台风作用下海上升压站上部结构受力特征

陈 亮，陶 安，张恒宇，王博士，苏 凯

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310014；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

海上风力发电作为一种清洁的可再生能源，具有风资源稳定、发电寿命长、无障碍物遮挡、离人口密集的沿海地区近等优势，是减少能源消耗环节中产生碳排放的有效手段和推动实现未来全球低碳经济发展的重要助力[1]，具有显著的社会和环保效益。目前的海上风电场都向远距离、大容量的趋势发展[2]，为了提高输电系统的可靠性，减小投资和运行损耗，海上升压站已成为海上风电场不可或缺的组成部分，在电能传输方面的作用日益明显[3]。由于海上风电项目主要集中在沿海地区，这些地区大都受台风的影响，台风作用下可能造成海上升压站结构整体倾覆或倒塌。因此，对台风条件下海上升压站结构受力分析是非常重要的。

随着计算机数值模拟技术的快速发展，有限元分析在海上升压站相关结构分析中的应用愈加广泛。范云生等[2]基于无加强板的导管架吊耳布置形式建立ANSYS有限元模型，对比研究了加强板对导管架吊耳受力性能的影响；汤群益等[4]以日本福岛浮式升压站为研究对象，提取其附加质量和兴波阻尼，基于数值计算平台对模型在不规则波作用下的动力响应进行仿真分析；吴子昂等[5]以海上升压站上部平台吊耳为例，对比分析理论计算结果与有限元模拟结果，探究了升压站吊耳放置角度对连接处结构强度的影响；范云生等[6]选取海上升压站上部组块的典型节点，基于无加劲肋的局部节点布置形式建立ANSYS有限元模型，对比探究设置不同加劲形式对节点受力性能的影响；袁建中等[7]对海上升压站平台桩和上部结构柱腿连接处进行有限元建模与分析，实现了对柱腿连接处的强度校核。

本文以沿海地区某海上风电项目场区内220 kV海上升压站上部结构为依托，通过数值模拟方法，对强台风条件下海上升压站结构受力特征进行分析，以期为台风条件下海上升压站结构优化设计与建造等提供技术指导，以此提高结构全生命周期内的整体抗台风能力和抗灾性能。

1 基础理论

本文计算依据线弹性静力有限元，通过弹性力学变分原理建立弹性力学问题有限单元表达格式，将结构离散为一系列连续分布的单元，以单元结点位移为基本变量，初始假定单元内的位移与结点位移存在插值函数关系，通过弹性力学的几何方程、物理方程以及最小位能原理建立单元刚度方程，按单元结点编号在整体坐标下进行坐标转换和刚度集成，得到整个结构的刚度矩阵，再根据单元等效结点荷载、位移边界条件，形成一系列线性方程[8]。按迭代法在收敛精度允许范围求解方程，得到结点位移，再由几何方程和物理方程进一步得到各单元相应的应变和应力。

2 工程实例概述

某海上风电项目场区内220 kV海上升压站结构根据《风电场工程等级划分及设计安全标准》(FD002-2007)规定，按照装机容量划分，其工程等别为II等，工程规模为大(2)型。

该上部结构共四层甲板，主尺寸为34.0 m×36.6 m，总重1 884.34 t。一层主要作为电缆层，主要布置有小悬臂吊、事故油池、备品间、救生设备等；二层为整个海上升压站主要核心区域，布置有主变室、GIS室、开关室、油罐室、低压配电室、应急配电室、水泵房、工具间等；三层布置主变室和GIS室上部挑空、柴油发电机室、暖通机房、通信继保室、中控室等；顶层布置直升机平台、悬臂吊、空调室外机、通信天线和气象测风雷达、设备检修孔等。

该上部结构以全钢构件焊接构成，每层甲板由H型钢焊接而成，层与层之间由圆钢管连接，四根中空支撑柱底部与基础桩连接，支撑整个结构。一层梁顶高程13.5 m，层高为6.5 m；二层、三层层高均为5.0 m，并在四周设置防风墙；四层(屋顶层)布置直升机平台。

