海上测风塔工程设计论文

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1测风塔设计级别

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/T4095-95）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/T10030-2004），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》（JTJ213-98）》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。

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。计算时上层撑管作为安全储备。

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《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J1012004）Section9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-J1012004中sec.8TableC1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。

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

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。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，且施工方便，造价低。

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，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%。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。

作者：郑杰单位：上海勘测设计研究院