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海上電氣平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

文檔作者：羅成喜鐘耀黃春芳展學(xué)平肖立家文檔來(lái)源： 1．中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 2．大唐山東發(fā)電有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(tái)整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)
羅成喜 ，鐘 耀 ，黃春芳 ，展學(xué)平 ， 肖立家
(1．中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)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(tái)整體結(jié)構(gòu)有限元分析模型?；诓煌奢d作用方
向作用，開(kāi)展了八組極端工況和四組正常使用工況下電氣平臺(tái)的有限元分析。依據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)電氣平臺(tái)進(jìn)行
了桿件應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)沖剪以及地基承載力校核。同時(shí)開(kāi)展了電氣平臺(tái)動(dòng)力特性分析，以及地震反應(yīng)譜分析。
關(guān)鍵詞：電氣平臺(tái)；靜力校核；動(dòng)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(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0559_9342(2015)02—0077—04
U 刖 舌
目前世界各國(guó)積極開(kāi)發(fā)近海風(fēng)電資源。歐洲是
全球海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)。迄今為止， 丹
麥、瑞典、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家已經(jīng)建成數(shù)十個(gè)海上
風(fēng)電場(chǎng)ll_21。我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)起步較晚， 已建
及正在規(guī)劃建設(shè)中的海上風(fēng)電場(chǎng)主要有上海東海大
橋電場(chǎng)、山東威海風(fēng)電場(chǎng)、山東萊州灣風(fēng)電場(chǎng)、浙
江岱山風(fēng)電場(chǎng)、浙江杭州灣風(fēng)電場(chǎng)、江蘇如東和江
蘇東臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)等I3J。在2002年以前， 由于海上風(fēng)電
場(chǎng)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(guò)5 km)，從成本控制的角度出發(fā)，海上升
壓站沒(méi)有建設(shè)價(jià)值 。然而，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)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(tái)作為升壓站電氣設(shè)備的承重結(jié)構(gòu)，
其特點(diǎn)是大量電氣設(shè)備布置在甲板上， 電氣平臺(tái)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(yùn)行． 因此有必要開(kāi)展電氣
平臺(tái)的安全評(píng)價(jià)研究。目前，海上固定式采油平臺(tái)
的研究成果豐碩， 而對(duì)近海電氣平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析和
評(píng)價(jià)還鮮有成果發(fā)表。
以萊州灣近海風(fēng)電場(chǎng)的電氣平臺(tái)為工程背景，
開(kāi)展了該電氣平臺(tái)的有限元分析．進(jìn)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(qiáng)
度校核。
1 海上電氣平臺(tái)的計(jì)算參數(shù)
1．1 電氣平臺(tái)設(shè)計(jì)
以萊州灣近海風(fēng)電場(chǎng)的水文和地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，
收稿日期：2014—07—14
基金項(xiàng)目： 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展“863 計(jì)劃” 課題
(2012AA05 1704)
作者簡(jiǎn)介：羅成喜(1984一)，男，湖南臨澧人，工程師，主要
從事海上風(fēng)電設(shè)計(jì)和分析研究．
進(jìn)行電氣平俞設(shè)計(jì)。采用4樁導(dǎo)管架作為海上電氣
平俞的支撐結(jié)構(gòu) 平臺(tái)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(jì)高水位
平均海平面
設(shè)計(jì)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(dǎo)管架平臺(tái)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(biāo)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(jì)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(jì)風(fēng)
速參數(shù)：50年一遇、5年一遇、1年一遇風(fēng)速(風(fēng)
速為海面10 Ill處) 的l0 rain 平均風(fēng)速分別為
39．29、27．24、9．57 m／s。設(shè)計(jì)波浪參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 設(shè)計(jì)波浪參數(shù)
由于該平臺(tái)所處的萊州灣每年冬季都有海冰出
現(xiàn)，對(duì)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(tái)設(shè)計(jì)中不可忽視的因素。設(shè)
計(jì)海冰要素參考Q／HSn 3000-2002 《中國(guó)海海冰條
件及應(yīng)用規(guī)定》 1。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知， 電氣平臺(tái)所處的
海冰 域?yàn)?0區(qū)，對(duì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)
校核，按照規(guī)范中的擠 靜冰力公式計(jì)算作用在導(dǎo)
管架樁腿上的等效冰力。海冰荷載的計(jì)算公式參考
公式(1)
F=mif．r， Dh (1)
