黃海海域某海上測風塔工程設計

摘要：設立海上測風塔，對擬建海上風電場的風能資源參數進行測量，是海上風電場建設前期工作的一項重要內容，也是整個風電場設計的一項基礎工作。由于海上測風塔所處的特殊環境和其自身工作特點，在工程設計過程中，應關注其運行期的荷載及應用條件，同時，還必須兼顧施工的技術要求。

關鍵詞：海上測風塔；工程設計；運行期荷載

中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0009-04

為了獲得海上風電場風能參數，須在海上建造測風塔，依靠固定在測風塔上不同高度處的測風設備對擬建風電場的風能分布參數進行觀測。由于海洋環境的特殊性和測風設備自身的運行特點，使得海上測風塔的設計工作具有其特殊性：一是測風塔荷載以風荷載為主，具有承受360°方向重復荷載和大偏心受力的特性，同時須考慮海水波浪力作用、洋流影響及施工期的荷載作用，受力條件極其復雜；二是對塔身及基礎材料的防腐要求高，以應對海上高濕、高鹽的運行環境；三是受海上施工條件的限制，設計中必須從測風塔材質、基礎實施方案、平臺及塔架安裝等諸多方面考慮現場的工程施工方案。本文以黃海海域某測風塔的設計方案為例，對海上測風塔的整體設計方案的選擇、細節處理及滿足海上施工要求等方面的設計工作作簡要闡述，以便為今后類似工程的設計提供一些參考。

1 測風塔設計級別

該測風塔總高度為海平面以上100m，測風塔結構設計使用年限為5年，測風儀器設備使用年限為2年。

測風塔塔架結構采用鋼結構，結構設計安全等級二級，結構重要性系數1.0，建筑物抗震設防類別為丙類；設防烈度為7度；設計地震分組為第一組；設計基本地震加速度為0.10g。基本風壓取為0.40kPa（30年一遇）。測風塔上安放2套測風設備，互為備用。

1.1 總體設計方案選擇

1.1.1 塔架型式：目前海上測風塔的塔架型式有自立式和拉線式，由于拉線式基礎工藝復雜，對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，從塔架結構受力考慮，通常為改善測風塔受力條件，且便于工程施工安裝、船舶靠泊等，工程應用中四邊形桁架式塔架應用較多；而三角形桁架式塔架較四邊形桁架式結構鋼材用量省，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風儀器設備支臂的安裝上施工難度較高，施工期相對較長。因此，本工程在綜合考慮整個測風塔的工程造價、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 平臺結構：海上測風塔基礎結構通常采用鋼平臺樁基結構或者鋼筋混凝土平臺樁基結構。一般來說，鋼筋混凝土平臺的施工工期相對較長，現場混凝土施工質量較難控制，但工程造價一般較鋼結構平臺低；而鋼結構平臺的焊接拼裝主要在陸地上進行，施工質量較容易控制，但陸地整體拼裝后，需采用大型運輸及吊裝設備運至海上組裝，因而，工程造價相對較高。本工程工期要求緊，工程地址距離岸線超過40km，若采用鋼筋砼本結構，工期無法滿足要求，因此方案中采用鋼平臺結構。

1.1.3 樁基的選擇：考慮海上施工作業難度及工程造價等因素，海上基礎施工一般采用較多的樁基形式為預應力PHC管樁和鋼管樁。就單樁造價而言，雖然PHC管樁較鋼管樁要低，但海上沉樁施工設備的進出場費、臺班費約占到樁基工程總造價的70%左右；而PHC管樁耐久性不及鋼管樁，且在吊運、沉樁質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勢。

1.1.4 平臺高度：根據《淺海鋼質固定平臺結構設計與建造規范》（SY/T 4095-95）計算，考慮5年一遇1%波高時，平臺不越浪，平臺頂高程為9.7m。

1.2 塔架基礎設計

1.2.1 設計荷載。本工程測風塔基礎設計考慮的荷載主要包括塔架基礎自重、上部測風塔塔架所受荷載、波浪力、水流力、地震慣性力。

（1）上部測風塔塔架荷載：基礎結構設計時，所考慮的測風塔荷載為上部結構（測風塔塔架）承受風荷載作用傳遞至基礎頂面的荷載。

（2）波浪和水流力：整體計算時考慮極限波浪力，采用50年一遇H1%波高的波浪要素。根據《海上固定平臺規劃設計和建造的推薦作法工作應力設計法》（SY/T 10030-2004），采用流函數理論，計算波浪力和水流對樁基的作用。速度力系數Cd和慣性力系數Cm根據《海港水文規范》（JTJ 213-98）》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 設計工況。測風塔基礎設計工況一般考慮正常運行工況和偶然工況，風荷載、波浪力和水流力作為海洋工程中的主要作用力，設計將之納入基本可變荷載而非其他可變荷載進行荷載組合；依據規范要求，本工程抗震設防烈度為7度，可不做抗震驗算。

