陳 亮，陶 安，張恒宇，王博士，蘇 凱

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

海上風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，具有風(fēng)資源穩(wěn)定、發(fā)電壽命長、無障礙物遮擋、離人口密集的沿海地區(qū)近等優(yōu)勢(shì)，是減少能源消耗環(huán)節(jié)中產(chǎn)生碳排放的有效手段和推動(dòng)實(shí)現(xiàn)未來全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要助力[1]，具有顯著的社會(huì)和環(huán)保效益。目前的海上風(fēng)電場(chǎng)都向遠(yuǎn)距離、大容量的趨勢(shì)發(fā)展[2]，為了提高輸電系統(tǒng)的可靠性，減小投資和運(yùn)行損耗，海上升壓站已成為海上風(fēng)電場(chǎng)不可或缺的組成部分，在電能傳輸方面的作用日益明顯[3]。由于海上風(fēng)電項(xiàng)目主要集中在沿海地區(qū)，這些地區(qū)大都受臺(tái)風(fēng)的影響，臺(tái)風(fēng)作用下可能造成海上升壓站結(jié)構(gòu)整體傾覆或倒塌。因此，對(duì)臺(tái)風(fēng)條件下海上升壓站結(jié)構(gòu)受力分析是非常重要的。

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析在海上升壓站相關(guān)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用愈加廣泛。范云生等[2]基于無加強(qiáng)板的導(dǎo)管架吊耳布置形式建立ANSYS有限元模型，對(duì)比研究了加強(qiáng)板對(duì)導(dǎo)管架吊耳受力性能的影響；湯群益等[4]以日本福島浮式升壓站為研究對(duì)象，提取其附加質(zhì)量和興波阻尼，基于數(shù)值計(jì)算平臺(tái)對(duì)模型在不規(guī)則波作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真分析；吳子昂等[5]以海上升壓站上部平臺(tái)吊耳為例，對(duì)比分析理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果，探究了升壓站吊耳放置角度對(duì)連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；范云生等[6]選取海上升壓站上部組塊的典型節(jié)點(diǎn)，基于無加勁肋的局部節(jié)點(diǎn)布置形式建立ANSYS有限元模型，對(duì)比探究設(shè)置不同加勁形式對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響；袁建中等[7]對(duì)海上升壓站平臺(tái)樁和上部結(jié)構(gòu)柱腿連接處進(jìn)行有限元建模與分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柱腿連接處的強(qiáng)度校核。

本文以沿海地區(qū)某海上風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)220 kV海上升壓站上部結(jié)構(gòu)為依托，通過數(shù)值模擬方法，對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)條件下海上升壓站結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行分析，以期為臺(tái)風(fēng)條件下海上升壓站結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與建造等提供技術(shù)指導(dǎo)，以此提高結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的整體抗臺(tái)風(fēng)能力和抗災(zāi)性能。

1 基礎(chǔ)理論

本文計(jì)算依據(jù)線彈性靜力有限元，通過彈性力學(xué)變分原理建立彈性力學(xué)問題有限單元表達(dá)格式，將結(jié)構(gòu)離散為一系列連續(xù)分布的單元，以單元結(jié)點(diǎn)位移為基本變量，初始假定單元內(nèi)的位移與結(jié)點(diǎn)位移存在插值函數(shù)關(guān)系，通過彈性力學(xué)的幾何方程、物理方程以及最小位能原理建立單元?jiǎng)偠确匠蹋磫卧Y(jié)點(diǎn)編號(hào)在整體坐標(biāo)下進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和剛度集成，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，再根據(jù)單元等效結(jié)點(diǎn)荷載、位移邊界條件，形成一系列線性方程[8]。按迭代法在收斂精度允許范圍求解方程，得到結(jié)點(diǎn)位移，再由幾何方程和物理方程進(jìn)一步得到各單元相應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力。

