魏兴麟，彭 亚，柯逸思

(1.中国长江三峡集团有限公司上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；2.中国长江三峡集团有限公司福建能源投资有限公司，福建 福州 350003)

近年来，随着海上风电产业总体装机容量增速不断提高，风电场选址逐步向开发潜力更大的深远海区域发展。众多风电机组基础类型中，导管架基础具有结构刚度较大，海上作业时间相对较短，基础与波浪接触范围受力面较小等特点，这些独特的优势使得导管架基础逐步在深远海海上风电项目中推广[1-3]。

国内外的工程实践与相关研究表明，导管架基础适用于水深20～50 m左右的深水海域，导管架基础结构是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，根据桩数不同可设计成三桩、四桩等多桩导管架，其上部结构采用桁架式，受力面积较小，结构体系的关键在于节点和杆件的连接是否可靠，在荷载作用下它们的抗力能否满足承载强度的要求[4-8]。在深远海风电场建设区域，海洋风浪等环境荷载使基础受荷载形式更为复杂，且在国内工程实践中尚未有过相关经验。本文将针对深水导管架基础在海洋环境中的应力响应进行研究，探究导管架结构体系中受力的关键位置，对导管架基础在海上风电工程领域的进一步推广有重要的意义。

在国内外的工程实践中，API-Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms - Load and Resistance Factor Design》(以下简称API RP2A-LRFD)的杆件校核方法获得行业内的一致认同，本文将基于等效约束的导管架结构模型，利用API-RP2A-LRFD的应力校核准则对导管架基础的应力响应进行研究[9-10]。

1 导管架基础的应力响应

1.1 圆管结构的强度校核

钢制导管架的主体结构由圆柱形构件相互连接组成，根据API RP2A-LRFD有关规定，针对导管架的所有圆柱形构件，在外部荷载作用的情况下，所有的横截面都满足强度校核的要求，在联合荷载作用下，圆柱形构件发生轴向压缩和弯曲时，设计长度上任一截面均要满足[11]：

Fc<φcFxc

对于轴向拉伸和弯曲荷载联合作用下的圆形构件，在设计长度方向上的所有横截面都需满足：

另外，当杆件在横向剪切作用下，必须满足：

fv≤φvFvn

在扭转剪切作用下，必须满足：

fvt≤φvFvtn

其中，Fvn、Fvtn分别为名义剪切强度和名义扭转强度；fv、fvt分别为最大剪切应力和扭转剪切应力；φv为横向抗剪切系数，取0.95。

在强度校核的时候，引入UC值(Interaction Unity Check Ratios)概念，确定管状构件统一验算的应力比，对于每根管状构件，在所有工况下都需要检查所有荷载组合作用下的强度和设计强度的比值，并且将最高比例的UC值确定为极限值[12]。UC值可以表示杆件处于极限状态的程度，UC值不大于1则表示杆件强度满足强度校核的要求[11]。

1.2 深水导管架的应力响应

某海上风电项目深水导管架的外部环境荷载如表1所示。

表1 环境荷载表

计算模型如图1，其中建筑总高度49 m，顶部间距10 m，底部间距24 m，主体结构采用桁架结构形式，考虑结构受力特点和建造便利性，桁架采用三层设计，每层弦杆首尾相接，弦杆之间通过X型节点相互连接，导管架下部插入钢管桩，上部平台法兰与风机机组连接平台及其他辅助设备。

图1 导管架模型结构图

在等效约束模型中，上部平台和风机荷载(见表2)在导管架顶部法兰连接面处可等效为集中荷载，波浪流荷载表现为模型环境中的流体场。土体模型部分，对于海上风电桩式基础，根据工程实践经验，下部通过有限挠度和横向作用的地基模型加以约束可以取得较好的效果，故本文中使用该方法模拟桩-土相互作用[13]。

