唐山海上测风塔设计与施工技术探讨

文 | 马建春，马风有

唐山海上测风塔设计与施工技术探讨

文 | 马建春，马风有

海上风电具有风功率密度大、湍流小、可利用时间长、距离负荷中心近等特点，目前已成为风电发展的重要领域。唐山市位于河北省东部，近海海域风能资源丰富，规划总装机容量为430万千瓦，是河北乃至全国海上风电开发的热点和重点。受到地面粗糙度、大气稳定度等因素的影响，陆地气象站的测风数据并不能代表海上风能资源的特性，获取海上风能资源数据最直接的方法就是在海上建立测风塔。海上测风塔结构设计与一般输电铁塔不同，目前国内没有相关的设计规范，可借鉴参考的资料较少。本文主要根据唐山渤海海上测风塔的设计经验，对测风塔设计与施工的关键问题进行总结和探讨，为今后类似工程提供参考。

海上测风塔风资源有效控制半径不超过10km，使用年限一般为3年－5年，高度一般在100m左右，测风塔上部结构主要包括塔架、测风支臂、避雷针和爬梯等，塔架采用塔桅钢结构，结构构件采用直缝钢管，该海上测风塔立体三维图如图1所示。

图1　测风塔立体三维示意图

测风塔上部结构设计

一、测风塔形式选择

海上测风塔一般采用自立式，塔架形式可分为单根圆筒式、三角形或四边形截面桁架等，单根圆筒式塔架结构钢管直径大、耗钢量大，需要进行海上特有风况的结构强度分析，在经济上不占优势。考虑到海上测风塔主要承受自身风荷载和自重，受力较小，同时考虑到测风塔基础施工的难度和成本，采用三角形截面较为合适，当三角形截面桁架不能满足受力及变形要求或不经济时，塔架截面可以选用四边形。

通过中尺度数值模拟的方法，推算该海域100m高平均风速约7.7m/s，受台风影响小，初步判断测风塔受力较小，可采用三角形截面形式，塔架立面廓线选取直线型。

二、测风塔塔架高度的确定

参考浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范，平台底层甲板高程按如下公式确定：

T－平台底层或设备底面高程，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；

△－安全气隙高度，取1.5m。

依据海上风电场风能资源测量及海洋水文观测规范规定，海上测风塔测量高度应以风电场区域平均海平面为起算基面。确定测风塔承台底高程后，测风塔高度的确定与承台形式和承台厚度密切相关，如果采用钢筋混凝土承台，承台厚度约2m，对90m测风高度而言，是不容忽视的。

三、测风设备选型及布置

风能资源观测设备常规使用较多的有NRG和Ammonit两种设备，其中Ammonit设备材料专为海洋环境定制，设备保障率和采样频率更高，可以满足日后的风电场风功率预测。

海上风电机组轮毂高度一般在90m以上，为进一步提高观测数据的可靠性，测风塔80m以上高度进行加密观测，同时考虑到海上维护困难，测风塔在使用期间不能中断观测等因素，海上测风塔在60m、80m、90m、100m高度安装两套风速及风向测量仪器以互为备用。

除风速、风向、气温、大气压等传感器外，测风塔上还应安装这些设备配套的数据无线传送装置、太阳能电池板、数据线缆、免维护蓄电池及铭牌等，各种观测设备的技术要求应满足海上风电场风能资源测量及海洋水文观测规范中的相关规定。

四、测风塔塔架设计的主要荷载

海上测风塔上部结构主要承受风荷载及自重，结构表面单位面积上的风荷载标准值应按下式计算：

式中：βz为z高度处的风振系数；μs为测风塔体型系数；μz为z高度处的风压高度变化系数；w0为基本风压，W0=V2/1600，V为基本风速。

（一）基本风压的确定

根据GB/T18709－2002《风电场风能资源测量方法》，在沿海地区，结构能承受当地30年一遇的最大风载冲击，考虑到海上测风塔距离岸线较远、海况复杂、塔架及设备维护困难等因素，本海上测风塔基本风速选用50年一遇、10米高、10分钟平均最大值。

通过对唐山乐亭海域已建测风塔与乐亭气象站逐月平均风速进行线性相关分析，得出线性相关方程并由此推算此海域50年一遇、10米高、10分钟平均最大风速为35.6m/s，对应的基本风压为0.7921kN/m2。