3 有限元模型

如图1所示，在计算范围内，对海上升压站上部结构主支撑柱、立柱/斜柱、梁均按实际长度、截面特征进行建模仿真，焊接部分采用共节点方式模拟。结构中四个支撑柱编号分别为2-B、2-D、4-B、4-D，考虑到其受力情况复杂，属于结构重点关注部位，同时考虑到整体建模的可行性，对其采用四结点shell单元模拟。为降低建模难度、提高计算效率，立柱/斜柱、梁均采用含有截面属性的beam单元模拟。除此之外，舾装、固定设备等采用虚质量mass单元施加于梁表面进行模拟。整个上部结构计算模型共43 366个结点，43 463个单元。结构所用钢材弹性模量为206 000 MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3。

图1 海上升压站上部结构计算模型

3.1 边界条件及荷载

边界条件：对升压站上部结构主支撑柱底部施加X、Y、Z向固定约束。

荷载：①结构自重；②恒荷载，包括楼板、墙及其它附属结构等自重、舾装重量、固定设备重量，有限元模型中以分布力的形式转化到相应的钢构件上；③活荷载，包括库存类活荷载、设备短期运行类活荷载以及储备、搬运、检修性活荷载，有限元模型中以分布力的形式转化到相应的钢构件上；④台风荷载，考虑工程实际以及升压站受风面，上部组块封闭区(二层和三层)的所受台风荷载以集中力的形式施加在A轴所在平面的中心位置，并采用coupling约束转化到平面所在的钢构件上，合力作用点高度为25 m，受风面积为356 m2。

3.2 计算工况

包括2个极端荷载组合工况，即工况J-1和工况J-2，具体如表1所示。

表1 极端荷载组合工况

4 计算结果分析

4.1 位移

提取两种工况下海上升压站上部结构的X、Y、Z向位移，分别如图2、图3和图4所示。

图2 结构X向位移

图3 结构Y向位移

图4 结构Z向位移

对于X向位移，海上升压站结构二层、顶层边缘钢材变形均较大，最大分别为0.75、0.68 cm，其他部位普遍小于0.2 cm；对于Y向位移，两种工况下直升机平台及附近顶层边缘、下方一层钢材变形较大，最大分别为1.34、1.26 cm，其他部位普遍小于0.5 cm；对于Z向位移，两种工况下直升机平台及下方各层钢材变形较大，最大分别为4.34、3.52 cm，其他部位普遍小于1.1 cm。因此，J-1工况和J-2工况下，重力作用导致升压站结构竖向变形较大，而台风荷载作用引起结构各个向的变形相对较小。

4.2 应力

提取两种工况下海上升压站支撑柱以及上部结构梁/柱构件的应力分布特征，分别如图5和图6所示。

图5 工况J-1下结构应力 图6 工况J-2下结构应力

统计J-1工况下和J-2工况下海上升压站上部结构四根支撑柱的Mises应力可知，每一层支撑柱表面与H型钢交接处普遍较大，最大分别为359.8、320.8 MPa，位于支撑柱底部一层表面与H型钢交接处，其余部位普遍小于100.0 MPa。

统计J-1工况下和J-2工况下海上升压站上部结构梁/柱构件轴向应力可知，一层受拉区主要为远离四根支撑柱的多数斜柱，受压区主要为四根支撑柱附近的多数斜柱；二层受拉区主要为该层边缘的少数斜柱及直升机平台下方立柱，受压区主要为直升机平台下方的多数立柱；三层受拉区主要为支撑柱附近的多数斜柱，受压区主要为直升机平台下方的多数立柱；顶层受拉区主要为该层边缘靠近直升机平台下方斜柱部位的H型钢交界处，受压区主要为该层边缘远离直升机平台下方斜柱部位的H型钢交界处。整体而言，最大拉应力区位于二层，分别为127.3、126.1 MPa；最大压应力区位于二层，分别为105.8、103.9 MPa。

5 结 语

以某海上风电项目场区内220 kV海上升压站结构为例，通过建立整体有限元数值模型进行仿真计算，对比分析了台风作用时两种极端荷载组合工况下结构的受力特征，结论如下：

极端工况下，升压站结构在二层、顶层边缘的X向位移、直升机平台及附近顶层边缘Y向位移、直升机平台及下方各层Z向位移普遍较大；重力作用导致升压站结构竖向变形明显，而台风荷载作用下结构受风方向的变形相对较小。

海上升压站上部结构每一层支撑柱表面与H型钢交接处Mises应力普遍较大，支撑柱顶部四层、底部一层表面最大，其余部位普遍较小。因此，支撑柱顶部四层、底部一层位置失效可能性最大，工程设计时应对结构进行加强处理。