導(dǎo)語(yǔ)：海上測(cè)風(fēng)塔工程設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)級(jí)別

1.1總體設(shè)計(jì)方案選擇

1.1.1塔架型式：

目前海上測(cè)風(fēng)塔的塔架型式有自立式和拉線式，由于拉線式基礎(chǔ)工藝復(fù)雜，對(duì)通航安全有一定影響，本工程不予考慮；自立式塔架有單根圓筒式、三角形桁架式、四邊形桁架式，從塔架結(jié)構(gòu)受力考慮，通常為改善測(cè)風(fēng)塔受力條件，且便于工程施工安裝、船舶靠泊等，工程應(yīng)用中四邊形桁架式塔架應(yīng)用較多；而三角形桁架式塔架較四邊形桁架式結(jié)構(gòu)鋼材用量省，且比單根圓筒式塔架受力條件好，但三角形桁架式塔架在測(cè)風(fēng)儀器設(shè)備支臂的安裝上施工難度較高，施工期相對(duì)較長(zhǎng)。因此，本工程在綜合考慮整個(gè)測(cè)風(fēng)塔的工程造價(jià)、施工工期及工程施工安全等因素后，最終選用三角形桁架式塔架。

1.1.2平臺(tái)結(jié)構(gòu)：

海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常采用鋼平臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土平臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)。一般來說，鋼筋混凝土平臺(tái)的施工工期相對(duì)較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工質(zhì)量較難控制，但工程造價(jià)一般較鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)低；而鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的焊接拼裝主要在陸地上進(jìn)行，施工質(zhì)量較容易控制，但陸地整體拼裝后，需采用大型運(yùn)輸及吊裝設(shè)備運(yùn)至海上組裝，因而，工程造價(jià)相對(duì)較高。本工程工期要求緊，工程地址距離岸線超過40km，若采用鋼筋砼本結(jié)構(gòu)，工期無法滿足要求，因此方案中采用鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

1.1.3樁基的選擇：

考慮海上施工作業(yè)難度及工程造價(jià)等因素，海上基礎(chǔ)施工一般采用較多的樁基形式為預(yù)應(yīng)力PHC管樁和鋼管樁。就單樁造價(jià)而言，雖然PHC管樁較鋼管樁要低，但海上沉樁施工設(shè)備的進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)、臺(tái)班費(fèi)約占到樁基工程總造價(jià)的70%左右；而PHC管樁耐久性不及鋼管樁，且在吊運(yùn)、沉樁質(zhì)量控制等方面要求較高。綜合以上分析，就本工程而言，選用鋼管樁具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.1.4平臺(tái)高度：

根據(jù)《淺海鋼質(zhì)固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造規(guī)范》（SY/T4095-95）計(jì)算，考慮5年一遇1%波高時(shí)，平臺(tái)不越浪，平臺(tái)頂高程為9.7m。

1.2塔架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1.2.1設(shè)計(jì)荷載。

本工程測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮的荷載主要包括塔架基礎(chǔ)自重、上部測(cè)風(fēng)塔塔架所受荷載、波浪力、水流力、地震慣性力。（1）上部測(cè)風(fēng)塔塔架荷載：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所考慮的測(cè)風(fēng)塔荷載為上部結(jié)構(gòu)（測(cè)風(fēng)塔塔架）承受風(fēng)荷載作用傳遞至基礎(chǔ)頂面的荷載。（2）波浪和水流力：整體計(jì)算時(shí)考慮極限波浪力，采用50年一遇H1%波高的波浪要素。根據(jù)《海上固定平臺(tái)規(guī)劃設(shè)計(jì)和建造的推薦作法工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》（SY/T10030-2004），采用流函數(shù)理論，計(jì)算波浪力和水流對(duì)樁基的作用。速度力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)Cm根據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）》分別取1.2和2.0，水流流速表、中、底層均按2m/s采用，