表2 风机荷载表

弦杆直径1.2～1.5 m，壁厚40～50 mm；斜撑直径0.5～0.6 m，壁厚20～30 mm；各层弦杆与斜撑之间的夹角为50°～60°。

经荷载计算，导管架基础各杆件的应力云图和强度校核结果如表3所示。

表3 UC值分布表

由表3可知，极限工况条件下，导管架架体自下而上弯曲应力水平逐渐减小，轴向应力逐渐增大，弦杆作为主体支撑结构，UC值水平明显较斜撑更大。故根据弦杆的应力状态分布，可以得到导管架整体自下而上的应力状态变化情况。且弯矩应力的变化幅度明显大于轴力变化，根据公式可知，故整体UC值的变化对导管架弯曲值的改变更为敏感。

弦杆长度方向自下而上弯矩分布如图2所示。

图2 弦杆应力分布图

由图2可知，深水导管架的应力水平在底层弦杆明显较上层更大，弦杆的最大有效弯矩及最大UC值均出现在导管架架腿底部，一层弦杆整体应力水平及UC值明显比二三层弦杆更大；弯矩值在整体导管架架体上表现出自下而上逐渐减小的趋势，底层弦杆弯矩值自26 000 kN·m，减小至20 000 kN·m，在一二层弦杆交界处(Z=8 m)迅速减小至6 000 kN·m左右，之后随着距离底端距离的增加，弦杆弯矩值在区间内均匀减小，顶端位置弯矩值约为3 500 kN·m。底层弦杆UC值约为0.7左右，在一二层弦杆交界处迅速减小至0.5左右，之后均保持在同一水平。

导管架自上而下的应力状态变化，表明导管架下层架体受力较大，随着弦杆杆件尺寸的逐步减小，UC值可以保持同一水平，故在实际设计实践中，使用下层导管架“大直径，大壁厚”，上层导管架“小直径，小壁厚”的尺寸特点符合导管架的受力特性。

由此可见，导管架基础应力分布的关键位置在于弦杆的最下层与斜撑相交K节点位置(如图3所示)，该处导管架整体弯曲应力最大且UC值较大，安全余度不足，且该位置节点复杂，下部为插入钢管桩的竖直段，与斜撑相连，容易发生应力集中现象，若发生破坏，容易造成导管架整体危险，故在实际工程设计中，需要针对该处进行针对性加强。实际操作上，可以考虑将下层弦杆在保证径厚比的前提下尽量增加壁厚，以增加杆件横截面面积的方法，增加杆件强度；在节点连接处增大壁厚，也可以使钢材的纵向性能局部加强。

图3 底层导管架结构示意图

2 导管架基础的优化设计

深水导管架的应力分布表现在底层应力较大，弦杆的应力相较于斜撑更大，且随导管架弦杆距泥面距离的增加而减小。故本节将针对导管架底层弦杆结构进行敏感性分析，讨论底层桁架的杆件强度变化情况，并针对杆件校核结果，提出优化设计思路。在分阶段设计方法中导管架基础的尺寸变化，不会影响导管架基础周围的流体环境荷载，可以将流体荷载考虑为不变的等效荷载考虑[14]。

2.1 敏感性分析

2.1.1 弦杆尺寸属性

为了保证导管架基础结构整体刚性，控制每组变量变化值，单独改变管状节点的主要尺寸属性直径或壁厚，设置2类共10组对照组，如表4所示，表中值代表弦杆直径或壁厚的增量。

表4 弦杆变量分析组表 cm

计算结果对比如图4、图5。

由图4可知，当弦杆直径单独增大，弦杆承受的最大弯矩值也增大，但校核UC却逐渐减小。其中弦杆弯矩由最大值22 000 kN·m上升到27 000 kN·m，变化幅度为22.7%；校核UC值由0.86下降到0.65，变化幅度为24.4%。虽然弯矩值增大，但弦杆的直径增大，管桩构件屈服强度也同时上升，故在导管架结构中，大直径构件对整体的安全稳定有积极作用，在实际工程设计中，可针对应力薄弱位置，设计较粗的管件。

图4 △D对弦杆应力及UC变化趋势图

图5 △T对弦杆应力及UC变化趋势图

由图5可知，弦杆的壁厚增加时，弦杆的UC值明显降低，但弯矩值的增大并不明显，UC值由0.9下降为0.66，下降约26.6%；弯矩值由24 000 kN·m上升到25 500 kN·m，上升约6%。管件应力强度对壁厚增大表现得较直径增大更为敏感。