式中，m 為形狀系數(shù)， 對(duì)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；
D 為冰擠壓結(jié)構(gòu)的寬度；h為冰厚。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表
2。對(duì)于圓形截面墩柱， 嵌人系數(shù)，和接觸系數(shù) 南
經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(tái)有限元計(jì)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(tái)有限元模型
一
一
一
一
樁
： 苗， 習(xí)=：， —L t 口了罡 ： 口T ．5‘ 土pf1J
個(gè)節(jié)點(diǎn)、1785個(gè)桿件和726個(gè)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(gè)
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(jìn)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(jìn)行電
氣平臺(tái)的安全校核。結(jié)合已有的海洋水文資料，確
定電氣平臺(tái)的荷載組合工況， 見(jiàn)表3。對(duì)應(yīng)的各荷
載分項(xiàng)系數(shù)、抗力系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)見(jiàn)表4。
2 電氣平臺(tái)靜力校核
在平臺(tái)整個(gè)壽命周期內(nèi)， 對(duì)平臺(tái)承受的各種載
荷工況進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析， 以保證平臺(tái)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(jìn)行升壓站平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力校核。在10。～90。范圍
內(nèi)采用每l0。一級(jí)的原則，分別從9個(gè)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(tái)靜力分析結(jié)果， 反映了最大桿件應(yīng)力UC值、最
大節(jié)點(diǎn)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(jiàn)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(jì)算結(jié)果。UC值<1．0，
表明該桿件強(qiáng)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(xiàng)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(duì)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(duì)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(dá)到
最大值。節(jié)點(diǎn)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(duì)于海上
'lE
耋
螺0．
圖4 靜力安全校核結(jié)果
b書(shū) 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(fēng)電場(chǎng)電氣平臺(tái)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)的控制荷載方向
進(jìn)行詳細(xì)的研究。
此外，為了清晰地研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)的控制工況，
將靜力分析結(jié)果匯總， 見(jiàn)表5。表5表明，桿件應(yīng)
力、節(jié)點(diǎn)沖剪、樁應(yīng)力校核、地基承載力對(duì)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(duì)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(tái)地震響應(yīng)分析
3．1 動(dòng)力特性研究
采用SACS軟件中的Extract Mode Shapes模塊
開(kāi)展了電氣平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算，采用Guyan縮
聚法得到平臺(tái)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(jì)算可知結(jié)構(gòu)的固有頻率為0．481 Hz，
前10階頻率見(jiàn)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(píng)價(jià)報(bào)告，萊州灣設(shè)計(jì)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(jì)算。使用
SACS軟件動(dòng)載荷分析模塊對(duì)地震載荷進(jìn)行分析，計(jì)
算出各階模態(tài)對(duì)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(xiǎn)作用方向的
環(huán)境荷載進(jìn)行組合。開(kāi)展強(qiáng)度校核計(jì)算．地震校核
表7 地震工況校核結(jié)果
結(jié)果見(jiàn)表7。
由表7可看出， 電氣平臺(tái)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(xiǎn)。特別是地基承載力最大 C
值達(dá)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(fēng)電場(chǎng)電氣平臺(tái)為例， 采用
SACS軟件進(jìn)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(tái)靜力校核和地震強(qiáng)度校核結(jié)果，
可知桿件應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)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(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)電氣平臺(tái)結(jié)構(gòu)， 電氣設(shè)備
布置形式和海洋水文條件對(duì)控制工況以及荷載控制
方向有著顯著影響。
參考文獻(xiàn)：
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Designing and Constructing Fixed Ofshore Platforms—Load and
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(責(zé)任編輯高 瑜)

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