1.2.2設(shè)計(jì)工況。

測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況一般考慮正常運(yùn)行工況和偶然工況，風(fēng)荷載、波浪力和水流力作為海洋工程中的主要作用力，設(shè)計(jì)將之納入基本可變荷載而非其他可變荷載進(jìn)行荷載組合；依據(jù)規(guī)范要求，本工程抗震設(shè)防烈度為7度，可不做抗震驗(yàn)算。運(yùn)行工況：考慮自重，測(cè)風(fēng)塔荷載，極端高水位下的（50年一遇的H1%）波浪力、大潮水流。

1.2.3計(jì)算模型。

根據(jù)測(cè)風(fēng)塔三立柱按縱橫向各間距9.5m布置，再考慮施工安裝、運(yùn)行的需要，對(duì)應(yīng)測(cè)風(fēng)塔立柱布置3根鋼管樁，直徑1000mm，上段壁厚20mm，下段壁厚18mm。管樁斜度6∶1，對(duì)稱布置，在2.5m高程處設(shè)置3根Φ400mm，壁厚14mm的鋼支撐。采用美國(guó)EDI公司的海洋結(jié)構(gòu)工程專用分析軟件SACS對(duì)測(cè)風(fēng)塔樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算整理，計(jì)算時(shí)沖刷深度按照3m考慮。計(jì)算時(shí)上層撐管作為安全儲(chǔ)備。

1.2.4樁基計(jì)算結(jié)果。

樁尖高程：-53m時(shí)，滿足軸向抗壓承載力和抗拔承載力要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的應(yīng)力、樁基水平位移進(jìn)行了復(fù)核，均滿足規(guī)范要求。

1.3樁基連接計(jì)算

1.3.1鋼管樁與支撐鋼管的連接計(jì)算。

為增加鋼管樁整體剛度，在2.5m高程設(shè)直徑400mm，壁厚14mm的支撐鋼管將鋼管樁連為整體。鋼管樁與支撐鋼管之間采用對(duì)接連接，焊縫與母材等強(qiáng)度，并需按照二級(jí)焊縫要求施工。1.3.2灌漿連接計(jì)算。鋼管樁與上部工作平臺(tái)通過灌漿連接，并進(jìn)行灌漿連接計(jì)算。本工程灌漿材料采用C40微膨脹細(xì)石混凝土。灌漿連接計(jì)算采用《Designofoffshorewindturbinestructures》（DNV-OS-J1012004）Section9的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。C40微膨脹細(xì)石混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度fck參見DNV-OS-J1012004中sec.8TableC1按30N/mm2取值。在計(jì)算中未考慮樁頂焊接連接的作用，僅將其作為結(jié)構(gòu)抗力安全儲(chǔ)備。計(jì)算結(jié)果如下：不設(shè)剪力鍵時(shí)不能滿足連接要求，故需要設(shè)剪力鍵。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，灌漿長(zhǎng)度需要3.5m，鋼管樁內(nèi)壁需設(shè)置10mm高的剪力鍵。

1.4樁基設(shè)計(jì)方案

測(cè)風(fēng)塔基樁為三根直徑Φ1.0m、斜度6∶1的鋼管樁，鋼管樁直徑為1.0m，樁長(zhǎng)約62.3m，壁厚18～20mm。樁頂高程8.3m（85國(guó)家高程，下同），樁尖高程約為-53m，進(jìn)入⑩層粉細(xì)砂土內(nèi)。3根樁平面按正三角形布置，在8.3m高程處中心點(diǎn)距離為9.5m。在泥面以上段鋼管樁2.5m、6.0m高程處各設(shè)有一層橫向水平鋼撐管，鋼支撐管直徑為Φ40cm，厚度為14mm。鋼管樁及水平支撐管表面采用500μm厚的熔接環(huán)氧粉末進(jìn)行防腐。鋼管樁上設(shè)有靠船設(shè)施、爬梯等附屬設(shè)施。鋼管樁及水平撐管材料采用Q345C，爬梯鋼材采用Q235B，橡膠護(hù)舷采用DGH-A300型橡膠護(hù)舷。