（二）风荷载体型系数计算

以三角形截面测风塔为例，结构考虑正风、背风和侧风三个方向风压作用，如图2所示。

海上测风塔风荷载体型系数主要根据规范GB50135，依据组成测风塔构件截面类型分段进行计算。

（三）风振系数的确定

海上测风塔属高耸柔性结构，应考虑脉动风引起的风振影响，测风塔z高度处的风振系数βz可依据规范GB50009中规定计算所得。

（四）风压高度变化系数计算

海上测风塔地处海区，地面粗糙度属A类，可依据规范GB50135通过查表取得，中间值按插入法计算。

五、测风塔塔架设计荷载组合

海上测风塔应同时满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求。

（一）承载能力极限状态下测风塔荷载基本组合

式中：γ0为结构重要性系数，测风塔使用年限为5年，可取0.9；

γG为永久荷载分项系数，取1.2；γQ1为风荷载分项系数，取1.4；（二）正常使用极限状态荷载标准组合

式中：SGK为永久荷载标准值GK计算的荷载效应值；SQ1k为可变荷载标准值Q1k计算的荷载效应值，C为设计对变形规定的相应限值，依据GB50135要求，对于以风荷载为主的荷载标准组合作用下的测风塔结构，其水平位移限值H/75（H为塔全高）。

（三）覆冰工况组合

根据乐亭气象站多年统计数据，该区域覆冰最大厚度为2.2mm，依据GB50135《高耸结构设计规范》，轻覆冰区基本覆冰厚度可取5mm－10mm，同时风压取0.15kN/m2，同时气温取-5℃。

六、测风塔设计优化

（一）测风塔构件形式

测风塔塔架构件截面型式可选用钢管、角钢、圆钢及其组合构件。与角钢塔架相比，钢管塔架的风荷载体型系数小，回转半径大且钢管构件截面各向同性，由钢管组成的塔架具有风阻小、刚性好、节省材料、造型美观、运行维护方便等优点，因此海上测风塔推荐采用直缝钢管做为塔架结构受力的主要构件。

（二）塔架杆件布置

测风塔钢管主材和斜材轴线之间的夹角不宜小于30度，同时应兼顾测风仪器布置高程，靠近塔顶部分主斜材夹角可适当放宽，但考虑到“鞭梢效应”的影响，塔顶部分主斜材规格应适当留有余度，靠近塔架底部可采用K型节点布材方式，此时主、斜材轴线之间的夹角不宜小于20度。

（三）塔架坡度的优化

图2　三角形截面测风塔风压作用示意图

海上测风塔承受的主要是外界风荷载及塔架、设备的自重荷载，塔架顶部截面尺寸优化空间较小，塔体高度一定时，以塔重为目标函数，通过调节塔架下部根开，反复计算，得出满足承载力极限状态下测风塔最佳坡度，同时查看荷载标准组合条件下塔顶水平位移限值是否满足H/75（H为塔全高）的要求，如果不满足，应继续调整塔底根开、塔身布材方式、杆件壁厚等方式予以解决，最终得出适合本工程测风塔的最佳坡度。

（四）塔架构件材质选择

测风塔设计应找到塔重与塔架变形的一个平衡点，全部构件采用高强度材料，构件截面小、耗材省、塔重轻，但塔架变形很难满足要求。反之，只顾及塔架变形要求，塔架重量、底部根开就会很大，塔架及基础投资就会大幅增加，因此海上测风塔主材、支臂宜采用Q345钢，塔架斜材宜采用Q235钢，可以有效解决上述矛盾。

