唐山海上測風塔設計與施工技術探討

文 | 馬建春，馬風有

唐山海上測風塔設計與施工技術探討

文 | 馬建春，馬風有

海上風電具有風功率密度大、湍流小、可利用時間長、距離負荷中心近等特點，目前已成為風電發展的重要領域。唐山市位于河北省東部，近海海域風能資源豐富，規劃總裝機容量為430萬千瓦，是河北乃至全國海上風電開發的熱點和重點。受到地面粗糙度、大氣穩定度等因素的影響，陸地氣象站的測風數據并不能代表海上風能資源的特性，獲取海上風能資源數據最直接的方法就是在海上建立測風塔。海上測風塔結構設計與一般輸電鐵塔不同，目前國內沒有相關的設計規范，可借鑒參考的資料較少。本文主要根據唐山渤海海上測風塔的設計經驗，對測風塔設計與施工的關鍵問題進行總結和探討，為今后類似工程提供參考。

海上測風塔風資源有效控制半徑不超過10km，使用年限一般為3年－5年，高度一般在100m左右，測風塔上部結構主要包括塔架、測風支臂、避雷針和爬梯等，塔架采用塔桅鋼結構，結構構件采用直縫鋼管，該海上測風塔立體三維圖如圖1所示。

圖1　測風塔立體三維示意圖

測風塔上部結構設計

一、測風塔形式選擇

海上測風塔一般采用自立式，塔架形式可分為單根圓筒式、三角形或四邊形截面桁架等，單根圓筒式塔架結構鋼管直徑大、耗鋼量大，需要進行海上特有風況的結構強度分析，在經濟上不占優勢?？紤]到海上測風塔主要承受自身風荷載和自重，受力較小，同時考慮到測風塔基礎施工的難度和成本，采用三角形截面較為合適，當三角形截面桁架不能滿足受力及變形要求或不經濟時，塔架截面可以選用四邊形。

通過中尺度數值模擬的方法，推算該海域100m高平均風速約7.7m/s，受臺風影響小，初步判斷測風塔受力較小，可采用三角形截面形式，塔架立面廓線選取直線型。

二、測風塔塔架高度的確定

參考淺海鋼質固定平臺結構設計與建造技術規范，平臺底層甲板高程按如下公式確定：

T－平臺底層或設備底面高程，m；

H－校核高水位的水面高程，m；

Hb－校核高水位的最大波高，m；

△－安全氣隙高度，取1.5m。

依據海上風電場風能資源測量及海洋水文觀測規范規定，海上測風塔測量高度應以風電場區域平均海平面為起算基面。確定測風塔承臺底高程后，測風塔高度的確定與承臺形式和承臺厚度密切相關，如果采用鋼筋混凝土承臺，承臺厚度約2m，對90m測風高度而言，是不容忽視的。

三、測風設備選型及布置

風能資源觀測設備常規使用較多的有NRG和Ammonit兩種設備，其中Ammonit設備材料專為海洋環境定制，設備保障率和采樣頻率更高，可以滿足日后的風電場風功率預測。

海上風電機組輪轂高度一般在90m以上，為進一步提高觀測數據的可靠性，測風塔80m以上高度進行加密觀測，同時考慮到海上維護困難，測風塔在使用期間不能中斷觀測等因素，海上測風塔在60m、80m、90m、100m高度安裝兩套風速及風向測量儀器以互為備用。

除風速、風向、氣溫、大氣壓等傳感器外，測風塔上還應安裝這些設備配套的數據無線傳送裝置、太陽能電池板、數據線纜、免維護蓄電池及銘牌等，各種觀測設備的技術要求應滿足海上風電場風能資源測量及海洋水文觀測規范中的相關規定。

四、測風塔塔架設計的主要荷載

海上測風塔上部結構主要承受風荷載及自重，結構表面單位面積上的風荷載標準值應按下式計算：

式中：βz為z高度處的風振系數；μs為測風塔體型系數；μz為z高度處的風壓高度變化系數；w0為基本風壓，W0=V2/1600，V為基本風速。

（一）基本風壓的確定

根據GB/T18709－2002《風電場風能資源測量方法》，在沿海地區，結構能承受當地30年一遇的最大風載沖擊，考慮到海上測風塔距離岸線較遠、海況復雜、塔架及設備維護困難等因素，本海上測風塔基本風速選用50年一遇、10米高、10分鐘平均最大值。