1.5平臺(tái)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)頂部9.7m高程設(shè)一鋼結(jié)構(gòu)的等邊三角形工作平臺(tái)，由柱腳、聯(lián)系柱腳的主梁、次梁、鋪板、欄桿等組成，三根柱腳中心間距均為9.5m，平臺(tái)邊長(zhǎng)為12.618m。工作平臺(tái)通過直徑500mm，厚度25mm的連接鋼管插入鋼管樁中，并通過灌注C40微膨脹細(xì)石混凝土連接。平臺(tái)上部10.00m高程處設(shè)塔腳底座，采用法蘭與上部塔架連接。連接測(cè)風(fēng)塔的法蘭螺栓規(guī)格為12-M36；連接支腿的法蘭螺栓規(guī)格為12-M48。

1.6塔架設(shè)計(jì)

1.6.1設(shè)計(jì)參數(shù)：（1）塔架高度：基礎(chǔ)平臺(tái)以上90m（不包括避雷針）。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，建筑物抗震設(shè)防類別為丙類；設(shè)防烈度為7度；設(shè)計(jì)地震分組為第一組；設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g?；撅L(fēng)壓0.40kPa（30年一遇）。（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)取值：每根儀器支架端部測(cè)風(fēng)儀自重1kN，支臂長(zhǎng)度規(guī)定，取3倍桁架塔直徑；塔架檢修荷載：?jiǎn)稳伺逝溃泻奢d1kN）；風(fēng)荷載：取30年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.40kN/m2，地面粗糙度類別為A類；風(fēng)荷載最不利工況為與三角形的邊相垂直的方向；風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)荷載施加在結(jié)構(gòu)上；地震作用：地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別Ⅳ類。

1.6.2材料。

鋼材：桁架鋼管采用Q345B、Q235B直縫鋼管及20#無縫鋼管；其他焊接構(gòu)件采用Q235B，非焊接構(gòu)件采用Q235。鋼材性能及焊接材料和工藝應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。高強(qiáng)螺栓：8.8級(jí)承壓型高強(qiáng)螺栓。螺栓孔應(yīng)采用鉆成孔，如無特別說明，孔徑比螺栓公稱直徑大1.5mm。普通螺栓：C級(jí)，強(qiáng)度級(jí)別6.8級(jí)。

1.6.3測(cè)風(fēng)儀布置方案。

測(cè)風(fēng)儀器采用6層測(cè)風(fēng)方案，分別在高程20m、40m、60m、80m、90m、100m處設(shè)置6個(gè)風(fēng)速儀，在20m、100m高程設(shè)置風(fēng)向儀，并設(shè)風(fēng)壓、溫度測(cè)量設(shè)備。為保證測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的完整率，在測(cè)風(fēng)塔上對(duì)稱布置2套測(cè)風(fēng)設(shè)備，互為備用。

1.6.4結(jié)構(gòu)計(jì)算。

塔架采用SAP2000軟件進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算過程略。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為減少工程投資，對(duì)塔架的立柱間的K形腹桿或交叉斜腹桿采用角鋼連接，從而進(jìn)一步降低了塔架的鋼材用量。

1.6.5塔架方案。

根據(jù)計(jì)算成果，測(cè)風(fēng)塔采用鋼管桁架塔，主要由鋼管組成，部分橫隔桿件及輔助桿由角鋼組成。塔架總高度90m，塔架底部高程為10.00m，塔頂之上還有5m高的避雷針結(jié)構(gòu)。塔底寬9.50m，頂寬0.78m。塔身橫截面為正三角形，在三角形三個(gè)頂點(diǎn)布置鋼管立柱，立柱間由K形腹桿或交叉斜腹桿兩兩連接。

2總結(jié)

