一種鋼制潮流能發電平臺設計方法

徐俊，徐鑫

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著化石能源的不斷枯竭，可再生能源的開發與利用已成為全世界關注的重點。在探索可再生能源的過程中，潮流能引起了廣泛的關注，水輪機等潮流能開發設備也取得了一系列成果。潮流能具有持續穩定、清潔便利等特點，多分布在近海地區，水輪機產生的電能可以得到快速傳輸和利用。但是，劇烈的海流作用和復雜的地質條件等因素都對潮流能開發提出了嚴峻的工程技術要求。

本文提出了一種鋼制潮流能發電平臺設計方法，同時滿足安全、使用和施工要求，利用建筑工程鋼結構常用的3D3S 軟件，針對工程設計實例進行有限元分析計算，論證了該設計方法的可行與合理性，為類似工程設計提供了有價值的參考。

1 鋼平臺的設計思路及結構形式

為追求高發電效率，潮流能開發場址通常位于流速較大的海域，但是這類海域條件對安裝水輪機組的基礎結構造成巨大挑戰，即基礎結構必須在復雜地形、流速較大的環境條件下保證水輪機組的正常運行。鋼結構具有自重輕，跨度大，制作、安裝較為便捷等優點[1-3]，廣泛應用于海洋資源開發，并可作為巖質地基下嵌巖樁基礎的施工平臺。本文結合鋼結構特點和基礎嵌巖樁施工要求，提出了一種鋼結構潮流能平臺設計方法。主體鋼結構在陸域拼裝完成后，吊運至指定海域，結合嵌巖樁施工技術便可形成穩固的潮流能發電平臺。

鋼制潮流能平臺上部采用雙層平行弦鋼框架結構，主要由方形桿件和鋼套筒組成，分縱橫向布置，平臺整體模型如圖1 所示。橫向排架數由水輪機組數決定，橫向鋼框架之間通過2 組永久縱向鋼框架進行連接，其中橫向鋼框架沿水流方向布置；縱向鋼框架沿垂直水流方向布置，框架直腹桿和斜腹桿、上下弦桿和斜腹桿的夾角取40°～50°。

圖1 平臺整體示意圖Fig.1 Overall diagram of the platform

下部采用嵌巖樁鋼套筒，嵌巖樁鋼套筒用于后續嵌巖樁施工。每榀排架均布置相同數目的鋼套筒嵌巖樁，每榀排架中間為直樁，考慮抗傾覆和抗滑移設計，最外側2 根為斜樁。排架內各樁套筒之間通過圓管撐桿連接，排架之間水下部分基本不設置桿件連接，以免影響水輪機組。為了避免結構產生大幅度扭轉變形，在橫向鋼架和縱向鋼架連接處設置斜向支撐，使局部形成穩定的三角形穩定節點，提高結構整體的抗扭轉能力。

2 數值分析

2.1 設計資料

本文依托項目場址位于浙江省舟山市岱山縣秀山島附近海域，受周圍島嶼影響，漲潮落潮時該區域水流湍急，最大流速可達5 m/s 以上，是理想的海洋潮流能發電場所。

擬建的鋼框架平臺長40.8 m，寬26.6 m，為3 榀2 跨結構，跨度均為17.7 m，2 層平行弦框架中心間距為2 m，主要構件截面尺寸見表1。每榀排架均布置6 根φ1 300 mm 鋼套筒嵌巖樁，每榀排架中間4 根樁為直樁，最外側2 根為斜樁，斜度為5∶1，嵌巖段直徑1 150 mm，嵌巖深度進入中等風化巖6 m。整體鋼結構采用Q345B 鋼，彈性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.3。嵌巖樁內混凝土采用C35 混凝土。

表1 主要構件截面特性Table 1 Section characteristics of main components

所在地區抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.10g。場址50 a 一遇設計波高2.97 m，波長138.64 m，周期10.29 s。水深最深處達25 m，海底地面為裸露巖石，陡度最陡處達30°。落潮流最大流速為5.82 m/s，與平臺最大夾角為6°，漲潮流最大流速為5.10 m/s，與平臺最大夾角為3°，平均流速為4 m/s，與平臺最大夾角為6°。

2.2 計算方法

本文采用3D3S 軟件建立了施工期和使用期2種三維框架模型（圖2），適當進行模型簡化并設置合理的載荷情況和約束條件。3D3S 軟件是基于桿系和板殼單元的三維結構有限元分析軟件，對于鋼結構建模、計算效率高，后處理結果不僅包括結構的應力和變形，還可以輸出GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[4]規范的檢驗結果，常用于陸上建筑設計。該軟件可有效處理風載荷、雪載荷等建筑設計中的常用載荷，但不能通過波流參數施加相應載荷，因此需要通過相關規范計算出波流載荷，然后分別折算成節點力施加在結構上。平臺的計算內容包括構件強度、穩定性驗算以及變形或撓度計算、長細比驗算。

