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1、钢质平台海上测风塔基础结构强度及稳定性分析唐东洋1万庆宇1 黄春芳1翟钢军2（1中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙4100142大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116024）摘要：针对渤海海域拟建的钢质平台海上测风塔基础结构及该海域环境荷载建立数值计算模型，对测风塔基础的 整体稳定性及强度进行分析计算。重点分析了撑杆直径大小对测风塔整体稳定性及焊缝应力产生的影响；对比分 析两种不同型式的柱脚，详细分析其优缺点，并采用ansys有限元软件对其进行强度分析。本文研究为我国海上测 风塔基础工程设计提供参考。关键词：海上测风塔基础；整体稳定性；结构强度；数值模型；1引言：拥有资源才能获得发展，
2、掌握未来。特别对于我国这样的发展中大国而言，能源的充分供给更 是驱动经济快速发展车轮的动力。在气候变化问题日显，化石能源濒临枯竭，各国纷纷掀起能源革 命的今天，发展清洁可再生能源、积极调整能源结构、促进技术创新、减少温室气体排放已成为能 源行业发展的主流。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。然而，由于陆地上经济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。与陆地风电相比，海上风电具有风能资源的能量效益比陆地风电场高2O%-4O%， 海上风湍流强度小，风切变小，而且海上风电场具有不占用宝贵的土地资源等优势。因此
3、，海上风 电已经成为未来风电开发的主战场。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。2环境荷载参数及荷载组合2.1环境荷载参数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。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
4、数进行分析， 分别计算波浪从0度、90度和270度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 波浪要素如表1所示。假定海流流速为1.14m/s。对于冰荷载，根据中国海海冰条件及应用规定 1，取拟建测风塔海域调查统计单层冰最大厚度35cm，单轴无侧限极限抗压强度按50年一遇取值 为1.99MPa。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10cm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。*唐东洋（1986-）男，助理工程师，主要从事海上风能发电基础设计。E-mail:deep_表1
5、测风塔海域水位及波浪要素水位（85高程）对应水深（m）设计波高（m）周期（s）波速（m/s）波长（m）极端高水位（3.71m）17.646.98.511.093.5设计高水位（2.15m）16.086.98.510.790.7设计低水位（-0.89m）13.046.58.59.984.5极端低水位（-2.73m）11.268.59.479.82.2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他可变荷载参加荷载组合，荷载组合中考虑可能出
6、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。具体组合如表2所示：表2荷载组合原则承载能力极限状态正常使用极限状态水位 持久组合短暂组合偶然组合频遇组合准永久组合短暂状况极端高水位V设计高水位VVVVVV设计低水位VVVVVV极端低水位V3荷载计算3.1塔架荷载本文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
7、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。3.2风荷载根据收集到的拟建测风塔区域的气象资料，测风塔塔所在位置海边风速（陆地）10m高度处的 50年一遇最大风速为30.98m/s。W =L y 2 = 30982 = 0.6kN/m2（3.1 ）0 16001600根据港口工程荷载规范2，高度系数Rz取1.38，根据高耸结构设计规范3，体型系 数R $取0.9,则垂直作用于测风塔基础表面单位面积上的风荷载标准值计算如下：、=日日 W0 = 0.9X 1.38X0.6 = 0.75kN/m2（ 3.2 ）3.3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
8、度采用流函数理论计算。 对于圆柱体构件，阻力系数匕和惯性力系数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：F = F + F = C DuU + C -D2 -虫（3.3）D I D 2 gm g 4 dt式中：F为垂直构件轴线方向上的单位长度的水动力矢量；FD为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；F为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为阻力系数；匕为惯性力系数；为水的重度；g为重力 加速度；D为构件的直径（包括海生物附生）；u为垂直构件轴线的水质点的速度分矢量；IuI为u的 绝对值；du
9、/dt为垂直构件轴线的水质点的加速度分矢量。3.4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、设计和建造方的推荐作 法工作应力设计法4中的计算公式：F = 0.5C A V2 s /g（3.4）式中：F为作用于结构构件上的流荷载；C,为阻力系数；A为结构构件投影面积；V为流速； 为水的重度；g为重力加速度。3.5冰荷载根据中国海海冰条件及应用规定p = mK K R bh（3.5）式中：m为桩柱形状系数，对半圆形截面取0.9,三角形时可查表确定；K1为局部挤压系数， 取值在2.03.0之间；K 2为接触系数，与冰的硬度、结构物迎冰面的平整度有关，建议取值0.45； R冰的
10、抗压极限强度；b为桩柱宽度或直径；h为冰层厚度。4。数值计算4.1数值模型本文采用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了详细计 算分析。采用ANSYS程序中的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一工作应力设计法中P-Y曲线法建 立测风塔基础结构的桩一土相互作用模型，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9.3m，钢管桩直径 1.2m，桩长68m。桩顶之间的间距由上部塔架结构尺寸决定，本测
11、风塔桩顶成边长为9m的正三角 形布置。上水平连接杆单根长8.69m，重1.16t，下水平连接杆单根长10.59m，重1.4t，单根长11.35m， 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如图1所示。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1测风塔基础数值模型图2风、浪、流入射方向4.2整体强度及稳定性分析本文分别计算了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5 对竖向位移和倾斜率的计算仅考虑正常使用状态。 计算结果如表3所示：表3测风塔
12、基础数值计算结果数值工况控制要求 是否满足要求桩拔力极值（kN）-3311.6结构自重+铁塔荷载+波流力+波浪力+ 风荷载（极端高水位270入射）-3461.0是桩压力极值（kN）3053.5结构自重+铁塔荷载+波流力+冰荷载+ 风荷载（平均海平面90入射）7084.9是von mises 等 效应力(MPa)288结构自重+铁塔荷载+波流力+冰荷载+ 风荷载（平均海平面90入射）295是桩的最大竖向 位移（mm）1.0结构自重+铁塔荷载+波流力+波浪力+ 风荷载（设计高水位270入射）200是倾斜率0.005结构自重+铁塔荷载+波流力+冰荷载+ 风荷载（平均海平面90入射）0.005是从表3
13、可以看出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度入 射时，此时仅1#桩抗拔，桩的拔力达到极值。风、流以及冰荷载90度方向入射时，1#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4.1和4.2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 度入射正常使用工况时，其最大值满足钢结构设计规范6 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
14、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 位时，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。Q =（U q l + q A）（4.1）d yn i RR式中：Qd为单桩垂直极限承载力设计值；Y夫为单桩垂直承载力分项系数；U为桩身截面周 长；qn为第i层土的极限侧摩阻力标准值（机）；为桩身穿过第i层土的长度；qR为单桩极限 桩端阻力标准值（kP）。(4.2)aT = （U Z & q l + G cos a） d yi n iR
15、式中：T为单桩抗拔极限承载力设计值；y r为单桩抗拔承载力分项系数；&,为折减系数； G为桩重力，水下部分按浮重力计；a为桩轴或与垂线夹角。5测风塔基础撑杆选型研究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。本文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。计算结果如表 4所示。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，正应加.和剪 应力T f共同作用处，应满足下式要求： (5.1)+T2 V f当弯矩作用在平面内的拉弯焊缝和压弯焊缝，其强度按下列规定计算：(5.2)(5.3).二N 0.9 M V f f A W z 当弯矩作用在平面内的直剪焊缝和扭剪焊