2 工程實(shí)例概述

某海上風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)220 kV海上升壓站結(jié)構(gòu)根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(FD002-2007)規(guī)定，按照裝機(jī)容量劃分，其工程等別為II等，工程規(guī)模為大(2)型。

該上部結(jié)構(gòu)共四層甲板，主尺寸為34.0 m×36.6 m，總重1 884.34 t。一層主要作為電纜層，主要布置有小懸臂吊、事故油池、備品間、救生設(shè)備等；二層為整個(gè)海上升壓站主要核心區(qū)域，布置有主變室、GIS室、開關(guān)室、油罐室、低壓配電室、應(yīng)急配電室、水泵房、工具間等；三層布置主變室和GIS室上部挑空、柴油發(fā)電機(jī)室、暖通機(jī)房、通信繼保室、中控室等；頂層布置直升機(jī)平臺(tái)、懸臂吊、空調(diào)室外機(jī)、通信天線和氣象測(cè)風(fēng)雷達(dá)、設(shè)備檢修孔等。

該上部結(jié)構(gòu)以全鋼構(gòu)件焊接構(gòu)成，每層甲板由H型鋼焊接而成，層與層之間由圓鋼管連接，四根中空支撐柱底部與基礎(chǔ)樁連接，支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)。一層梁頂高程13.5 m，層高為6.5 m；二層、三層層高均為5.0 m，并在四周設(shè)置防風(fēng)墻；四層(屋頂層)布置直升機(jī)平臺(tái)。

3 有限元模型

如圖1所示，在計(jì)算范圍內(nèi)，對(duì)海上升壓站上部結(jié)構(gòu)主支撐柱、立柱/斜柱、梁均按實(shí)際長度、截面特征進(jìn)行建模仿真，焊接部分采用共節(jié)點(diǎn)方式模擬。結(jié)構(gòu)中四個(gè)支撐柱編號(hào)分別為2-B、2-D、4-B、4-D，考慮到其受力情況復(fù)雜，屬于結(jié)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注部位，同時(shí)考慮到整體建模的可行性，對(duì)其采用四結(jié)點(diǎn)shell單元模擬。為降低建模難度、提高計(jì)算效率，立柱/斜柱、梁均采用含有截面屬性的beam單元模擬。除此之外，舾裝、固定設(shè)備等采用虛質(zhì)量mass單元施加于梁表面進(jìn)行模擬。整個(gè)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型共43 366個(gè)結(jié)點(diǎn)，43 463個(gè)單元。結(jié)構(gòu)所用鋼材彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。

圖1 海上升壓站上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.1 邊界條件及荷載

邊界條件：對(duì)升壓站上部結(jié)構(gòu)主支撐柱底部施加X、Y、Z向固定約束。

荷載：①結(jié)構(gòu)自重；②恒荷載，包括樓板、墻及其它附屬結(jié)構(gòu)等自重、舾裝重量、固定設(shè)備重量，有限元模型中以分布力的形式轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的鋼構(gòu)件上；③活荷載，包括庫存類活荷載、設(shè)備短期運(yùn)行類活荷載以及儲(chǔ)備、搬運(yùn)、檢修性活荷載，有限元模型中以分布力的形式轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的鋼構(gòu)件上；④臺(tái)風(fēng)荷載，考慮工程實(shí)際以及升壓站受風(fēng)面，上部組塊封閉區(qū)(二層和三層)的所受臺(tái)風(fēng)荷載以集中力的形式施加在A軸所在平面的中心位置，并采用coupling約束轉(zhuǎn)化到平面所在的鋼構(gòu)件上，合力作用點(diǎn)高度為25 m，受風(fēng)面積為356 m2。

3.2 計(jì)算工況

包括2個(gè)極端荷載組合工況，即工況J-1和工況J-2，具體如表1所示。

表1 極端荷載組合工況

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 位移

提取兩種工況下海上升壓站上部結(jié)構(gòu)的X、Y、Z向位移，分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 結(jié)構(gòu)X向位移

