風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)在海上風(fēng)電工程中的應(yīng)用研究

摘 要：文章以東海大橋海上風(fēng)電二期工程為基礎(chǔ)，通過對(duì)靜力水準(zhǔn)儀、雙向傾角儀、加速度計(jì)、鋼板應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀、長效海水Ag/AgCl參比電極等風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測設(shè)備的布置，對(duì)多樁承臺(tái)基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)傾斜、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測，并對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)表明：風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)適用于當(dāng)前海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，為海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;監(jiān)測設(shè)備;結(jié)構(gòu)監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0073-04

0 前言

風(fēng)能是一種可再生能源，具有清潔、綠色的特點(diǎn)，是目前世界各國的研究重點(diǎn)。我國陸上可開發(fā)利用的實(shí)際風(fēng)能資源約為2.53億KW，近海風(fēng)能資源大概是陸地風(fēng)能資源的3倍。但海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)承受強(qiáng)風(fēng)、大浪、海流、浮冰等復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載及海上鹽霧、潮寒、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣影響，在這些復(fù)雜荷載聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生整體傾覆、斷裂失效、屈曲失穩(wěn)、振動(dòng)疲勞損傷、地基沖刷、液化和弱化等破壞或風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響和威脅海上風(fēng)電工程的安全性和耐久性。目前我國海上風(fēng)電場建設(shè)目前還處于示范建設(shè)階段，海上風(fēng)電場運(yùn)行監(jiān)控和狀態(tài)評(píng)價(jià)主要參考陸上風(fēng)機(jī)，只進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，僅在試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)和塔筒的少量部位進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)針對(duì)海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)監(jiān)測，不能滿足對(duì)海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的要求，對(duì)于近海高承臺(tái)樁風(fēng)機(jī)運(yùn)行期的安全監(jiān)測國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，因此監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行期樁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)承臺(tái)的應(yīng)力應(yīng)變、塔筒過渡段的傾斜情況及塔筒的振動(dòng)狀態(tài)，分析風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)及承臺(tái)的應(yīng)力狀態(tài)、塔筒傾斜及振動(dòng)情況，可以得出施工期及運(yùn)行期風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力狀態(tài)及運(yùn)行期風(fēng)機(jī)塔筒振動(dòng)情況對(duì)基礎(chǔ)承臺(tái)的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)，為我國近海海上風(fēng)電安全監(jiān)測及檢測規(guī)范的編制提供依據(jù)。

1 工程概況

上海東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目是亞洲首個(gè)海上風(fēng)電場，位于上海市洋山海域東海大橋東側(cè)，距東海大橋1-6Km海域范圍內(nèi)，離岸距離8～13km，平均水深12m。地屬杭州灣海域，常年氣溫較高，濕度大，季候風(fēng)強(qiáng)烈，海水含鹽量高。由于該處靠近出海口，漲落潮干濕侵蝕以及海洋大氣的腐蝕對(duì)管樁等主體支撐結(jié)構(gòu)的使用壽命有極大的影響。

該樣機(jī)為8根Φ2000mm的鋼管樁基礎(chǔ)（如圖1所示），每根鋼管樁均采取了包括玻璃纖維復(fù)合材料包覆、環(huán)氧粉末涂層、犧牲陽極陰極保護(hù)等防腐蝕保護(hù)措施，不同區(qū)域采取的防腐蝕措施不同。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖2所示。

2 風(fēng)電監(jiān)測設(shè)備的布置及監(jiān)測

2.1 不均勻沉降監(jiān)測設(shè)備布置及監(jiān)測

在混凝土承臺(tái)頂部均勻布置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中一對(duì)監(jiān)測點(diǎn)布置在主方向上。在混凝土承臺(tái)澆筑時(shí)，制作混凝土測點(diǎn)墩、預(yù)埋螺桿，待風(fēng)機(jī)吊裝完成后，將靜力水準(zhǔn)儀安裝到預(yù)埋螺桿上，安裝連通管并充液。如圖3所示：

2.2 傾斜監(jiān)測設(shè)備布置及監(jiān)測

在混凝土承臺(tái)頂部、每節(jié)塔筒頂部及機(jī)艙內(nèi)，采用固定測斜儀測試樁身不同高度的傾斜，或在樁頂布置傾角儀測試樁頂?shù)膬A斜，用測斜管保護(hù)管底部封閉，具體安裝布置如圖4所示。

2.3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備布置及監(jiān)測

在基礎(chǔ)平臺(tái)頂面、塔筒內(nèi)及機(jī)艙內(nèi)安裝加速度計(jì)，塔筒內(nèi)宜根據(jù)塔筒節(jié)數(shù)分層布置，有條件時(shí)每節(jié)塔筒頂部和底部均布置傳感器，以檢查塔筒連接狀況。加速度計(jì)應(yīng)至少可測水平面上兩個(gè)方向的振動(dòng)變化量。如圖5所示。