2.1多方案的比選和權(quán)衡

工程總體設(shè)計(jì)充分考慮了工程所在海域的自然條件和地質(zhì)條件，為滿足本工程的限額設(shè)計(jì)要求，做了多方案比選，優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用三樁三角形桁架方案，減少了測(cè)風(fēng)塔主體鋼材用量，降低了工程造價(jià)。在結(jié)構(gòu)形式和材料選擇上進(jìn)行比對(duì)，特別是基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)、鋼管樁的選用，雖然在工程造價(jià)上有所增加，但是大大縮短了工期、降低了工程施工期風(fēng)險(xiǎn)，工程質(zhì)量得到有效控制，在總造價(jià)略增的條件下，這種選擇是更為有利的。

2.2設(shè)計(jì)反思

工作爬梯及靠泊設(shè)施設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)方案中，采用在2根樁之間設(shè)爬梯，通至平臺(tái)，爬梯的中部支撐于樁間連接橫桿上，下部懸空，兩側(cè)樁上加設(shè)靠泊設(shè)施。但在實(shí)際施工和使用中，此方案因未考慮洋流、潮汐流向?qū)Υ翱坎吹挠绊?，人員上下及設(shè)備材料運(yùn)輸有所不便，船舶靠泊時(shí)對(duì)樁基的撞擊較大。在類似工程中，采取直接在樁上焊接爬梯，并兼作靠泊防撞設(shè)施，較好地解決了這一問題，且施工方便，造價(jià)低。

2.3塔架支臂長(zhǎng)度的選擇

本工程設(shè)計(jì)時(shí)，塔架支臂長(zhǎng)度按照規(guī)定設(shè)計(jì)，20m高程處支臂長(zhǎng)度約18m，單根重量約2t。實(shí)際施工中，過重過長(zhǎng)的支臂給施工帶來很大困難，并導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，增加了工程風(fēng)險(xiǎn)和后期維護(hù)的困難。而在“國(guó)家氣象局《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)資料審核、訂正技術(shù)規(guī)程》（QX/T74-2007）中規(guī)定：“風(fēng)速、風(fēng)向傳感器應(yīng)固定在測(cè)風(fēng)鐵塔直徑二倍以上的牢固橫梁處，迎主風(fēng)向安裝”。對(duì)照上述規(guī)范的規(guī)定，為進(jìn)一步了解塔影效應(yīng)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)采集的影響，本工程在20m高程處支臂上距離塔架外緣12m、18m處分別安裝了一個(gè)風(fēng)速儀，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，各月的平均風(fēng)速相差不大，最大相差2.4%，年均風(fēng)速差值為0.5%。在實(shí)際的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)使用中，設(shè)計(jì)人員更關(guān)注的是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)輪轂高度處一定范圍內(nèi)的風(fēng)資源參數(shù)，對(duì)處于較低高程的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，主要作為設(shè)計(jì)計(jì)算參考。依上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，筆者認(rèn)為測(cè)風(fēng)設(shè)備支臂長(zhǎng)度可參照文獻(xiàn)[4]規(guī)定，同時(shí)，對(duì)于底層測(cè)風(fēng)設(shè)備的支臂長(zhǎng)度應(yīng)該還可以適當(dāng)縮短，以降低塔架支臂、設(shè)備安裝、維護(hù)的難度，降低工程造價(jià)和安裝維護(hù)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4平臺(tái)聯(lián)接方式

基礎(chǔ)平臺(tái)與樁基礎(chǔ)的連接方式，除了本設(shè)計(jì)中采用的插管式（用C40混凝土）連接的方式外，還有焊接的方式。焊接方式工期短，風(fēng)浪對(duì)施工影響小，但焊接質(zhì)量和焊縫防腐質(zhì)量控制難度較大。采用插管混凝土方式連接較為可靠，但要現(xiàn)場(chǎng)拌制混凝土，工期長(zhǎng)，相關(guān)混凝土拌和設(shè)備、材料的運(yùn)輸?shù)仍黾恿斯こ掏顿Y。因此，在采取措施保證現(xiàn)場(chǎng)焊接施工質(zhì)量的前提下，可考慮采用焊接連接的方式，以縮短工期。

作者：鄭杰單位：上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院