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海上電氣平臺整體結(jié)構(gòu)安全評價

文檔作者：羅成喜鐘耀黃春芳展學平肖立家文檔來源： 1．中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司 2．大唐山東發(fā)電有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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第41卷第2期
2015年2月 水力發(fā)電
海上電氣平臺整體結(jié)構(gòu)安全評價
羅成喜 ，鐘 耀 ，黃春芳 ，展學平 ， 肖立家
(1．中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014；
2．大唐山東發(fā)電有限公司，山東青島266061)
摘要：使用SACS軟件，考慮樁一土非線性，建立了海上電氣平臺整體結(jié)構(gòu)有限元分析模型?；诓煌奢d作用方
向作用，開展了八組極端工況和四組正常使用工況下電氣平臺的有限元分析。依據(jù)有限元分析結(jié)果對電氣平臺進行
了桿件應(yīng)力、節(jié)點沖剪以及地基承載力校核。同時開展了電氣平臺動力特性分析，以及地震反應(yīng)譜分析。
關(guān)鍵詞：電氣平臺；靜力校核；動態(tài)特性；地震響應(yīng)
Safety Assessment of Ofshore Substation Platform
LUO Chengxi‘，ZHONG Yao’，HUANG Chunfang ，ZHAN Xueping ，XIAO Lijia
(1．PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，Hunan，China；
2．Datang Shandong Power Generation Co．，Ltd．，Qingdao 266061，Shandong，China)
Abstract：The finite element model of offshore substation platform is established based on SACS software and considering the
nonlinear interaction between piles and soil．The responses of ofshore substation platform under eight ultimate limit states and
four normal limit states are analyzed subjected to the loadings in different direction．Based on the results of finite element
analysis，the stress of rods，the shear force of nodes and the bearing capacity of foundation are checked．The dynamic
characteristics and earthquake responses of offshore substation platform are also studied．
Key W ords：substation platform；static checking；dynamic characteristics；earthquake response
中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：0559_9342(2015)02—0077—04
U 刖 舌
目前世界各國積極開發(fā)近海風電資源。歐洲是
全球海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)。迄今為止， 丹
麥、瑞典、英國和德國等國家已經(jīng)建成數(shù)十個海上
風電場ll_21。我國海上風電場的建設(shè)起步較晚， 已建
及正在規(guī)劃建設(shè)中的海上風電場主要有上海東海大
橋電場、山東威海風電場、山東萊州灣風電場、浙
江岱山風電場、浙江杭州灣風電場、江蘇如東和江
蘇東臺風電場等I3J。在2002年以前， 由于海上風電
場容量小f絕大多數(shù)為15 MW 以內(nèi))、離岸距離短
f均不超過5 km)，從成本控制的角度出發(fā)，海上升
壓站沒有建設(shè)價值 。然而，隨著海上風電場容量的
增大．為降低線路損耗．提高供電效率，有必要建
設(shè)海上升壓站【5J。
海上電氣平臺作為升壓站電氣設(shè)備的承重結(jié)構(gòu)，
其特點是大量電氣設(shè)備布置在甲板上， 電氣平臺不
僅需要確保自身在外部環(huán)境荷載作用下的安全，還
要保證電氣設(shè)備的正常運行． 因此有必要開展電氣
平臺的安全評價研究。目前，海上固定式采油平臺
的研究成果豐碩， 而對近海電氣平臺的結(jié)構(gòu)分析和
評價還鮮有成果發(fā)表。
以萊州灣近海風電場的電氣平臺為工程背景，
開展了該電氣平臺的有限元分析．進行了承載力極
限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和地震荷載作用下的強
度校核。
1 海上電氣平臺的計算參數(shù)
1．1 電氣平臺設(shè)計
以萊州灣近海風電場的水文和地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，
收稿日期：2014—07—14
基金項目： 國家高技術(shù)研究發(fā)展“863 計劃” 課題
(2012AA05 1704)
作者簡介：羅成喜(1984一)，男，湖南臨澧人，工程師，主要
從事海上風電設(shè)計和分析研究．
進行電氣平俞設(shè)計。采用4樁導管架作為海上電氣
平俞的支撐結(jié)構(gòu) 平臺主要參數(shù)如圖1所示．結(jié)構(gòu)
荷載作用方向如圖2所示。
校核高水位
設(shè)計高水位
平均海平面
設(shè)計低水位
極端低水位
1600x30＼ 800 18 100o 8o【J×18
· 一 l 一；一ll
3lO—衛(wèi)- l ；
l-36±— L 。 l I80xl8 10~42 80x18 J
。2．78—衛(wèi)_ IL ：
沖刷前泥面
!
