黄海海域某海上测风塔工程设计

　　摘要：设立海上测风塔，对拟建海上风电场的风能资源参数进行测量，是海上风电场建设前期工作的一项重要内容，也是整个风电场设计的一项基础工作。由于海上测风塔所处的特殊环境和其自身工作特点，在工程设计过程中，应关注其运行期的荷载及应用条件，同时，还必须兼顾施工的技术要求。

　　关键词：海上测风塔；工程设计；运行期荷载

　　中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0009-04

　　为了获得海上风电场风能参数，须在海上建造测风塔，依靠固定在测风塔上不同高度处的测风设备对拟建风电场的风能分布参数进行观测。由于海洋环境的特殊性和测风设备自身的运行特点，使得海上测风塔的设计工作具有其特殊性：一是测风塔荷载以风荷载为主，具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特性，同时须考虑海水波浪力作用、洋流影响及施工期的荷载作用，受力条件极其复杂；二是对塔身及基础材料的防腐要求高，以应对海上高湿、高盐的运行环境；三是受海上施工条件的限制，设计中必须从测风塔材质、基础实施方案、平台及塔架安装等诸多方面考虑现场的工程施工方案。本文以黄海海域某测风塔的设计方案为例，对海上测风塔的整体设计方案的选择、细节处理及满足海上施工要求等方面的设计工作作简要阐述，以便为今后类似工程的设计提供一些参考。

　　1 测风塔设计级别

　　该测风塔总高度为海平面以上100m，测风塔结构设计使用年限为5年，测风仪器设备使用年限为2年。

　　测风塔塔架结构采用钢结构，结构设计安全等级二级，结构重要性系数1.0，建筑物抗震设防类别为丙类；设防烈度为7度；设计地震分组为第一组；设计基本地震加速度为0.10g。基本风压取为0.40kPa（30年一遇）。测风塔上安放2套测风设备，互为备用。

　　1.1 总体设计方案选择

　　1.1.1 塔架型式：目前海上测风塔的塔架型式有自立式和拉线式，由于拉线式基础工艺复杂，对通航安全有一定影响，本工程不予考虑；自立式塔架有单根圆筒式、三角形桁架式、四边形桁架式，从塔架结构受力考虑，通常为改善测风塔受力条件，且便于工程施工安装、船舶靠泊等，工程应用中四边形桁架式塔架应用较多；而三角形桁架式塔架较四边形桁架式结构钢材用量省，且比单根圆筒式塔架受力条件好，但三角形桁架式塔架在测风仪器设备支臂的安装上施工难度较高，施工期相对较长。因此，本工程在综合考虑整个测风塔的工程造价、施工工期及工程施工安全等因素后，最终选用三角形桁架式塔架。

　　1.1.2 平台结构：海上测风塔基础结构通常采用钢平台桩基结构或者钢筋混凝土平台桩基结构。一般来说，钢筋混凝土平台的施工工期相对较长，现场混凝土施工质量较难控制，但工程造价一般较钢结构平台低；而钢结构平台的焊接拼装主要在陆地上进行，施工质量较容易控制，但陆地整体拼装后，需采用大型运输及吊装设备运至海上组装，因而，工程造价相对较高。本工程工期要求紧，工程地址距离岸线超过40km，若采用钢筋砼本结构，工期无法满足要求，因此方案中采用钢平台结构。

　　1.1.3 桩基的选择：考虑海上施工作业难度及工程造价等因素，海上基础施工一般采用较多的桩基形式为预应力PHC管桩和钢管桩。就单桩造价而言，虽然PHC管桩较钢管桩要低，但海上沉桩施工设备的进出场费、台班费约占到桩基工程总造价的70%左右；而PHC管桩耐久性不及钢管桩，且在吊运、沉桩质量控制等方面要求较高。综合以上分析，就本工程而言，选用钢管桩具有比较明显的优势。