根据以上分析可知，壁厚和直径增大，使得弦杆的有效面积增大，明显增强了钢结构杆件的强度。但是当直径与壁厚增加幅度过大时，杆件强度的变化不明显，故在实际设计中，需要针对结构杆件，选择合适的径厚比。在应力较大的部位使用“大直径，小壁厚”的尺寸结构可获得较为有利的强度水平和经济效应。

2.1.2 弦杆结构属性

导管架层高的改变从空间上影响了导管架结构的布置形式，为保证导管架整体性，控制导管架总层高不变，改变关键位置一层导管架的层高，共设置5组层高变量，如表5所示。

表5 桁架层高变量分析组表 m

计算结果如图6、图7所示。

图6 一层弦杆最大UC变化趋势图

图7 一层弦杆最大弯矩及轴力变化趋势图

导管架一层层高的改变在空间结构上使得斜撑与弦杆的夹角发生变化，计算结果表明，一层弦杆层高越高，弦杆弯矩值越小，轴力值也略有减小，故设计时弦杆与斜撑之间需选择的夹角，在本例中一层层高16 m时，弦杆与斜撑之间的夹角大约是60°，当夹角过大时，连接节点的弦杆和斜撑的容许承载能力都会下降。但是夹角过小，弦杆单层层高太高，影响整体刚性。故在设计中需要考虑弦杆与斜撑与的合理夹角。

2.2 导管架基础的优化设计思路

1)弦杆的受力分布，沿弦杆长度方向并不均匀，根据容许承载力的分布情况，由下至上弦杆的直径和壁厚由大变小，在第二层设置弦杆变径段以保证导管架的整体性。

2)导管架杆系结构的壁厚在容许承载能力计算中十分重要，考虑加工制造的经济性，根据应力分配的不均匀程度，针对关键位置(斜撑相交处、斜撑弦杆相交处)进行加厚处理以保证结构的局部承载力安全。

3)从加工制造的经济性出发，根据API RP2A-LRFD的要求，圆柱形杆件径厚比必须小于等于120，且最小壁厚不小于6 mm[11]；在满足以上规定的情况下，小直径大壁厚的杆件在应力响应上着更为优异的表现。从防止冲切破坏和加工制造的便捷性角度考虑，弦杆与斜撑直径之比在0.4～0.6较为合理。

4)空间构造上，斜撑与弦杆之间的夹角不宜过大或过小，约60°既可以满足构造强度的要求，又不至于使得导管架整体刚性下降，减小冲剪的影响。

3 结论与展望

3.1 结 论

1)本文从深水导管架的受力特性出发，讨论了深远海环境中，风电导管架基础杆件强度分布情况。弦杆作为主体受力构件，其弯矩分布自泥面到水上逐渐减小，且在底层弦杆弯矩值较大，故在设计中，需要考虑对相关部位进行加强处理。

2)通过敏感性分析讨论了影响风机导管架基础杆件的强度特性，弦杆的直径和壁厚通过增加强度截面面积的渠道增加了杆件强度；弦杆和斜撑作为相互连接的主次要构件，弦杆尺寸属性的改变对斜撑的强度影响很大；反之斜撑尺寸属性的改变对弦杆的影响较小。

3)通过研究深水导管架的受力特性和导管架杆件的敏感性分析，提出了海上风机导管架基础的优化设计思路，在设计中保证导管架杆件在满足规范要求的径厚比条件下，通过使用“小直径，大壁厚”的杆件构造且针对关键位置需要考虑材料加强或壁厚加厚，在空间构造上选取合理的撑弦杆夹角等方法可以很好的兼顾导管架基础的杆件强度要求和经济要求。

3.2 展 望

本文仅讨论风机导管架基础的杆件承载能力，海洋环境中杆件强度的控制因素并不单纯。疲劳、变形等都有可能成为杆件强度的控制因素；且风机机组荷载作为海上风电基础最为主要的荷载，仅仅将其转化为集中荷载有一定的局限性。下一步考虑开展风机机组和风机基础耦合的一体化设计研究，讨论受力、位移、疲劳等因素对结构安全的影响。