高程．12．39 —— —— _H + H'- —— ——
沖刷后泥面 I 蘭 I
高程．16．39 l l
I l7380 1
L
圖1 導管架平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：尺寸l'lln1．高程In)
-9【】。方向J
? 一一一
圖2 模型坐標系
1．2 環(huán)境荷載參數(shù)
根據(jù)已有的海洋水文資料確定海洋環(huán)境參數(shù)。
設(shè)計海流參數(shù)： 表層、0．6H 層(H 為水深)、底層
的平均流速分別為104．3、51．2、30．3 cm／s。設(shè)計風
速參數(shù)：50年一遇、5年一遇、1年一遇風速(風
速為海面10 Ill處) 的l0 rain 平均風速分別為
39．29、27．24、9．57 m／s。設(shè)計波浪參數(shù)見表1。
表1 設(shè)計波浪參數(shù)
由于該平臺所處的萊州灣每年冬季都有海冰出
現(xiàn)，對平俞的穩(wěn)定性和正常使用構(gòu)成了巨大威脅，
因此海冰荷載成為平臺設(shè)計中不可忽視的因素。設(shè)
計海冰要素參考Q／HSn 3000-2002 《中國海海冰條
件及應(yīng)用規(guī)定》 1。根據(jù)標準可知， 電氣平臺所處的
海冰 域為10區(qū)，對應(yīng)重現(xiàn)期為50、5、1年海冰
厚度分別34．9、21．2、6．6 cnl。采用靜冰力進行結(jié)構(gòu)
校核，按照規(guī)范中的擠 靜冰力公式計算作用在導
管架樁腿上的等效冰力。海冰荷載的計算公式參考
公式(1)
F=mif．r， Dh (1)
式中，m 為形狀系數(shù)， 對于圓形截面取0．9；I為
嵌入系數(shù)； 為接觸系數(shù)； c為冰無側(cè)限抗壓強度；
D 為冰擠壓結(jié)構(gòu)的寬度；h為冰厚。計算結(jié)果見表
2。對于圓形截面墩柱， 嵌人系數(shù)，和接觸系數(shù) 南
經(jīng)驗公式計算
= 3．57h‘“／D。 (2)
另外，在平均海平面以下的構(gòu)件考慮10 cln厚
的海生物附著。采朋SACS軟件， 建立海上電氣平
臺有限元計算模型， 如圖3所示． 該模型共有889
表2 結(jié)構(gòu)海冰荷載
圖3 海上電氣平臺有限元模型
一
一
一
一
樁
： 苗， 習=：， —L t 口了罡 ： 口T ．5‘ 土pf1J
個節(jié)點、1785個桿件和726個甲板單元。在模型的
底層、一層和二層甲板上分別模擬了4、14和25個
附屬設(shè)備或電氣設(shè)備， 電氣設(shè)備的自重用SACS程
序中的Footprint Weight進行模擬。
1．3 荷載工況組合及系數(shù)
參考DNVl0S-J101n 和API RP 2A—LRFD一1997t8]
規(guī)范，本文采用荷載抗力系數(shù)法(LRFD)罔進行電
氣平臺的安全校核。結(jié)合已有的海洋水文資料，確
定電氣平臺的荷載組合工況， 見表3。對應(yīng)的各荷
載分項系數(shù)、抗力系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)見表4。
2 電氣平臺靜力校核
在平臺整個壽命周期內(nèi)， 對平臺承受的各種載
荷工況進行安全評價分析， 以保證平臺滿足規(guī)范要
求。采用表3中的八組極端工況和四組正常使用工
況進行升壓站平臺結(jié)構(gòu)靜力校核。在10?！?0。范圍
內(nèi)采用每l0。一級的原則，分別從9個方向旌加環(huán)
境荷載。
本文采用P—Y曲線模擬水平向、￡ 曲線模擬軸
向、q 曲線模擬樁端的樁土相互作用。圖4為平
臺靜力分析結(jié)果， 反映了最大桿件應(yīng)力UC值、最
大節(jié)點沖剪UC值、最大樁基應(yīng)力UC值、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
沉降量在不同工況下隨荷載方向的變化。UC值的定
義見公式(3)， 是綜合考慮了受拉、壓、剪切、壓
彎、拉彎等各種載荷情況的計算結(jié)果。UC值<1．0，
表明該桿件強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足API規(guī)范要
求；UC值>1， 表明結(jié)構(gòu)不安全；UC值的大小在一
定程度上反映了結(jié)構(gòu)的安全程度。
uc = (3)
0．4
O·35
0 3
0．25
碧0．2
0 1 5
O l
作用方向o／(。
a桿件應(yīng)力校核
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
? E1
? ? ‘E2
? 一E3
一一E4
一一一E5
一一E6
一一E7
一E8
10 20 30 4O 5O 60 7O 8O 9O
作用方向o／(。1
c樁基應(yīng)力校核
表3 荷載工況組合
表4 荷載分項系數(shù)、樁基抗力系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)
