一种钢制潮流能发电平台设计方法

徐俊，徐鑫

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

随着化石能源的不断枯竭，可再生能源的开发与利用已成为全世界关注的重点。在探索可再生能源的过程中，潮流能引起了广泛的关注，水轮机等潮流能开发设备也取得了一系列成果。潮流能具有持续稳定、清洁便利等特点，多分布在近海地区，水轮机产生的电能可以得到快速传输和利用。但是，剧烈的海流作用和复杂的地质条件等因素都对潮流能开发提出了严峻的工程技术要求。

本文提出了一种钢制潮流能发电平台设计方法，同时满足安全、使用和施工要求，利用建筑工程钢结构常用的3D3S 软件，针对工程设计实例进行有限元分析计算，论证了该设计方法的可行与合理性，为类似工程设计提供了有价值的参考。

1 钢平台的设计思路及结构形式

为追求高发电效率，潮流能开发场址通常位于流速较大的海域，但是这类海域条件对安装水轮机组的基础结构造成巨大挑战，即基础结构必须在复杂地形、流速较大的环境条件下保证水轮机组的正常运行。钢结构具有自重轻，跨度大，制作、安装较为便捷等优点[1-3]，广泛应用于海洋资源开发，并可作为岩质地基下嵌岩桩基础的施工平台。本文结合钢结构特点和基础嵌岩桩施工要求，提出了一种钢结构潮流能平台设计方法。主体钢结构在陆域拼装完成后，吊运至指定海域，结合嵌岩桩施工技术便可形成稳固的潮流能发电平台。

钢制潮流能平台上部采用双层平行弦钢框架结构，主要由方形杆件和钢套筒组成，分纵横向布置，平台整体模型如图1 所示。横向排架数由水轮机组数决定，横向钢框架之间通过2 组永久纵向钢框架进行连接，其中横向钢框架沿水流方向布置；纵向钢框架沿垂直水流方向布置，框架直腹杆和斜腹杆、上下弦杆和斜腹杆的夹角取40°～50°。

图1 平台整体示意图Fig.1 Overall diagram of the platform

下部采用嵌岩桩钢套筒，嵌岩桩钢套筒用于后续嵌岩桩施工。每榀排架均布置相同数目的钢套筒嵌岩桩，每榀排架中间为直桩，考虑抗倾覆和抗滑移设计，最外侧2 根为斜桩。排架内各桩套筒之间通过圆管撑杆连接，排架之间水下部分基本不设置杆件连接，以免影响水轮机组。为了避免结构产生大幅度扭转变形，在横向钢架和纵向钢架连接处设置斜向支撑，使局部形成稳定的三角形稳定节点，提高结构整体的抗扭转能力。

2 数值分析

2.1 设计资料

本文依托项目场址位于浙江省舟山市岱山县秀山岛附近海域，受周围岛屿影响，涨潮落潮时该区域水流湍急，最大流速可达5 m/s 以上，是理想的海洋潮流能发电场所。

拟建的钢框架平台长40.8 m，宽26.6 m，为3 榀2 跨结构，跨度均为17.7 m，2 层平行弦框架中心间距为2 m，主要构件截面尺寸见表1。每榀排架均布置6 根φ1 300 mm 钢套筒嵌岩桩，每榀排架中间4 根桩为直桩，最外侧2 根为斜桩，斜度为5∶1，嵌岩段直径1 150 mm，嵌岩深度进入中等风化岩6 m。整体钢结构采用Q345B 钢，弹性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.3。嵌岩桩内混凝土采用C35 混凝土。

表1 主要构件截面特性Table 1 Section characteristics of main components

所在地区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10g。场址50 a 一遇设计波高2.97 m，波长138.64 m，周期10.29 s。水深最深处达25 m，海底地面为裸露岩石，陡度最陡处达30°。落潮流最大流速为5.82 m/s，与平台最大夹角为6°，涨潮流最大流速为5.10 m/s，与平台最大夹角为3°，平均流速为4 m/s，与平台最大夹角为6°。

2.2 计算方法

本文采用3D3S 软件建立了施工期和使用期2种三维框架模型（图2），适当进行模型简化并设置合理的载荷情况和约束条件。3D3S 软件是基于杆系和板壳单元的三维结构有限元分析软件，对于钢结构建模、计算效率高，后处理结果不仅包括结构的应力和变形，还可以输出GB 50017—2017《钢结构设计标准》[4]规范的检验结果，常用于陆上建筑设计。该软件可有效处理风载荷、雪载荷等建筑设计中的常用载荷，但不能通过波流参数施加相应载荷，因此需要通过相关规范计算出波流载荷，然后分别折算成节点力施加在结构上。平台的计算内容包括构件强度、稳定性验算以及变形或挠度计算、长细比验算。