圖3 結(jié)構(gòu)Y向位移

圖4 結(jié)構(gòu)Z向位移

對(duì)于X向位移，海上升壓站結(jié)構(gòu)二層、頂層邊緣鋼材變形均較大，最大分別為0.75、0.68 cm，其他部位普遍小于0.2 cm；對(duì)于Y向位移，兩種工況下直升機(jī)平臺(tái)及附近頂層邊緣、下方一層鋼材變形較大，最大分別為1.34、1.26 cm，其他部位普遍小于0.5 cm；對(duì)于Z向位移，兩種工況下直升機(jī)平臺(tái)及下方各層鋼材變形較大，最大分別為4.34、3.52 cm，其他部位普遍小于1.1 cm。因此，J-1工況和J-2工況下，重力作用導(dǎo)致升壓站結(jié)構(gòu)豎向變形較大，而臺(tái)風(fēng)荷載作用引起結(jié)構(gòu)各個(gè)向的變形相對(duì)較小。

4.2 應(yīng)力

提取兩種工況下海上升壓站支撐柱以及上部結(jié)構(gòu)梁/柱構(gòu)件的應(yīng)力分布特征，分別如圖5和圖6所示。

圖5 工況J-1下結(jié)構(gòu)應(yīng)力 圖6 工況J-2下結(jié)構(gòu)應(yīng)力

統(tǒng)計(jì)J-1工況下和J-2工況下海上升壓站上部結(jié)構(gòu)四根支撐柱的Mises應(yīng)力可知，每一層支撐柱表面與H型鋼交接處普遍較大，最大分別為359.8、320.8 MPa，位于支撐柱底部一層表面與H型鋼交接處，其余部位普遍小于100.0 MPa。

統(tǒng)計(jì)J-1工況下和J-2工況下海上升壓站上部結(jié)構(gòu)梁/柱構(gòu)件軸向應(yīng)力可知，一層受拉區(qū)主要為遠(yuǎn)離四根支撐柱的多數(shù)斜柱，受壓區(qū)主要為四根支撐柱附近的多數(shù)斜柱；二層受拉區(qū)主要為該層邊緣的少數(shù)斜柱及直升機(jī)平臺(tái)下方立柱，受壓區(qū)主要為直升機(jī)平臺(tái)下方的多數(shù)立柱；三層受拉區(qū)主要為支撐柱附近的多數(shù)斜柱，受壓區(qū)主要為直升機(jī)平臺(tái)下方的多數(shù)立柱；頂層受拉區(qū)主要為該層邊緣靠近直升機(jī)平臺(tái)下方斜柱部位的H型鋼交界處，受壓區(qū)主要為該層邊緣遠(yuǎn)離直升機(jī)平臺(tái)下方斜柱部位的H型鋼交界處。整體而言，最大拉應(yīng)力區(qū)位于二層，分別為127.3、126.1 MPa；最大壓應(yīng)力區(qū)位于二層，分別為105.8、103.9 MPa。

5 結(jié) 語

以某海上風(fēng)電項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)220 kV海上升壓站結(jié)構(gòu)為例，通過建立整體有限元數(shù)值模型進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比分析了臺(tái)風(fēng)作用時(shí)兩種極端荷載組合工況下結(jié)構(gòu)的受力特征，結(jié)論如下：

極端工況下，升壓站結(jié)構(gòu)在二層、頂層邊緣的X向位移、直升機(jī)平臺(tái)及附近頂層邊緣Y向位移、直升機(jī)平臺(tái)及下方各層Z向位移普遍較大；重力作用導(dǎo)致升壓站結(jié)構(gòu)豎向變形明顯，而臺(tái)風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)受風(fēng)方向的變形相對(duì)較小。

海上升壓站上部結(jié)構(gòu)每一層支撐柱表面與H型鋼交接處Mises應(yīng)力普遍較大，支撐柱頂部四層、底部一層表面最大，其余部位普遍較小。因此，支撐柱頂部四層、底部一層位置失效可能性最大，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理。