黄海海域某海上测风塔工程设计(2)

　　1.4 桩基设计方案

　　测风塔基桩为三根直径Φ1.0m、斜度6∶1的钢管桩，钢管桩直径为1.0m，桩长约62.3m，壁厚18～20mm。桩顶高程8.3m（85国家高程，下同），桩尖高程约为-53m，进入⑩层粉细砂土内。3根桩平面按正三角形布置，在8.3m高程处中心点距离为9.5m。在泥面以上段钢管桩2.5m、6.0m高程处各设有一层横向水平钢撑管，钢支撑管直径为Φ40cm，厚度为14mm。钢管桩及水平支撑管表面采用500μm厚的熔接环氧粉末进行防腐。钢管桩上设有靠船设施、爬梯等附属设施。

　　钢管桩及水平撑管材料采用Q345C，爬梯钢材采用Q235B，橡胶护舷采用DGH-A300型橡胶护舷。

　　1.5 平台设计

　　基础顶部9.7m高程设一钢结构的等边三角形工作平台，由柱脚、联系柱脚的主梁、次梁、铺板、栏杆等组成，三根柱脚中心间距均为9.5m，平台边长为12.618m。工作平台通过直径500mm，厚度25mm的连接钢管插入钢管桩中，并通过灌注C40微膨胀细石混凝土连接。平台上部10.00m高程处设塔脚底座，采用法兰与上部塔架连接。连接测风塔的法兰螺栓规格为12-M36；连接支腿的法兰螺栓规格为12-M48。

　　1.6 塔架设计

　　1.6.1 设计参数：（1）塔架高度：基础平台以上90m（不包括避雷针）。（2）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0.40kPa（30年一遇）。（3）荷载标准取值：每根仪器支架端部测风仪自重1kN，支臂长度规定，取3倍桁架塔直径；塔架检修荷载：单人攀爬（集中荷载1kN）；风荷载：取30年重现期基本风压为0.40kN/m2，地面粗糙度类别为A类；风荷载最不利工况为与三角形的边相垂直的方向；风荷载转换为节点荷载施加在结构上；地震作用：地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地土类别Ⅳ类。

　　1.6.2 材料。钢材：桁架钢管采用Q345B、Q235B直缝钢管及20#无缝钢管；其他焊接构件采用Q235B，非焊接构件采用Q235。钢材性能及焊接材料和工艺应符合相关规范的规定。高强螺栓：8.8级承压型高强螺栓。螺栓孔应采用钻成孔，如无特别说明，孔径比螺栓公称直径大1.5mm。普通螺栓：C级，强度级别6.8级。

　　1.6.3 测风仪布置方案。测风仪器采用6层测风方案，分别在高程20m、40m、60m、80m、90m、100m处设置6个风速仪，在20m、100m高程设置风向仪，并设风压、温度测量设备。为保证测风数据的完整率，在测风塔上对称布置2套测风设备，互为备用。

　　1.6.4 结构计算。塔架采用SAP2000软件进行计算，具体计算过程略。根据计算结果，为减少工程投资，对塔架的立柱间的K形腹杆或交叉斜腹杆采用角钢连接，从而进一步降低了塔架的钢材用量。

　　1.6.5 塔架方案。根据计算成果，测风塔采用钢管桁架塔，主要由钢管组成，部分横隔杆件及辅助杆由角钢组成。

　　塔架总高度90m，塔架底部高程为10.00m，塔顶之上还有5m高的避雷针结构。塔底宽9.50m，顶宽0.78m。塔身横截面为正三角形，在三角形三个顶点布置钢管立柱，立柱间由K形腹杆或交叉斜腹杆两两连接。

　　2 总结

　　2.1 多方案的比选和权衡

　　工程总体设计充分考虑了工程所在海域的自然条件和地质条件，为满足本工程的限额设计要求，做了多方案比选，优化设计，选用三桩三角形桁架方案，减少了测风塔主体钢材用量，降低了工程造价。

　　在结构形式和材料选择上进行比对，特别是基础钢结构平台、钢管桩的选用，虽然在工程造价上有所增加，但是大大缩短了工期、降低了工程施工期风险，工程质量得到有效控制，在总造价略增的条件下，这种选择是更为有利的。

　　2.2 设计反思

　　图2 基础及钢平台图

　　工作爬梯及靠泊设施设计。在设计方案中，采用在2根桩之间设爬梯，通至平台，爬梯的中部支撑于桩间连接横杆上，下部悬空，两侧桩上加设靠泊设施（见图2）。

　　但在实际施工和使用中，此方案因未考虑洋流、潮汐流向对船舶靠泊的影响，人员上下及设备材料运输有所不便，船舶靠泊时对桩基的撞击较大。

　　在类似工程中，采取直接在桩上焊接爬梯，并兼作靠泊防撞设施，较好地解决了这一问题（图3），且施工方便，造价低。

　　图3 某测风塔爬梯

　　2.3 塔架支臂长度的选择

　　本工程设计时，塔架支臂长度按照规定设计，20m高程处支臂长度约18m，单根重量约2t。实际施工中，过重过长的支臂给施工带来很大困难，并导致工期延长，增加了工程风险和后期维护的困难。而在“国家气象局《风电场气象观测资料审核、订正技术规程》（QX/T74-2007）中规定：“风速、风向传感器应固定在测风铁塔直径二倍以上的牢固横梁处，迎主风向安装”。

　　对照上述规范的规定，为进一步了解塔影效应对测风数据采集的影响，本工程在20m高程处支臂上距离塔架外缘12m、18m处分别安装了一个风速仪，并对实测数据进行对比（表2），通过对比可以发现，各月的平均风速相差不大，最大相差2.4%，年均风速差值为0.5%。

　　表2 不同支臂长度月平均风速对比表

　　在实际的测风数据使用中，设计人员更关注的是风电场风机轮毂高度处一定范围内的风资源参数，对处于较低高程的测风数据，主要作为设计计算参考。依上述实测数据分析，笔者认为测风设备支臂长度可参照文献[4]规定，同时，对于底层测风设备的支臂长度应该还可以适当缩短，以降低塔架支臂、设备安装、维护的难度，降低工程造价和安装维护时的安全风险。

　　2.4 平台联接方式

　　基础平台与桩基础的连接方式，除了本设计中采用的插管式（用C40混凝土）连接的方式外，还有焊接的方式。焊接方式工期短，风浪对施工影响小，但焊接质量和焊缝防腐质量控制难度较大。采用插管混凝土方式连接较为可靠，但要现场拌制混凝土，工期长，相关混凝土拌和设备、材料的运输等增加了工程投资。因此，在采取措施保证现场焊接施工质量的前提下，可考虑采用焊接连接的方式，以缩短工期。

　　参考文献

　　[1] 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）[S].

　　[2] Design of offshore wind turbine structures（DNV-OS-J101 2004）[S].

　　[3] 风电场风能资源测量方法（GB/T18709-2002）[S].

　　[4] 风电场气象观测资料审核、订正技术规程（QX/T74-2007）[S].