图2 施工期结构计算模型Fig.2 Structural calculation model in construction period

为准确反映结构特点，钢制平台建模过程遵循以下原则：

1）杆件单元与单元之间的节点设为刚接，对于特殊说明的杆件，根据实际情况简化处理。

2）施工期桩基础设为铰接约束，铰接点为岩面以下2 m 处，使用期桩基础设为固支约束，嵌固点设为岩面以下2 m 处。施工期临时框架与横向排架的连接设为铰接。

3）局部加劲板不参与整体结构计算。

4）采用钢混组合截面模拟嵌岩桩基础。

2.3 校核原则

在钢结构设计中，杆件首先需要满足稳定设计的构造要求，其中的关键指标就是长细比。《钢结构设计标准》中规定，受压构件的长细比允许限值为150，受拉构件的长细比允许限值为300。

在常规跨度的桁架设计中，杆件的强度计算应力比通常控制在0.9 以下[5]，但本平台常年承受潮流往复作用，而且海上昼夜温差较大，温度应力等也会对平台产生一定的影响。因此，本工程杆件的强度计算应力比控制标准为0.8。

2.4 施工期结构分析

本工程施工期，包括嵌岩桩施工的计算载荷主要包括以下几项：

1）恒载，结构自重。

2）均布载荷，10 kN/m2（铺在顶层框架上的钢板载荷）。

3）施工载荷，80 t 履带吊载荷（自重80 t，最大作业重量40 t），履带吊载荷在3D3S 软件计算中设为吊车载荷，吊车总重取120 t，冲击系数取1.3，移动路径可人为定义。

4）水流力，施工期水流速取平均流速，按照JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[6]和JTS 144-1—2010《港口工程载荷规范》[7]进行计算。

具体工况组合及载荷分项系数的选取见表2。位移计算结果包络值见表3，强度和稳定计算结果包络值见表4，杆件应力比分布见图3。

表2 施工期工况组合Table 2 Condition combination during construction period

表3 施工期工况位移结果包络值Table 3 Envelope value of displacement results during construction period mm

表4 施工期工况强度和稳定计算结果包络值Table 4 Envelope value of strength and stability results during construction period

图3 杆件应力比分布图Fig.3 Distribution diagram of bar stress ratio

由以上分析结果可知，平台在施工作业期间最大位移为22.09 mm，对应的节点位于3-3 排架角点；最大强度应力比为0.546，对应的杆件为3-3 排架外侧一处斜向方形钢梁；最大稳定应力比为0.604，对应的杆件为临时框架端部垂向方形钢梁，抗剪应力比和长细比均满足安全要求。通过上述分析计算，该结构在施工期总体满足安全和稳定要求。

2.5 使用期结构分析

嵌岩桩施工完成后，需要拆除临时框架，截除超出顶层框架的桩套筒。安装水轮机组和其他设施，平台即可投入使用。本工程使用期主要外载荷包括水流力、波浪力、500 t 小船意外撞击载荷、机组载荷和地震载荷。机组极限载荷由业主提供，在计算时将载荷均分在机组的4 个节点上，机组平面布置见图4。具体工况组合及载荷分项系数的选取见表5，波浪力和水流力参考《港口与航道水文规范》[6]和《港口工程载荷规范》[7]的有关条款计算；小船意外撞击载荷参考JTG D 60—2015《公路桥涵设计通用规范》[8]有关条款计算，地震载荷通过设置相关参数施加在结构上。具体载荷见表6，位移计算结果包络值见表7，强度和稳定计算结构包络值见表8，杆件应力比分布见图5。

在所有工况组合中，结构最大位移为16.35 mm，所在杆件为最东侧排架下层一处方形钢梁，所在工况为使用期工况组合4，结构整体最大位移满足结构安全要求。

图4 水轮机组平面布置示意图Fig.4 Schematic diagram of the layout of the hydraulic turbine group

表5 使用期工况组合Table 5 Operation condition combination

表6 1.5 MW 机组极限载荷表Table 6 Ultimate load of 1.5 MW

表7 使用期工况位移结果包络值Table 7 Envelope value of displacement results during operation period mm

表8 使用期工况强度和稳定计算结果包络值Table 8 Envelope value of strength and stability results during operation period

图5 杆件应力比分布图Fig.5 Distribution diagram of bar stress ratio

由以上使用期各工况计算结果可知，杆件最大强度应力比为0.463，杆件最大稳定应力比为0.438，对应杆件均为最东侧排架-10.8 m 处左侧φ800 横向钢撑杆，所处工况为工况组合4；证明结构能够抵抗各种极端工况载荷，满足安全要求。

3 结语

本文将钢结构设计和嵌岩桩基础施工结合起来，提出一种潮流能发电基础结构设计方法，以某潮流能发电基础结构为例，通过3D3S 软件建立了不同阶段的结构分析计算模型，并对施工期工况、使用期工况等工况下的结构受力进行了计算，分析了相应的计算结果，得到了以下结论：

1）大型钢框架结合嵌岩桩施工技术可满足近海潮流能开发的安全性、使用性和施工要求；

2）施工载荷是重要的控制载荷，直接影响杆件选取和结构承载能力；

3）平台两侧斜桩上的偏心杆件需重点关注；

4）本文的分析过程和结果可以为近海潮流能发电平台的设计提供参考。

钢制潮流能发电平台的设计不仅包括整体结构设计和计算，还包括整体吊装技术和嵌岩桩施工技术等，本工程在这些方面都已进行了专项技术论证，具体过程有待进一步总结分析。