift（q），RUC，ext（q），RUC，ele（q），RUC，shim（q）≤1] （3）

當(dāng)確定海洋水文、土壤條件與設(shè)備信息后，[RUC，max（q）]僅與所有構(gòu)件的截面配置選擇[SN+M]（包含顯像化建模構(gòu)件[N]和樁結(jié)構(gòu)[M]）有關(guān)。根據(jù)變電站結(jié)構(gòu)常用截面，表1給出了結(jié)構(gòu)

自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中顯像化構(gòu)件所采用的截面庫(kù)[SN]。對(duì)于非顯像化建模的樁，每次優(yōu)化計(jì)算時(shí)，樁徑在原有基礎(chǔ)上減少3 cm或保持不變，由此形成的一系列截面為樁的截面庫(kù)[SM]。

設(shè)變電站結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為G，則結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可表述為：

[minGSN+M，" Si∈SN+MSi=Sh，" h=1，2，…，7，" Xi∈XNHSp，" p=8，9，…，20，" Xi∈XNPSM，" Xi∈XM] （4）

[s.t.?i∈1，2，…，N+M，" RUC，target≤RUC，maxi≤1] （5）

當(dāng)出現(xiàn)構(gòu)件的[RUC，max]大于1時(shí)，則增大該截面尺寸；[RUC，max]小于[RUC，target]時(shí)，則減小該截面尺寸。根據(jù)構(gòu)件的[RUC，max]不斷調(diào)整其截面，使其盡可能位于最佳范圍內(nèi)，從而最大限度發(fā)揮材料的潛能。本研究中[RUC，max]的目標(biāo)值定為0.85。截面優(yōu)化及迭代計(jì)算過(guò)程中同時(shí)考慮變電站的總質(zhì)量[G]，使其趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即當(dāng)相鄰兩次迭代計(jì)算結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量差小于或等于10 t時(shí)結(jié)束優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示，圖1中[k]指迭代計(jì)算的次數(shù)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

位于如東海域的某海上變電站，其所屬風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模為200 MW，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。該站的上部組塊共4層，總質(zhì)量約2700 t，外輪廓平面尺寸為43.80 m×44.08 m，高16.16 m，采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)采用由4根直樁構(gòu)成的導(dǎo)管架型式，其平面尺寸為24.00 m×17.10 m，高21.60 m。整個(gè)變電站包括其內(nèi)部的電氣設(shè)備在陸上建造完成后進(jìn)行裝船、運(yùn)輸及海上安裝。其中，上部組塊通過(guò)自行式液壓平板車(chē)組（self-propelled modular transporter，SPMT）從建造場(chǎng)地裝船，并通過(guò)吊裝的方式完成海上安裝。

2.2 設(shè)計(jì)方法

本工程海上變電站結(jié)構(gòu)在各工況下的設(shè)計(jì)計(jì)算采用荷載抗力系數(shù)法（load and resistance factor design，LRFD）［23］，且均校核為承載能力極限狀態(tài)，其荷載效應(yīng)系數(shù)取值見(jiàn)表2［1］。管型構(gòu)件與非管型構(gòu)件的抗力系數(shù)分別依據(jù)文獻(xiàn)［24-25］選取。

本工程海上變電站結(jié)構(gòu)采用SACS軟件建模，整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，可用于在位、地震和靠船工況的計(jì)算，裝船（針對(duì)上部組塊）、運(yùn)輸和吊裝工況的計(jì)算模型分別如圖3～圖5所示。

3 關(guān)鍵控制工況分析

將SACS軟件輸出的裝船、運(yùn)輸、吊裝、在位、地震和靠船6個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果讀入Matlab自編程序，由程序自動(dòng)判別海上變電站結(jié)構(gòu)每根構(gòu)件的最大UC值及其對(duì)應(yīng)的工況，即關(guān)鍵控制工況，并在整體模型的基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)件賦予與控制工況一一對(duì)應(yīng)的顏色，形成具有關(guān)鍵控制工況判別功能的海上變電站新模型，如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，變電站上部組塊的關(guān)鍵控制工況主要為地震和吊裝。為明晰控制工況在上部組塊不同部位的分布情況，以開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)，圖7給出了各層結(jié)構(gòu)的控制工況分布圖。位于主軸網(wǎng)上的梁以及2～3層、3層～屋頂層之間的主柱幾乎均由吊裝工況控制。海上變電站上部組塊采用空間桁架結(jié)構(gòu)型式，一般通過(guò)4根主立柱及與其相連的主梁形成主框架。上部組塊的安裝通常是在主柱上布置4個(gè)吊耳，從而進(jìn)行海上吊裝。吊繩力直接作用于吊耳，并傳遞給主柱，再由主柱以及各層之間的一部分斜撐傳遞給各層的主梁，由此形成了上述受吊裝工況控制的構(gòu)件分布情況。研究表明，當(dāng)海上變電站所處場(chǎng)地條件確定時(shí)，其在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要受上部組塊總質(zhì)量的影響［2］。由于上部組塊質(zhì)量較大，約有2700 t，因此除吊裝工況控制外的大多數(shù)構(gòu)件，均受地震工況控制。此外，上部組塊的部分構(gòu)件還由運(yùn)輸工況控制，以1～2層之間的主柱以及1層和屋頂層的構(gòu)件居多，這是由于1層構(gòu)件以及1～2層之間的主柱為運(yùn)輸支撐的直接受力構(gòu)件，而屋頂層構(gòu)件在運(yùn)輸時(shí)的穩(wěn)定性較其余層的構(gòu)件更弱。上部組塊結(jié)構(gòu)受裝船、在位、靠船工況的影響較小。

