钢质平台海上测风塔基础结构强度及稳定性分析

2013-01-11，，，

船海工程 2013年5期

，，，

(1.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙 410014;2.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024)

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用风力发电已经成为当今世界最主要的可再生能源技术之一。由于陆地上可开发的风资源越来越少，全球风电场建设已出现从陆地向近海发展的趋势。进行海上风电开发首先需要收集近海区域海洋水文参数及风参数的数据。获得这些数据的最直接、有效的方法就是建立海上测风塔。目前我国已建成的海上测风塔很少，可供借鉴参考的资料更少。本文针对三桩钢质平台海上测风塔基础结构设计情况进行总结分析，为海上测风塔基础设计提供参考。

1 环境荷载参数及荷载组合

1.1 环境荷载参数

在海上测风塔设计过程中考虑的荷载主要包括基础自重，上部塔架荷载、波浪力、水流力、风荷载、冰荷载和地震力等[1]。本文对塔架荷载的考虑主要为上部塔架承受风荷载作用及其自重传递至塔架与基础连接的法兰部位的荷载。对于波浪力，本文对已收集到的测风塔海域的水文参数进行分析，分别计算波浪从0°、90°和270°入射时测风塔基础的稳定性及强度。拟建测风塔海域水位及波浪要素见表1。

假定海流流速为1.14 m/s。对于冰荷载，根据《中国海海冰条件及应用规定》[2]，取拟建测风塔海域调查统计单层冰最大厚度35 cm，单轴无侧限极限抗压强度按50年一遇，取1.99 MPa。对于地震荷载，本文计算过程中按APIB谱计算，地面运动水平加速度取0.15g。考虑海生物附着影响，平均海平面以下的构件考虑10 cm厚的海生物附着。本文在计算工程中，各荷载组合风、浪、流均为同向。

表1 测风塔海域水位及波浪要素

1.2 荷载组合

对出现在测风塔上的荷载作用，应考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态，并结合相应的设计工况进行作用效应组合。风、波浪力、水流力和海冰荷载作为海洋工程中的经常作用力，设计将之纳入基本可变荷载而非其它可变荷载参加荷载组合，荷载组合中考虑可能出现的不利水位和波浪、水流及风的作用方向。因为测风塔海域的海浪主要是风浪，本文假定风荷载和波浪荷载方向一致，而风浪方向有可能和海流方向重叠，由于铁塔荷载除了竖向力之外，绝大部分由风产生，所以本文计算中可变荷载的作用方向全部考虑为同一方向，即波流力荷载、铁塔荷载水平力和弯矩、测风塔基础所受风荷载作用方向相同。具体组合见表2。

2 荷载计算

2.1 塔架荷载

在对测风塔基础结构进行分析时，所考虑的塔架荷载为上部结构承受风荷载作用传递至塔架底部的荷载，该部分荷载由塔架设计人员提供。

表2 荷载组合原则

2.2 风荷载

根据收集到的拟建测风塔区域的气象资料，测风塔所在位置海边风速(陆地)10 m高度处的50年一遇最大风速v=30.98 m/s。由

(1)

得W0=0.6 kN/m2。

根据《港口工程荷载规范》[3]，高度系数μz取1.38，根据《高耸结构设计规范》[4]，体型系数μs取0.9。垂直作用于测风塔基础表面单位面积上的风荷载标准值Wk按下式计算。

Wk=μsμzW0

(2)

可得Wk=0.75 kN/m2。

2.3 波浪荷载

作用在构件上的波浪力采用Morison公式计算。水质点的速度和加速度采用流函数理论计算。对于圆柱体构件，阻力系数Cd和惯性力系数Cm取值一般情况下Cd取0.7，Cm取2.0。波浪力的计算公式如下。

(3)