運行工況：考慮自重，測風塔荷載，極端高水位下的（50年一遇的H1%）波浪力、大潮水流。

本測風塔按高聳結構二級建筑物設計，結構重要性系數γ0取1.0，荷載作用分項系數根據《港口工程荷載規范》（JTJ215-98）、《水運工程抗震設計規范》（JTJ225-98）以及《高聳結構設計規范》（GB50135-2006）表3.0.8，取值見表1：

1.2.3 計算模型。根據測風塔三立柱按縱橫向各間距9.5m布置，再考慮施工安裝、運行的需要，對應測風塔立柱布置3根鋼管樁，直徑1000mm，上段壁厚20mm，下段壁厚18mm。管樁斜度6∶1，對稱布置，在2.5m高程處設置3根Φ400mm，壁厚14mm的鋼支撐。

采用美國EDI公司的海洋結構工程專用分析軟件SACS對測風塔樁基礎結構進行整體計算整理，計算時沖刷深度按照3m考慮。三維計算模型見圖1。計算時上層撐管作為安全儲備。

圖1 三維計算模型圖

1.2.4 樁基計算結果。樁尖高程：-53m時，滿足軸向抗壓承載力和抗拔承載力要求。根據計算結果，對鋼結構平臺的應力、樁基水平位移進行了復核，均滿足規范要求。

1.3 樁基連接計算

1.3.1 鋼管樁與支撐鋼管的連接計算。為增加鋼管樁整體剛度，在2.5m高程設直徑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接連接，焊縫與母材等強度，并需按照二級焊縫要求施工。

1.3.2 灌漿連接計算。鋼管樁與上部工作平臺通過灌漿連接，并進行灌漿連接計算。

本工程灌漿材料采用C40微膨脹細石混凝土。灌漿連接計算采用《Design of offshore wind turbine structures》（DNV-OS-J101 2004） Section 9的計算方法進行計算。

C40微膨脹細石混凝土的立方體抗壓強度fck參見DNV-OS-J101 2004中sec.8 Table C1按30N/mm2取值。在計算中未考慮樁頂焊接連接的作用，僅將其作為結構抗力安全儲備。計算結果如下：

不設剪力鍵時不能滿足連接要求，故需要設剪力鍵。

根據計算結果，灌漿長度需要3.5m，鋼管樁內壁需設置10mm高的剪力鍵。

1.4 樁基設計方案

測風塔基樁為三根直徑Φ1.0m、斜度6∶1的鋼管樁，鋼管樁直徑為1.0m，樁長約62.3m，壁厚18～20mm。樁頂高程8.3m（85國家高程，下同），樁尖高程約為-53m，進入⑩層粉細砂土內。3根樁平面按正三角形布置，在8.3m高程處中心點距離為9.5m。在泥面以上段鋼管樁2.5m、6.0m高程處各設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厚的熔接環氧粉末進行防腐。鋼管樁上設有靠船設施、爬梯等附屬設施。

鋼管樁及水平撐管材料采用Q345C，爬梯鋼材采用Q235B，橡膠護舷采用DGH-A300型橡膠護舷。

1.5 平臺設計

基礎頂部9.7m高程設一鋼結構的等邊三角形工作平臺，由柱腳、聯系柱腳的主梁、次梁、鋪板、欄桿等組成，三根柱腳中心間距均為9.5m，平臺邊長為12.618m。工作平臺通過直徑500mm，厚度25mm的連接鋼管插入鋼管樁中，并通過灌注C40微膨脹細石混凝土連接。平臺上部10.00m高程處設塔腳底座，采用法蘭與上部塔架連接。連接測風塔的法蘭螺栓規格為12-M36；連接支腿的法蘭螺栓規格為12-M48。