變電站導(dǎo)管架的關(guān)鍵控制工況主要為地震、在位和靠船。由于主導(dǎo)管、橫撐、斜撐等是地震、波浪等環(huán)境荷載的直接作用構(gòu)件，因此上述構(gòu)件主要由地震和在位工況控制。由圖6可知，防撞結(jié)構(gòu)由靠船工況控制，其中頂靠處由于船舶撞擊力作用更集中，因此與其相連的部分斜撐同樣由靠船工況控制。此外，導(dǎo)管架的上水平橫撐與吊耳距離較近，因此吊裝工況下部分上水平橫撐具有較大的[UC]值。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)受運(yùn)輸工況的影響較小。

4 多工況集成優(yōu)化

根據(jù)1.2節(jié)所述方法，對(duì)變電站結(jié)構(gòu)開(kāi)展裝船、運(yùn)輸、吊裝、在位、地震和靠船6個(gè)工況下的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的對(duì)象包括上部組塊、導(dǎo)管架和樁。其中，前3個(gè)工況屬于役前狀態(tài)，結(jié)構(gòu)中不含樁，后3個(gè)在役工況的計(jì)算中均存在樁結(jié)構(gòu)。在Matlab自編程序中完成理論優(yōu)化過(guò)程后，由于優(yōu)化前對(duì)于上部組塊構(gòu)件并未強(qiáng)制分組，因此會(huì)出現(xiàn)同一軸線上的柱或斜撐外徑不同以及貫通梁構(gòu)件截面不同的情況，如圖8a所示?？紤]到工程實(shí)際構(gòu)造要求以及施工可操作性等因素，按如下規(guī)則對(duì)相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行修正：對(duì)于同一軸線上的各段主柱或斜撐，采用該軸線上的最大截面尺寸；對(duì)于貫通梁構(gòu)件，各段構(gòu)件同樣采用梁長(zhǎng)度范圍內(nèi)的最大截面尺寸。程序自動(dòng)修正后的結(jié)構(gòu)截面配置方案示意圖見(jiàn)圖8b。由于每次優(yōu)化計(jì)算對(duì)各樁段采用直徑同步減小相同尺寸的方式，因此上述修正不包含樁。

4.1 顯像化構(gòu)件（上部組塊和導(dǎo)管架）優(yōu)化結(jié)果

海上變電站顯像化構(gòu)件優(yōu)化前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3，構(gòu)件最大[UC]值區(qū)間對(duì)比見(jiàn)圖9。

截面優(yōu)化并修正完畢后，模型上部組塊總質(zhì)為2353 t，導(dǎo)管架總質(zhì)量為1154 t，在理論優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別增加了3.29%和6.56%，但與傳統(tǒng)方法結(jié)果相比，分別減少了11.61%和27.83%。由上述結(jié)果可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)可在保障全部構(gòu)件安全性的前提下，使上部組塊和導(dǎo)管架的工程量明顯下降，且構(gòu)件[UC]值區(qū)間呈現(xiàn)“兩端小，中間大”的類(lèi)似正態(tài)分布形式，處于中、高利用率的構(gòu)件數(shù)量顯著增加，大多數(shù)構(gòu)件的材料利用率在0.2～0.7之間，相比傳統(tǒng)方法結(jié)果更合理。

優(yōu)化前后變電站所有構(gòu)件在各工況下的綜合[UC]值見(jiàn)表4。由表4可知，理論優(yōu)化后的構(gòu)件綜合[UC]平均值與傳統(tǒng)方法相比增加了93.75%，即構(gòu)件的材料利用率增大近1倍。修正后的綜合UC平均值與理論優(yōu)化結(jié)果相比雖有一定幅度的下降，但修正后的結(jié)構(gòu)截面配置方案與工程實(shí)際更為接近，更具備施工可行性。此外，任一截面配置方案下，地震工況均貢獻(xiàn)了最大的材料利用率，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)地震工況給予重點(diǎn)關(guān)注。