式中：F——垂直构件轴线方向上的单位长度的水动力矢量；

FD——垂直构件轴线方向上的，在构件轴线和u平面内的单位长度上的阻力矢量；

FI——垂直构件轴线方向上的，在构件轴线和du/dt平面内的单位长度上的惯性力矢量；

CD——阻力系数；

Cm——惯性力系数；

ω——水的重度；

g——重力加速度；

D——构件的直径(包括海生物附生)；

u——垂直构件轴线的水质点的速度分矢量；

du/dt——垂直构件轴线的水质点的加速度分矢量。

2.4 流荷载

当流单独作用时,其作用在构件上的流荷载采用《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法——工作应力设计法》[5]中的计算公式

F=0.5CS·A·v2·ω/g

(4)

式中：F——作用于结构构件上的流荷载；

Cs——阻力系数；

A——结构构件投影面积；

v——流速。

2.5 冰荷载

根据《中国海海冰条件及应用规定》

p=mK1K2Rcbh

(5)

式中：m——桩柱形状系数，对半圆形截面取0.9，三角形时可查表确定；

K1——局部挤压系数，取值在2.0～3.0之间；

K2——接触系数，与冰的硬度、结构物迎冰面的平整度有关，建议取值0.45；

Rc——冰的抗压极限强度；

b——桩柱宽度或直径；

h——冰层厚度。

3 数值计算

3.1 数值模型

采用ANSYS有限元软件对测风塔基础结构受力、变形及地基土的屈服特性进行详细计算分析。采用ANSYS中的Pipe59单元模拟基础泥面以上的桩结构，泥面以下的钢管采用Pipe16单元模拟。根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法——工作应力设计法》中P-Y曲线法建立测风塔基础结构的桩-土相互作用模型，钢管桩与土层之间作用由三维弹簧单元Combine39模拟。本测风塔基础采用三桩钢平台结构基础，采用6∶1的斜桩，桩顶面高程为9.3 m，钢管桩直径1.2 m，桩长68 m。桩顶之间的间距由上部塔架结构尺寸决定，本测风塔桩顶成边长为9 m的正三角形布置。上水平连接杆单根长8.69 m，重1.16 t，下水平连接杆单根长10.59 m，重1.4 t，单根长11.35 m，桩与撑杆以及撑杆与撑杆之间采用高强度焊缝连接。测风塔基础数值模型见图1。

图1 测风塔基础数值模型

图2为风、浪、流入射方向。本数值模型的坐标按图2所示布置X-Y平面坐标，Z坐标以向上方向为正。

图2 风、浪、流入射方向

3.2 整体强度及稳定性分析

分别计算各工况下测风塔基础桩的拔力、桩的压力、von Mises等效应力以及桩的最大竖向位移和倾斜率。根据《港口工程桩基规范》[6]，对竖向位移和倾斜率的计算仅考虑正常使用状态。计算结果见表3。

表3 测风塔基础数值计算结果

由表3见，本测风塔属于抗拔控制，桩的拔力极值出现在极端高水位风、浪、流270°入射时，此时仅1JHJ桩抗拔，桩的拔力达到极值。风、流以及冰荷载90°方向入射时，1JHJ桩单桩抗压，此时，桩的压力达到极值。桩的拔力和压力控制要求根据《港口工程桩基规范》(JTJ 254-1998)计算得到，式(7)和(8)分别为单桩垂直极限承载力计算公式和单桩抗拔极限承载力计算公式。本测风塔桩的抗拔及抗压均满足要求。本测风塔基础von Mises等效应力极值出现在风、流和冰荷载90°入射正常使用工况时，其最大值满足《钢结构设计规范》[7]中的控制要求。本测风塔结构在《高耸结构设计规范》中安全等级为二级，基础的最大竖向位移和倾斜率均满足《高耸结构设计规范》设计要求。从计算结果中可以看出，测风塔的稳定性为抗拔控制，其极值出现在极限工况下极端高水位，而冰荷载对测风塔基础的应力和倾斜率起控制作用。因此在需考虑冰荷载海域进行测风塔设计时，应对该海域海冰抗压极限强度以及冰层厚度进行重点复核。

(6)