　　1.1.4 平台高度：根据《浅海钢质固定平台结构设计与建造规范》（SY/T 4095-95）计算，考虑5年一遇1%波高时，平台不越浪，平台顶高程为9.7m。

　　1.2 塔架基础设计

　　1.2.1 设计荷载。本工程测风塔基础设计考虑的荷载主要包括塔架基础自重、上部测风塔塔架所受荷载、波浪力、水流力、地震惯性力。

　　（1）上部测风塔塔架荷载：基础结构设计时，所考虑的测风塔荷载为上部结构（测风塔塔架）承受风荷载作用传递至基础顶面的荷载。

　　（2）波浪和水流力：整体计算时考虑极限波浪力，采用50年一遇H1%波高的波浪要素。根据《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》（SY/T 10030-2004），采用流函数理论，计算波浪力和水流对桩基的作用。速度力系数Cd和惯性力系数Cm根据《海港水文规范》（JTJ 213-98）》分别取1.2和2.0，水流流速表、中、底层均按2m/s采用，

　　1.2.2 设计工况。测风塔基础设计工况一般考虑正常运行工况和偶然工况，风荷载、波浪力和水流力作为海洋工程中的主要作用力，设计将之纳入基本可变荷载而非其他可变荷载进行荷载组合；依据规范要求，本工程抗震设防烈度为7度，可不做抗震验算。

　　运行工况：考虑自重，测风塔荷载，极端高水位下的（50年一遇的H1%）波浪力、大潮水流。

　　本测风塔按高耸结构二级建筑物设计，结构重要性系数γ0取1.0，荷载作用分项系数根据《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）、《水运工程抗震设计规范》（JTJ225-98）以及《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）表3.0.8，取值见表1：

　　表1 荷载作用分项系数表

　　工况 自重γG 波浪水流力γQ1 测风塔荷载γQ2

　　运行工况 1.2/1.0 1.5 1.4

　　1.2.3 计算模型。根据测风塔三立柱按纵横向各间距9.5m布置，再考虑施工安装、运行的需要，对应测风塔立柱布置3根钢管桩，直径1000mm，上段壁厚20mm，下段壁厚18mm。管桩斜度6∶1，对称布置，在2.5m高程处设置3根Φ400mm，壁厚14mm的钢支撑。

　　采用美国EDI公司的海洋结构工程专用分析软件SACS对测风塔桩基础结构进行整体计算整理，计算时冲刷深度按照3m考虑。三维计算模型见图1。计算时上层撑管作为安全储备。

　　图1 三维计算模型图

　　1.2.4 桩基计算结果。桩尖高程：-53m时，满足轴向抗压承载力和抗拔承载力要求。根据计算结果，对钢结构平台的应力、桩基水平位移进行了复核，均满足规范要求。

　　1.3 桩基连接计算

　　1.3.1 钢管桩与支撑钢管的连接计算。为增加钢管桩整体刚度，在2.5m高程设直径400mm，壁厚14mm的支撑钢管将钢管桩连为整体。

　　钢管桩与支撑钢管之间采用对接连接，焊缝与母材等强度，并需按照二级焊缝要求施工。

　　1.3.2 灌浆连接计算。钢管桩与上部工作平台通过灌浆连接，并进行灌浆连接计算。

　　本工程灌浆材料采用C40微膨胀细石混凝土。灌浆连接计算采用《Design of offshore wind turbine structures》（DNV-OS-J101 2004） Section 9的计算方法进行计算。

　　C40微膨胀细石混凝土的立方体抗压强度fck参见DNV-OS-J101 2004中sec.8 Table C1按30N/mm2取值。在计算中未考虑桩顶焊接连接的作用，仅将其作为结构抗力安全储备。计算结果如下：

　　不设剪力键时不能满足连接要求，故需要设剪

　　力键。

　　根据计算结果，灌浆长度需要3.5m，钢管桩内壁需设置10mm高的剪力键。