由圖4可知， 對于不同的荷載作用方向， 同一
工況下的校核結(jié)果差別很大。對于桿件應(yīng)力校核，
UC值在l0。至90。范圍內(nèi)逐漸增大．在90。方向達到
最大值。節(jié)點沖剪校核結(jié)果是先減小后增大，而樁
基應(yīng)力校核結(jié)果和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降量結(jié)果在10。至90。
荷載作用范圍內(nèi)均先增大后減小。因此， 對于海上
'lE
耋
螺0．
圖4 靜力安全校核結(jié)果
b書 囊沖剪校核
El
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
? N 1
? ? 一N2
? 一N3
? 一N4
10 2O 3O 40 5O 60 70 80 90
作用方向o／(。)
d基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降量
Water Power Vo1．41 No．2圃
風電場電氣平臺結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)的控制荷載方向
進行詳細的研究。
此外，為了清晰地研究平臺結(jié)構(gòu)的控制工況，
將靜力分析結(jié)果匯總， 見表5。表5表明，桿件應(yīng)
力、節(jié)點沖剪、樁應(yīng)力校核、地基承載力對應(yīng)的控
制T 況為極端海冰工況(極端工況E3)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
沉降量對應(yīng)的控制工況為正常使用工況N3。
表5 靜力校核結(jié)果匯總
3 電氣平臺地震響應(yīng)分析
3．1 動力特性研究
采用SACS軟件中的Extract Mode Shapes模塊
開展了電氣平臺結(jié)構(gòu)動力特性計算，采用Guyan縮
聚法得到平臺結(jié)構(gòu)的前50階振型和頻率．用于下一步
的地震校核。由計算可知結(jié)構(gòu)的固有頻率為0．481 Hz，
前10階頻率見表6。
表6 頻率和周期模態(tài)
3．2 等效靜力法地震分析
根據(jù)地震安全評價報告，萊州灣設(shè)計地震水平
加速度為0．15 g。地震反應(yīng)譜采用API—B反應(yīng)譜曲
線，各階模態(tài)響應(yīng)組合采用CQC方法計算。使用
SACS軟件動載荷分析模塊對地震載荷進行分析，計
算出各階模態(tài)對應(yīng)的基于基底剪力的等效地震力。
將等效地震力與靜力校核求得的最危險作用方向的
環(huán)境荷載進行組合。開展強度校核計算．地震校核
表7 地震工況校核結(jié)果
結(jié)果見表7。
由表7可看出， 電氣平臺在地震載荷作用下桿
件應(yīng)力最大UC值、樁應(yīng)力最大UC值都大于0．5，
比靜力校核結(jié)果偏危險。特別是地基承載力最大 C
值達到了0．95，但總體結(jié)構(gòu)仍滿足API規(guī)范要求。
4 結(jié)論
本文以萊州灣海上風電場電氣平臺為例， 采用
SACS軟件進行了結(jié)構(gòu)靜力分析和地震響應(yīng)分析，得
出了以下結(jié)論：
(1)依據(jù)平臺靜力校核和地震強度校核結(jié)果，
可知桿件應(yīng)力、節(jié)點沖剪、樁應(yīng)力、地基承載力和
基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降量校核結(jié)果均滿足API規(guī)范要求，最
大UC值都小于1。
(2)對于海上風電場電氣平臺結(jié)構(gòu)， 電氣設(shè)備
布置形式和海洋水文條件對控制工況以及荷載控制
方向有著顯著影響。
參考文獻：
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HASSAN G．海上風場電力系統(tǒng)[EB／OL]．hup：／／w~ ．cgc．org．cn，
f35h69ha123e19fg／ewebeditoI UploadFile／2007119135014634．pdf，
2008—1—8．
陳楠．海上風電場升壓站電氣設(shè)計及其可靠性評估EDI．廣州：華
南理工大學，2011．
Q／HSn 3000-2002 中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定[s]．
Dnv-Os—J．Design of Offshore Wind Turbine Structures[S]．
American Petroleum Institute．Recommended Practice for Planning，
Designing and Constructing Fixed Ofshore Platforms—Load and
Resistance Factor Design[S]．
(責任編輯高 瑜)

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