式中：Qd——单桩垂直极限承载力设计值；

γR——单桩垂直承载力分项系数；

U——桩身截面周长；

q∏——第i层土的极限侧摩阻力标准值，kPa；

li——桩身穿过第i层土的长度；

qR——单桩极限桩端阻力标准值，kPa。

(7)

式中：Td——单桩抗拔极限承载力设计值；

γR——单桩抗拔承载力分项系数；

ξi——折减系数；

G——桩重力，水下部分按浮重力计；

α——桩轴线与垂线夹角。

4 测风塔基础撑杆选型

撑杆是测风塔基础的重要组成部分，其尺寸的确定需综合考虑钢管尺寸规格以及撑杆尺寸对波流力产生的影响。根据常规无缝钢管直径尺寸，比选不同直径撑杆对测风塔基础所受波流力产生的影响，对比分析测风塔基础桩的拔力、桩的压力、以及撑杆衔接处的焊缝应力。计算结果见表4。

表4 不同直径撑杆测风塔基础计算结果

对于焊缝应力的计算，根据《钢结构设计规范》，角焊缝在各种力综合作用下，正应力σf和剪应力τf共同作用处，应满足下式要求。

(8)

当弯矩作用在平面内的拉弯焊缝和压弯焊缝，其强度按下式计算。

(9)

当弯矩作用在平面内的直剪焊缝和扭剪焊缝，其强度按下式计算。

(10)

式中：N——计算截面的轴向力；

M——计算截面的弯矩；

WZ——计算截面分别绕x轴和y轴的弯矩截面系数；

Q——计算截面的剪力；

T——计算截面的转矩；

WP——截面的抗扭截面模量；

D——圆管计算截面直径；

t——圆管计算截面壁厚；

σf——计算截面最大正应力；

τ——计算截面最大剪应力。

由表4可见，随着撑杆直径的增大，测风塔基础桩基所受的拔力、压力和von Mises等效应力都相应增大。这是因为撑杆直径增大，测风塔基础所受的波浪力和水流力也会增大，从而导致桩基所受的拔力、压力和von Mises等效应力相应增大。撑杆焊缝应力一方面会随着撑杆所受的轴力、弯矩及转矩变大而增大；另一方面由于撑杆直径的增大焊缝的弯矩截面系数和截面抗扭截面模量也会增大，从而导致焊缝应力的减少。随着撑杆直径的增大焊缝应力极值逐渐减少，当撑杆直径达到508 mm时，焊缝应力极值基本不变。在测风塔基础设计过程中须综合考虑不同直径撑杆下桩的拔力、von Mises等效应力及焊缝应力极值，本测风塔设计选用撑杆直径为508 mm。

5 柱脚型式对比分析

柱脚是连接测风塔基础与塔架底端法兰的重要构件。目前测风塔基础采用的柱脚型式主要有两种，见图3。

图3 柱脚型式

a型柱脚其柱脚板位于桩内部，其优点在于柱脚板与桩之间的焊缝连接为平焊，便于施工，容易保证焊缝质量；其缺点在于，焊缝的有效长度较短，且在实际工程中留给塔架法兰可调节的空间较少。b型柱脚其柱脚板稍大于桩径，外面布置一圈加强肋板。b型柱脚的优点在于：桩外围可以布置加强肋板，柱脚板的有效焊缝长度能得到很大的增加，柱脚板直径较大从而留给塔架法兰可调节的空间较大；其缺点在于柱脚板的焊缝为仰焊，焊接工艺要求较高。

采用Ansys软件对比分析测风塔受压及抗拔时两种柱脚型式所受的应力。应力分布见图4、5。

由图4和图5可见，a型柱脚受压时结构最大应力为127 MPa,抗拔时为163 MPa；b型柱脚受压时结构最大应力为91.5 MPa，抗拔时为117 MPa。b型柱脚在受压和抗拔时最大应力均比a型柱脚小。这主要是因为b型柱脚比a型柱脚多出一圈加强肋板，桩与塔架法兰的连接更加稳定。