2.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測設(shè)備布置及監(jiān)測

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測主要是設(shè)置在基礎(chǔ)、平臺(tái)、過渡段及塔筒等位置，監(jiān)測儀器主要有鋼板應(yīng)變計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)及無應(yīng)力計(jì)等。其中鋼板應(yīng)變計(jì)安裝時(shí)必須將安裝塊焊到鋼結(jié)構(gòu)表面上，焊接前，鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)用鋼絲刷清理，以去除氧化層、銹和油污，以使焊接牢固;鋼筋應(yīng)力計(jì)連接桿的尺寸應(yīng)與被測鋼筋直徑一致，儀器出線口位置應(yīng)注意保護(hù)，避免混凝土振搗時(shí)破壞;混凝土應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)的安裝是在承臺(tái)鋼筋綁扎完成后、混凝土澆筑前，按設(shè)計(jì)位置、設(shè)計(jì)方法安裝混凝土應(yīng)變計(jì)與無應(yīng)力計(jì)，混凝土應(yīng)變計(jì)的安裝方向一般與附近的鋼筋計(jì)方向相同，應(yīng)力筒的朝向一般是非荷載傳遞的方向。具體如圖6所示。

2.5 腐蝕監(jiān)測設(shè)備布置及監(jiān)測

在浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)選擇具有代表性的位置，在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土承臺(tái)中布置相應(yīng)的監(jiān)測儀器。主要是監(jiān)測陰極保護(hù)電位和監(jiān)測鋼筋銹蝕電流或電位，混凝土的電阻率、cl-濃度或pH值等。如圖7所示。

3 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果表明：塔筒位置的動(dòng)態(tài)傾斜度略大于承臺(tái)頂面的動(dòng)態(tài)傾斜度，位置越高、傾斜量越大。一般工況下，過渡段與塔筒底部的傾斜度最大值一般在0.04°左右，換算成分為單位，則傾斜度最大值一般在2.5″左右，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在承臺(tái)鋼筋基本綁扎完成、混凝土澆筑前，不同高程的樁身應(yīng)變均處于受壓狀態(tài)，應(yīng)變值在-30.0με～-45.0με;在風(fēng)機(jī)塔筒吊裝完成后，不同高程的樁身應(yīng)變均處于受壓狀態(tài)，應(yīng)變值在-80.0με～-125.0με;目前，不同高程的樁身應(yīng)變值穩(wěn)定在-100.0με～-160.0με，各鋼板應(yīng)變計(jì)的測值長期穩(wěn)定，變化幅度不大。假設(shè)鋼材的彈性模量取2.1×105MPa，可將測得的不同高程的樁身應(yīng)變值換算成樁身應(yīng)力：在承臺(tái)混凝土澆筑前，不同高程的樁身應(yīng)力在-6.3MPa～ -9.5MPa;在風(fēng)機(jī)塔筒吊裝完成后，不同高程的樁身應(yīng)力在 -16.8MPa～-26.3MPa;目前，不同高程的樁身應(yīng)力在-21.0MPa ～-34.0MPa。

混凝土承臺(tái)內(nèi)力，以澆筑過程中的鋼筋計(jì)測值為基準(zhǔn)，根據(jù)運(yùn)行期的鋼筋計(jì)測值可換算出運(yùn)行期承臺(tái)內(nèi)鋼筋的實(shí)際受力。35#風(fēng)機(jī)承臺(tái)內(nèi)部鋼筋計(jì)測值一般為-25.9MPa～ -43.8MPa（“-”表示鋼筋受壓），36#風(fēng)機(jī)承臺(tái)內(nèi)部鋼筋計(jì)測值一般為-42.9MPa～-58.8MPa（“-”表示鋼筋受壓），各鋼筋計(jì)測值長期保持穩(wěn)定，測值變化幅度不大。從承臺(tái)內(nèi)鋼筋計(jì)測值可以看出，承臺(tái)內(nèi)鋼筋均處于受壓狀態(tài)，壓力值長期穩(wěn)定、變化幅度不大。

3.3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

承臺(tái)與塔筒的振動(dòng)，采用雙向（東西向、南北向）測振儀（加速度計(jì)）進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：塔筒位置的振動(dòng)加速度略大于承臺(tái)頂面的振動(dòng)加速度，這說明，位置越高、振動(dòng)加速度越大;同時(shí)監(jiān)測過程中部分時(shí)刻加速度發(fā)生了跳動(dòng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)機(jī)發(fā)生了偏航，加速度測值有4次明顯的突變，說明此過程中風(fēng)機(jī)機(jī)艙可能發(fā)生了4次較明顯的偏航。如圖8和9所示。

3.4 結(jié)果腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

樁身保護(hù)電位利用萬用表與參比電極進(jìn)行監(jiān)測，保護(hù)電位測值統(tǒng)計(jì)表如表3所示，結(jié)果表明：保護(hù)電位的幾期測值比較接近，海浪、臺(tái)風(fēng)等未對(duì)工程樁的陰極保護(hù)效果產(chǎn)生明顯的不利影響。根據(jù)《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTS 153-3-2007）表4.5.5的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位在[-0.78V，-1.05V]此范圍內(nèi)，鋼管樁處于有效保護(hù)中。

4 結(jié)語

靜力水準(zhǔn)儀、雙向傾角儀、加速度計(jì)、鋼板應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀、長效海水Ag/AgCl參比電極等風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測設(shè)備能夠有效的監(jiān)控海上風(fēng)電工程中承臺(tái)基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)傾斜、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)腐蝕情況，這些設(shè)備及監(jiān)測技術(shù)適用于當(dāng)前海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，為海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

參考文獻(xiàn)

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