1.6 塔架設計

1.6.1 設計參數：（1）塔架高度：基礎平臺以上90m（不包括避雷針）。（2）結構設計安全等級二級，結構重要性系數1.0，建筑物抗震設防類別為丙類；設防烈度為7度；設計地震分組為第一組；設計基本地震加速度為0.10g。基本風壓0.40kPa（30年一遇）。（3）荷載標準取值：每根儀器支架端部測風儀自重1kN，支臂長度規定，取3倍桁架塔直徑；塔架檢修荷載：單人攀爬（集中荷載1kN）；風荷載：取30年重現期基本風壓為0.40kN/m2，地面粗糙度類別為A類；風荷載最不利工況為與三角形的邊相垂直的方向；風荷載轉換為節點荷載施加在結構上；地震作用：地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地土類別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；其他焊接構件采用Q235B，非焊接構件采用Q235。鋼材性能及焊接材料和工藝應符合相關規范的規定。高強螺栓：8.8級承壓型高強螺栓。螺栓孔應采用鉆成孔，如無特別說明，孔徑比螺栓公稱直徑大1.5mm。普通螺栓：C級，強度級別6.8級。

1.6.3 測風儀布置方案。測風儀器采用6層測風方案，分別在高程20m、40m、60m、80m、90m、100m處設置6個風速儀，在20m、100m高程設置風向儀，并設風壓、溫度測量設備。為保證測風數據的完整率，在測風塔上對稱布置2套測風設備，互為備用。

1.6.4 結構計算。塔架采用SAP2000軟件進行計算，具體計算過程略。根據計算結果，為減少工程投資，對塔架的立柱間的K形腹桿或交叉斜腹桿采用角鋼連接，從而進一步降低了塔架的鋼材用量。

1.6.5 塔架方案。根據計算成果，測風塔采用鋼管桁架塔，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高的避雷針結構。塔底寬9.50m，頂寬0.78m。塔身橫截面為正三角形，在三角形三個頂點布置鋼管立柱，立柱間由K形腹桿或交叉斜腹桿兩兩連接。

2 總結

2.1 多方案的比選和權衡

工程總體設計充分考慮了工程所在海域的自然條件和地質條件，為滿足本工程的限額設計要求，做了多方案比選，優化設計，選用三樁三角形桁架方案，減少了測風塔主體鋼材用量，降低了工程造價。

在結構形式和材料選擇上進行比對，特別是基礎鋼結構平臺、鋼管樁的選用，雖然在工程造價上有所增加，但是大大縮短了工期、降低了工程施工期風險，工程質量得到有效控制，在總造價略增的條件下，這種選擇是更為有利的。

2.2 設計反思

圖2 基礎及鋼平臺圖

工作爬梯及靠泊設施設計。在設計方案中，采用在2根樁之間設爬梯，通至平臺，爬梯的中部支撐于樁間連接橫桿上，下部懸空，兩側樁上加設靠泊設施（見圖2）。

但在實際施工和使用中，此方案因未考慮洋流、潮汐流向對船舶靠泊的影響，人員上下及設備材料運輸有所不便，船舶靠泊時對樁基的撞擊較大。

在類似工程中，采取直接在樁上焊接爬梯，并兼作靠泊防撞設施，較好地解決了這一問題（圖3），且施工方便，造價低。

圖3 某測風塔爬梯

2.3 塔架支臂長度的選擇

本工程設計時，塔架支臂長度按照規定設計，20m高程處支臂長度約18m，單根重量約2t。實際施工中，過重過長的支臂給施工帶來很大困難，并導致工期延長，增加了工程風險和后期維護的困難。而在“國家氣象局《風電場氣象觀測資料審核、訂正技術規程》（QX/T74-2007）中規定：“風速、風向傳感器應固定在測風鐵塔直徑二倍以上的牢固橫梁處，迎主風向安裝”。

對照上述規范的規定，為進一步了解塔影效應對測風數據采集的影響，本工程在20m高程處支臂上距離塔架外緣12m、18m處分別安裝了一個風速儀，并對實測數據進行對比（表2），通過對比可以發現，各月的平均風速相差不大，最大相差2.4%，年均風速差值為0.5%。

表2 不同支臂長度月平均風速對比表

在實際的測風數據使用中，設計人員更關注的是風電場風機輪轂高度處一定范圍內的風資源參數，對處于較低高程的測風數據，主要作為設計計算參考。依上述實測數據分析，筆者認為測風設備支臂長度可參照文獻[4]規定，同時，對于底層測風設備的支臂長度應該還可以適當縮短，以降低塔架支臂、設備安裝、維護的難度，降低工程造價和安裝維護時的安全風險。

2.4 平臺聯接方式

基礎平臺與樁基礎的連接方式，除了本設計中采用的插管式（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，風浪對施工影響小，但焊接質量和焊縫防腐質量控制難度較大。采用插管混凝土方式連接較為可靠，但要現場拌制混凝土，工期長，相關混凝土拌和設備、材料的運輸等增加了工程投資。因此，在采取措施保證現場焊接施工質量的前提下，可考慮采用焊接連接的方式，以縮短工期。

參考文獻

[1] 海上固定平臺規劃設計和建造的推薦作法工作應力設計法（SY/T 10030-2004）[S].