（五）塔架构件最小厚度要求

测风塔地处海洋环境，受盐雾腐蚀严重，依据DL/T 5254－2010《架空输电线路钢管塔设计技术规定》构造要求，钢管塔主材、斜材最小厚度应分别取5mm、4mm。

七、测风塔构造设计

（一）测风塔底节分段高度不宜过大。因为底部法兰与承台预埋螺栓相连，地脚螺栓数量较多、海上吊装定位难度大，底节安装顺利与否直接影响整个塔架的安装进度。

（二）测风塔地脚螺栓应采用可调节型螺栓，以利于固定盘调平，消除基础承台的施工误差。

（三）测风塔主材的接头法兰盘宜尽量靠近节点，主材伸出节点高度一般不大于1000mm，器便于组塔人员螺栓紧固操作。

（四）测风塔支臂横梁端部需要安放测风设备，至主材外缘距离一般不小于3倍相应高度处塔身宽度，当支臂横梁长度大于10m时，应考虑设置法兰接头，以利于运输及现场组装。

（五）塔架接头法兰构造要求。螺栓所在圆直径应大于“被连接杆件外壁直径+2倍扳手空间+螺帽直径+2倍杆件壁厚”；法兰接头螺栓间距应满足“螺帽直径+2倍焊缝高度hf+加劲板厚t+2倍扳手空间”，扳手空间可取5mm。螺栓间距可取3倍－4倍的螺栓直径d，法兰板外边距L取1.6d，现场紧固螺栓较为便利。

八、测风塔塔架防腐蚀设计

考虑到测风塔处在海上大气区，体型规则且用钢量不大，为方便制作加工，测风塔上部塔架全部采用热镀锌防腐，锌层厚度不小于120μm，对于在施工现场收到损伤的部位应补涂富锌涂层，厚度不小于140μm。

测风塔组立完毕后，地脚螺栓露出承台顶面部分（包括垫块、螺帽等），应刷防腐漆防腐，具体做法为：底层涂料可采用富锌漆，平均涂层厚度可取40μm，面层涂料可采用氯化橡胶漆，平均涂层厚度可取280μm。

图3　接头法兰螺栓放样图

测风塔塔架施工

一、测风塔塔架施工季节选择

海上测风塔施工条件恶劣，工期受季节、气候条件的影响较大，根据渤海海域海洋水文气象资料，本地区初冰期一般出现在11月下旬，终冰期在3月上旬，盛冰期为1、2月份，以1月为主；春季风大；台风多出现在7月－9月，少数在10月出现，适宜海上施工的时间段为5月－8月。

二、测风塔塔架施工组织

海上测风塔塔架安装可分为吊装式和自升式两种，测风塔高度接近100m，整体吊装需选用大型吊装设备，考虑海上施工条件及吊装设备的实际情况，工程中一般采用自升式安装。塔架安装示意图见图4。

测风塔架安装流程为：测风塔塔架运输至施工现场→测风塔底节吊装→每节测风塔主体安装→测风塔垂直度调整→顶节安装→避雷针安装→测风塔垂直度调整→避雷线安装→测风设备安装→竣工验收。具体方案如下：

1.对每个塔脚锚栓间距、塔脚间锚栓间距、锚栓露出定位板的长度进行检测进行检测，应符合安装要求。

2.对照塔架结构图纸，清点并标示构件编号。

3.利用多功能驳船的起重装置吊装腿部主材钢管并固定。

4.安装底节斜材并固定。

5.固定滑轮，吊拉拔杆并固定。

6.依次起吊安装第二节及以上塔架主材、斜材至顶节并固定。

7.吊装避雷针及避雷引下线并固定。

8.安装测风仪和风向标并固定信号馈线。

9.安装航空障碍灯、航标指示灯。

为确保施工过程不发生意外安全事故，保证施工质量，如遇风速大于8m/s、波浪高大于1.38m或雨、雾、结冰等恶劣天气时，不应出海施工作业。

三、测风塔垂直度测量

塔架安装过程中和竣工完成后都需要检测其整体垂度，根据塔桅钢结构工程施工质量验收规程，对塔架整体垂直度偏差（双向偏差矢量和），当塔高度H大于75m时，塔身实际轴线与设计轴线偏差不得大于50+（H－75000）/4000mm，测量仪器可采用经纬仪。测风塔离岸较近时，测站点可选择在近海岸，较远时可选择在承台中心，利用目镜导光器实现天顶方向全方位仰视观测。

图4　塔架安装示意图

结语

海上测风塔虽属临时性结构，但投资费用高，施工难度大，合理确定计算荷载及其组合工况，优化塔架结构设计及施工方案，对降低工程本体投资、缩短施工周期、确保施工质量是十分必要的。本海上测风塔自建成至今已经安全运行3年，经受多次极端恶劣海况的考验，目前运行良好，该测风塔的设计与施工技术可为海上风电场类似工程建设提供参考。

（作者单位：河北省电力勘测设计研究院）