通過對唐山樂亭海域已建測風塔與樂亭氣象站逐月平均風速進行線性相關分析，得出線性相關方程并由此推算此海域50年一遇、10米高、10分鐘平均最大風速為35.6m/s，對應的基本風壓為0.7921kN/m2。

（二）風荷載體型系數計算

以三角形截面測風塔為例，結構考慮正風、背風和側風三個方向風壓作用，如圖2所示。

海上測風塔風荷載體型系數主要根據規范GB50135，依據組成測風塔構件截面類型分段進行計算。

（三）風振系數的確定

海上測風塔屬高聳柔性結構，應考慮脈動風引起的風振影響，測風塔z高度處的風振系數βz可依據規范GB50009中規定計算所得。

（四）風壓高度變化系數計算

海上測風塔地處海區，地面粗糙度屬A類，可依據規范GB50135通過查表取得，中間值按插入法計算。

五、測風塔塔架設計荷載組合

海上測風塔應同時滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的設計要求。

（一）承載能力極限狀態下測風塔荷載基本組合

式中：γ0為結構重要性系數，測風塔使用年限為5年，可取0.9；

γG為永久荷載分項系數，取1.2；γQ1為風荷載分項系數，取1.4；（二）正常使用極限狀態荷載標準組合

式中：SGK為永久荷載標準值GK計算的荷載效應值；SQ1k為可變荷載標準值Q1k計算的荷載效應值，C為設計對變形規定的相應限值，依據GB50135要求，對于以風荷載為主的荷載標準組合作用下的測風塔結構，其水平位移限值H/75（H為塔全高）。

（三）覆冰工況組合

根據樂亭氣象站多年統計數據，該區域覆冰最大厚度為2.2mm，依據GB50135《高聳結構設計規范》，輕覆冰區基本覆冰厚度可取5mm－10mm，同時風壓取0.15kN/m2，同時氣溫取-5℃。

六、測風塔設計優化

（一）測風塔構件形式

測風塔塔架構件截面型式可選用鋼管、角鋼、圓鋼及其組合構件。與角鋼塔架相比，鋼管塔架的風荷載體型系數小，回轉半徑大且鋼管構件截面各向同性，由鋼管組成的塔架具有風阻小、剛性好、節省材料、造型美觀、運行維護方便等優點，因此海上測風塔推薦采用直縫鋼管做為塔架結構受力的主要構件。

（二）塔架桿件布置

測風塔鋼管主材和斜材軸線之間的夾角不宜小于30度，同時應兼顧測風儀器布置高程，靠近塔頂部分主斜材夾角可適當放寬，但考慮到“鞭梢效應”的影響，塔頂部分主斜材規格應適當留有余度，靠近塔架底部可采用K型節點布材方式，此時主、斜材軸線之間的夾角不宜小于20度。

（三）塔架坡度的優化

圖2　三角形截面測風塔風壓作用示意圖

海上測風塔承受的主要是外界風荷載及塔架、設備的自重荷載，塔架頂部截面尺寸優化空間較小，塔體高度一定時，以塔重為目標函數，通過調節塔架下部根開，反復計算，得出滿足承載力極限狀態下測風塔最佳坡度，同時查看荷載標準組合條件下塔頂水平位移限值是否滿足H/75（H為塔全高）的要求，如果不滿足，應繼續調整塔底根開、塔身布材方式、桿件壁厚等方式予以解決，最終得出適合本工程測風塔的最佳坡度。

（四）塔架構件材質選擇

測風塔設計應找到塔重與塔架變形的一個平衡點，全部構件采用高強度材料，構件截面小、耗材省、塔重輕，但塔架變形很難滿足要求。反之，只顧及塔架變形要求，塔架重量、底部根開就會很大，塔架及基礎投資就會大幅增加，因此海上測風塔主材、支臂宜采用Q345鋼，塔架斜材宜采用Q235鋼，可以有效解決上述矛盾。