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

[3] 風電場風能資源測量方法（GB/T18709-2002）[S].

[4] 風電場氣象觀測資料審核、訂正技術規程（QX/T74-2007）[S].

作者簡介：鄭杰（1973-），男，安徽岳西人，上海勘測設計研究院工程師，研究方向：新能源、總承包及項目管理。

圖3 某測風塔爬梯

2.3 塔架支臂長度的選擇

本工程設計時，塔架支臂長度按照規定設計，20m高程處支臂長度約18m，單根重量約2t。實際施工中，過重過長的支臂給施工帶來很大困難，并導致工期延長，增加了工程風險和后期維護的困難。而在“國家氣象局《風電場氣象觀測資料審核、訂正技術規程》（QX/T74-2007）中規定：“風速、風向傳感器應固定在測風鐵塔直徑二倍以上的牢固橫梁處，迎主風向安裝”。

對照上述規范的規定，為進一步了解塔影效應對測風數據采集的影響，本工程在20m高程處支臂上距離塔架外緣12m、18m處分別安裝了一個風速儀，并對實測數據進行對比（表2），通過對比可以發現，各月的平均風速相差不大，最大相差2.4%，年均風速差值為0.5%。

表2 不同支臂長度月平均風速對比表

在實際的測風數據使用中，設計人員更關注的是風電場風機輪轂高度處一定范圍內的風資源參數，對處于較低高程的測風數據，主要作為設計計算參考。依上述實測數據分析，筆者認為測風設備支臂長度可參照文獻[4]規定，同時，對于底層測風設備的支臂長度應該還可以適當縮短，以降低塔架支臂、設備安裝、維護的難度，降低工程造價和安裝維護時的安全風險。

2.4 平臺聯接方式

基礎平臺與樁基礎的連接方式，除了本設計中采用的插管式（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，風浪對施工影響小，但焊接質量和焊縫防腐質量控制難度較大。采用插管混凝土方式連接較為可靠，但要現場拌制混凝土，工期長，相關混凝土拌和設備、材料的運輸等增加了工程投資。因此，在采取措施保證現場焊接施工質量的前提下，可考慮采用焊接連接的方式，以縮短工期。

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作者簡介：鄭杰（1973-），男，安徽岳西人，上海勘測設計研究院工程師，研究方向：新能源、總承包及項目管理。

圖3 某測風塔爬梯

2.3 塔架支臂長度的選擇

本工程設計時，塔架支臂長度按照規定設計，20m高程處支臂長度約18m，單根重量約2t。實際施工中，過重過長的支臂給施工帶來很大困難，并導致工期延長，增加了工程風險和后期維護的困難。而在“國家氣象局《風電場氣象觀測資料審核、訂正技術規程》（QX/T74-2007）中規定：“風速、風向傳感器應固定在測風鐵塔直徑二倍以上的牢固橫梁處，迎主風向安裝”。

對照上述規范的規定，為進一步了解塔影效應對測風數據采集的影響，本工程在20m高程處支臂上距離塔架外緣12m、18m處分別安裝了一個風速儀，并對實測數據進行對比（表2），通過對比可以發現，各月的平均風速相差不大，最大相差2.4%，年均風速差值為0.5%。

表2 不同支臂長度月平均風速對比表

在實際的測風數據使用中，設計人員更關注的是風電場風機輪轂高度處一定范圍內的風資源參數，對處于較低高程的測風數據，主要作為設計計算參考。依上述實測數據分析，筆者認為測風設備支臂長度可參照文獻[4]規定，同時，對于底層測風設備的支臂長度應該還可以適當縮短，以降低塔架支臂、設備安裝、維護的難度，降低工程造價和安裝維護時的安全風險。

2.4 平臺聯接方式

基礎平臺與樁基礎的連接方式，除了本設計中采用的插管式（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，風浪對施工影響小，但焊接質量和焊縫防腐質量控制難度較大。采用插管混凝土方式連接較為可靠，但要現場拌制混凝土，工期長，相關混凝土拌和設備、材料的運輸等增加了工程投資。因此，在采取措施保證現場焊接施工質量的前提下，可考慮采用焊接連接的方式，以縮短工期。

參考文獻

[1] 海上固定平臺規劃設計和建造的推薦作法工作應力設計法（SY/T 10030-2004）[S].

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[3] 風電場風能資源測量方法（GB/T18709-2002）[S].

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作者簡介：鄭杰（1973-），男，安徽岳西人，上海勘測設計研究院工程師，研究方向：新能源、總承包及項目管理。