圖2 施工期結構計算模型Fig.2 Structural calculation model in construction period

為準確反映結構特點，鋼制平臺建模過程遵循以下原則：

1）桿件單元與單元之間的節點設為剛接，對于特殊說明的桿件，根據實際情況簡化處理。

2）施工期樁基礎設為鉸接約束，鉸接點為巖面以下2 m 處，使用期樁基礎設為固支約束，嵌固點設為巖面以下2 m 處。施工期臨時框架與橫向排架的連接設為鉸接。

3）局部加勁板不參與整體結構計算。

4）采用鋼混組合截面模擬嵌巖樁基礎。

2.3 校核原則

在鋼結構設計中，桿件首先需要滿足穩定設計的構造要求，其中的關鍵指標就是長細比?！朵摻Y構設計標準》中規定，受壓構件的長細比允許限值為150，受拉構件的長細比允許限值為300。

在常規跨度的桁架設計中，桿件的強度計算應力比通?？刂圃?.9 以下[5]，但本平臺常年承受潮流往復作用，而且海上晝夜溫差較大，溫度應力等也會對平臺產生一定的影響。因此，本工程桿件的強度計算應力比控制標準為0.8。

2.4 施工期結構分析

本工程施工期，包括嵌巖樁施工的計算載荷主要包括以下幾項：

1）恒載，結構自重。

2）均布載荷，10 kN/m2（鋪在頂層框架上的鋼板載荷）。

3）施工載荷，80 t 履帶吊載荷（自重80 t，最大作業重量40 t），履帶吊載荷在3D3S 軟件計算中設為吊車載荷，吊車總重取120 t，沖擊系數取1.3，移動路徑可人為定義。

4）水流力，施工期水流速取平均流速，按照JTS 145—2015《港口與航道水文規范》[6]和JTS 144-1—2010《港口工程載荷規范》[7]進行計算。

具體工況組合及載荷分項系數的選取見表2。位移計算結果包絡值見表3，強度和穩定計算結果包絡值見表4，桿件應力比分布見圖3。

表2 施工期工況組合Table 2 Condition combination during construction period

表3 施工期工況位移結果包絡值Table 3 Envelope value of displacement results during construction period mm

表4 施工期工況強度和穩定計算結果包絡值Table 4 Envelope value of strength and stability results during construction period

圖3 桿件應力比分布圖Fig.3 Distribution diagram of bar stress ratio

由以上分析結果可知，平臺在施工作業期間最大位移為22.09 mm，對應的節點位于3-3 排架角點；最大強度應力比為0.546，對應的桿件為3-3 排架外側一處斜向方形鋼梁；最大穩定應力比為0.604，對應的桿件為臨時框架端部垂向方形鋼梁，抗剪應力比和長細比均滿足安全要求。通過上述分析計算，該結構在施工期總體滿足安全和穩定要求。

2.5 使用期結構分析

嵌巖樁施工完成后，需要拆除臨時框架，截除超出頂層框架的樁套筒。安裝水輪機組和其他設施，平臺即可投入使用。本工程使用期主要外載荷包括水流力、波浪力、500 t 小船意外撞擊載荷、機組載荷和地震載荷。機組極限載荷由業主提供，在計算時將載荷均分在機組的4 個節點上，機組平面布置見圖4。具體工況組合及載荷分項系數的選取見表5，波浪力和水流力參考《港口與航道水文規范》[6]和《港口工程載荷規范》[7]的有關條款計算；小船意外撞擊載荷參考JTG D 60—2015《公路橋涵設計通用規范》[8]有關條款計算，地震載荷通過設置相關參數施加在結構上。具體載荷見表6，位移計算結果包絡值見表7，強度和穩定計算結構包絡值見表8，桿件應力比分布見圖5。

在所有工況組合中，結構最大位移為16.35 mm，所在桿件為最東側排架下層一處方形鋼梁，所在工況為使用期工況組合4，結構整體最大位移滿足結構安全要求。

圖4 水輪機組平面布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the layout of the hydraulic turbine group

表5 使用期工況組合Table 5 Operation condition combination

表6 1.5 MW 機組極限載荷表Table 6 Ultimate load of 1.5 MW

表7 使用期工況位移結果包絡值Table 7 Envelope value of displacement results during operation period mm

表8 使用期工況強度和穩定計算結果包絡值Table 8 Envelope value of strength and stability results during operation period

圖5 桿件應力比分布圖Fig.5 Distribution diagram of bar stress ratio

由以上使用期各工況計算結果可知，桿件最大強度應力比為0.463，桿件最大穩定應力比為0.438，對應桿件均為最東側排架-10.8 m 處左側φ800 橫向鋼撐桿，所處工況為工況組合4；證明結構能夠抵抗各種極端工況載荷，滿足安全要求。

3 結語

本文將鋼結構設計和嵌巖樁基礎施工結合起來，提出一種潮流能發電基礎結構設計方法，以某潮流能發電基礎結構為例，通過3D3S 軟件建立了不同階段的結構分析計算模型，并對施工期工況、使用期工況等工況下的結構受力進行了計算，分析了相應的計算結果，得到了以下結論：

1）大型鋼框架結合嵌巖樁施工技術可滿足近海潮流能開發的安全性、使用性和施工要求；

2）施工載荷是重要的控制載荷，直接影響桿件選取和結構承載能力；

3）平臺兩側斜樁上的偏心桿件需重點關注；

4）本文的分析過程和結果可以為近海潮流能發電平臺的設計提供參考。

鋼制潮流能發電平臺的設計不僅包括整體結構設計和計算，還包括整體吊裝技術和嵌巖樁施工技術等，本工程在這些方面都已進行了專項技術論證，具體過程有待進一步總結分析。