（五）塔架構件最小厚度要求

測風塔地處海洋環境，受鹽霧腐蝕嚴重，依據DL/T 5254－2010《架空輸電線路鋼管塔設計技術規定》構造要求，鋼管塔主材、斜材最小厚度應分別取5mm、4mm。

七、測風塔構造設計

（一）測風塔底節分段高度不宜過大。因為底部法蘭與承臺預埋螺栓相連，地腳螺栓數量較多、海上吊裝定位難度大，底節安裝順利與否直接影響整個塔架的安裝進度。

（二）測風塔地腳螺栓應采用可調節型螺栓，以利于固定盤調平，消除基礎承臺的施工誤差。

（三）測風塔主材的接頭法蘭盤宜盡量靠近節點，主材伸出節點高度一般不大于1000mm，器便于組塔人員螺栓緊固操作。

（四）測風塔支臂橫梁端部需要安放測風設備，至主材外緣距離一般不小于3倍相應高度處塔身寬度，當支臂橫梁長度大于10m時，應考慮設置法蘭接頭，以利于運輸及現場組裝。

（五）塔架接頭法蘭構造要求。螺栓所在圓直徑應大于“被連接桿件外壁直徑+2倍扳手空間+螺帽直徑+2倍桿件壁厚”；法蘭接頭螺栓間距應滿足“螺帽直徑+2倍焊縫高度hf+加勁板厚t+2倍扳手空間”，扳手空間可取5mm。螺栓間距可取3倍－4倍的螺栓直徑d，法蘭板外邊距L取1.6d，現場緊固螺栓較為便利。

八、測風塔塔架防腐蝕設計

考慮到測風塔處在海上大氣區，體型規則且用鋼量不大，為方便制作加工，測風塔上部塔架全部采用熱鍍鋅防腐，鋅層厚度不小于120μm，對于在施工現場收到損傷的部位應補涂富鋅涂層，厚度不小于140μm。

測風塔組立完畢后，地腳螺栓露出承臺頂面部分（包括墊塊、螺帽等），應刷防腐漆防腐，具體做法為：底層涂料可采用富鋅漆，平均涂層厚度可取40μm，面層涂料可采用氯化橡膠漆，平均涂層厚度可取280μm。

圖3　接頭法蘭螺栓放樣圖

測風塔塔架施工

一、測風塔塔架施工季節選擇

海上測風塔施工條件惡劣，工期受季節、氣候條件的影響較大，根據渤海海域海洋水文氣象資料，本地區初冰期一般出現在11月下旬，終冰期在3月上旬，盛冰期為1、2月份，以1月為主；春季風大；臺風多出現在7月－9月，少數在10月出現，適宜海上施工的時間段為5月－8月。

二、測風塔塔架施工組織

海上測風塔塔架安裝可分為吊裝式和自升式兩種，測風塔高度接近100m，整體吊裝需選用大型吊裝設備，考慮海上施工條件及吊裝設備的實際情況，工程中一般采用自升式安裝。塔架安裝示意圖見圖4。

測風塔架安裝流程為：測風塔塔架運輸至施工現場→測風塔底節吊裝→每節測風塔主體安裝→測風塔垂直度調整→頂節安裝→避雷針安裝→測風塔垂直度調整→避雷線安裝→測風設備安裝→竣工驗收。具體方案如下：

1.對每個塔腳錨栓間距、塔腳間錨栓間距、錨栓露出定位板的長度進行檢測進行檢測，應符合安裝要求。

2.對照塔架結構圖紙，清點并標示構件編號。

3.利用多功能駁船的起重裝置吊裝腿部主材鋼管并固定。

4.安裝底節斜材并固定。

5.固定滑輪，吊拉拔桿并固定。

6.依次起吊安裝第二節及以上塔架主材、斜材至頂節并固定。

7.吊裝避雷針及避雷引下線并固定。

8.安裝測風儀和風向標并固定信號饋線。

9.安裝航空障礙燈、航標指示燈。

為確保施工過程不發生意外安全事故，保證施工質量，如遇風速大于8m/s、波浪高大于1.38m或雨、霧、結冰等惡劣天氣時，不應出海施工作業。

三、測風塔垂直度測量

塔架安裝過程中和竣工完成后都需要檢測其整體垂度，根據塔桅鋼結構工程施工質量驗收規程，對塔架整體垂直度偏差（雙向偏差矢量和），當塔高度H大于75m時，塔身實際軸線與設計軸線偏差不得大于50+（H－75000）/4000mm，測量儀器可采用經緯儀。測風塔離岸較近時，測站點可選擇在近海岸，較遠時可選擇在承臺中心，利用目鏡導光器實現天頂方向全方位仰視觀測。

圖4　塔架安裝示意圖

結語

海上測風塔雖屬臨時性結構，但投資費用高，施工難度大，合理確定計算荷載及其組合工況，優化塔架結構設計及施工方案，對降低工程本體投資、縮短施工周期、確保施工質量是十分必要的。本海上測風塔自建成至今已經安全運行3年，經受多次極端惡劣海況的考驗，目前運行良好，該測風塔的設計與施工技術可為海上風電場類似工程建設提供參考。

（作者單位：河北省電力勘測設計研究院）