4.2 非顯像化構(gòu)件（樁結(jié)構(gòu)）優(yōu)化結(jié)果

海上變電站非顯像化構(gòu)件優(yōu)化前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。優(yōu)化后的樁徑在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，由200 cm降至155 cm，樁總質(zhì)量對(duì)應(yīng)減少了25.94%。對(duì)于樁基承載力而言，理論優(yōu)化后的綜合UC平均值與傳統(tǒng)方法相比增加了29.69%，對(duì)上

部組塊和導(dǎo)管架構(gòu)件截面修正后，該值有所下降。對(duì)于樁身強(qiáng)度而言，理論優(yōu)化和修正后的綜合UC平均值與傳統(tǒng)方法相比分別增加了8.33%和16.67%。此外，在位工況貢獻(xiàn)了樁的最大材料利用率，因此在進(jìn)行樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)在位工況給予重點(diǎn)關(guān)注。

4.3 優(yōu)化前后導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核

需進(jìn)行導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核的工況有運(yùn)輸、吊裝、在位、地震和靠船，具體校核結(jié)果見(jiàn)表6。理論優(yōu)化和修正后導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)的綜合[UC]平均值與傳統(tǒng)方法相比分別增加了85.71%和76.19%。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度受在位和靠船工況影響較大，優(yōu)化和修正后，地震工況對(duì)其的影響也隨之增大。因此，對(duì)變電站結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在關(guān)注構(gòu)件[UC]值變化的同時(shí)，還需特別注意校核各截面配置方案下導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足各工況的要求。

5 結(jié) 論

本文以如東海域某海上變電站為例，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的控制工況研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多工況下的集成優(yōu)化，并根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行了相關(guān)修正。最后，以變電站所有構(gòu)件和導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，提出了海上變電站結(jié)構(gòu)全工況綜合定量評(píng)價(jià)指標(biāo)——綜合[UC]值。通過(guò)研究，得到以下主要結(jié)論：

1）變電站上部組塊的關(guān)鍵控制工況主要為地震和吊裝，同時(shí)1～2層以及屋頂層的部分構(gòu)件受運(yùn)輸工況控制。導(dǎo)管架的關(guān)鍵控制工況主要為地震、在位和靠船。對(duì)于受不同工況控制的構(gòu)件應(yīng)開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可顯著降低上部組塊、導(dǎo)管架和樁的工程量，優(yōu)化且修正后的結(jié)構(gòu)上部組塊和導(dǎo)管架的質(zhì)量，與傳統(tǒng)方法相比分別減少了11.61%和27.83%，且樁徑由200 cm降至155 cm，同時(shí)使得大多數(shù)構(gòu)件的[UC]值位于0.2～0.7之間，呈現(xiàn)“兩端小，中間大”的類(lèi)似正態(tài)分布形式。

3）與傳統(tǒng)方法相比，理論優(yōu)化后的變電站結(jié)構(gòu)，其所有顯像化構(gòu)件強(qiáng)度、樁基承載力、樁身強(qiáng)度、導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的綜合[UC]平均值分別提高了93.75%、29.69%、8.33%和85.71%。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正后，除了樁身強(qiáng)度，其余各項(xiàng)指標(biāo)的綜合[UC]平均值均有一定幅度的下降，但修正后的結(jié)構(gòu)截面配置方案與工程實(shí)際更接近，能實(shí)現(xiàn)安全性、經(jīng)濟(jì)性和可行性的統(tǒng)一。

4）任一設(shè)計(jì)方案下，在位工況均貢獻(xiàn)了樁的最大材料利用率，其余構(gòu)件的最大材料利用率由地震工況貢獻(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)上述兩種工況給予重點(diǎn)關(guān)注。此外，對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，在關(guān)注構(gòu)件[UC]值變化的同時(shí)，還需特別注意校核各截面配置方案下導(dǎo)管架主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足各工況的要求。

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ANALYSIS OF BEARING CAPACITY CONTROL LOAD CASE OF

OFFSHORE SUBSTATION AND ITS OPTIMIZATION UNDER

MULTIPLE LOAD CASES

Huang Shanshan，Sun Zhenzhou，Wang Yongfa，Chen Jiefeng，Lyu Guo’er，Yu Gangjie

（Power China Huadong Engineering Co.， Ltd.， Hangzhou 311122， China）

Abstract：Both the security and material utilization improvement of members should be paid attention to in the structural design of offshore substations. For an offshore substation located in Rudong sea area， a complete finite element model is built in SACS and a Matlab program is also used to investigate the bearing capacity control load case of key positions of the substation. In addition， the whole structure is optimized under multiple load cases. Considering all members and main jacket joints， a comprehensive quantitative index——comprehensive UC（unity check ratio）， is proposed for the offshore substation under all load cases. Compared with conventional methods， the comprehensive UC of all members and main jacket joints is increased significantly after optimization， indicating that the material utilization is improved obviously.

Keywords：offshore wind power； substations； working conditions； structure optimization； comprehensive UC