臺風作用下海上升壓站上部結構受力特征

陳 亮，陶 安，張恒宇，王博士，蘇 凱

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

海上風力發電作為一種清潔的可再生能源，具有風資源穩定、發電壽命長、無障礙物遮擋、離人口密集的沿海地區近等優勢，是減少能源消耗環節中產生碳排放的有效手段和推動實現未來全球低碳經濟發展的重要助力[1]，具有顯著的社會和環保效益。目前的海上風電場都向遠距離、大容量的趨勢發展[2]，為了提高輸電系統的可靠性，減小投資和運行損耗，海上升壓站已成為海上風電場不可或缺的組成部分，在電能傳輸方面的作用日益明顯[3]。由于海上風電項目主要集中在沿海地區，這些地區大都受臺風的影響，臺風作用下可能造成海上升壓站結構整體傾覆或倒塌。因此，對臺風條件下海上升壓站結構受力分析是非常重要的。

隨著計算機數值模擬技術的快速發展，有限元分析在海上升壓站相關結構分析中的應用愈加廣泛。范云生等[2]基于無加強板的導管架吊耳布置形式建立ANSYS有限元模型，對比研究了加強板對導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象，提取其附加質量和興波阻尼，基于數值計算平臺對模型在不規則波作用下的動力響應進行仿真分析；吳子昂等[5]以海上升壓站上部平臺吊耳為例，對比分析理論計算結果與有限元模擬結果，探究了升壓站吊耳放置角度對連接處結構強度的影響；范云生等[6]選取海上升壓站上部組塊的典型節點，基于無加勁肋的局部節點布置形式建立ANSYS有限元模型，對比探究設置不同加勁形式對節點受力性能的影響；袁建中等[7]對海上升壓站平臺樁和上部結構柱腿連接處進行有限元建模與分析，實現了對柱腿連接處的強度校核。

本文以沿海地區某海上風電項目場區內220 kV海上升壓站上部結構為依托，通過數值模擬方法，對強臺風條件下海上升壓站結構受力特征進行分析，以期為臺風條件下海上升壓站結構優化設計與建造等提供技術指導，以此提高結構全生命周期內的整體抗臺風能力和抗災性能。

1 基礎理論

本文計算依據線彈性靜力有限元，通過彈性力學變分原理建立彈性力學問題有限單元表達格式，將結構離散為一系列連續分布的單元，以單元結點位移為基本變量，初始假定單元內的位移與結點位移存在插值函數關系，通過彈性力學的幾何方程、物理方程以及最小位能原理建立單元剛度方程，按單元結點編號在整體坐標下進行坐標轉換和剛度集成，得到整個結構的剛度矩陣，再根據單元等效結點荷載、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，得到結點位移，再由幾何方程和物理方程進一步得到各單元相應的應變和應力。

2 工程實例概述

某海上風電項目場區內220 kV海上升壓站結構根據《風電場工程等級劃分及設計安全標準》(FD002-2007)規定，按照裝機容量劃分，其工程等別為II等，工程規模為大(2)型。

該上部結構共四層甲板，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、救生設備等；二層為整個海上升壓站主要核心區域，布置有主變室、GIS室、開關室、油罐室、低壓配電室、應急配電室、水泵房、工具間等；三層布置主變室和GIS室上部挑空、柴油發電機室、暖通機房、通信繼保室、中控室等；頂層布置直升機平臺、懸臂吊、空調室外機、通信天線和氣象測風雷達、設備檢修孔等。

該上部結構以全鋼構件焊接構成，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樁連接，支撐整個結構。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，并在四周設置防風墻；四層(屋頂層)布置直升機平臺。

3 有限元模型

如圖1所示，在計算范圍內，對海上升壓站上部結構主支撐柱、立柱/斜柱、梁均按實際長度、截面特征進行建模仿真，焊接部分采用共節點方式模擬。結構中四個支撐柱編號分別為2-B、2-D、4-B、4-D，考慮到其受力情況復雜，屬于結構重點關注部位，同時考慮到整體建模的可行性，對其采用四結點shell單元模擬。為降低建模難度、提高計算效率，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、固定設備等采用虛質量mass單元施加于梁表面進行模擬。整個上部結構計算模型共43 366個結點，43 463個單元。結構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 海上升壓站上部結構計算模型

3.1 邊界條件及荷載

邊界條件：對升壓站上部結構主支撐柱底部施加X、Y、Z向固定約束。

荷載：①結構自重；②恒荷載，包括樓板、墻及其它附屬結構等自重、舾裝重量、固定設備重量，有限元模型中以分布力的形式轉化到相應的鋼構件上；③活荷載，包括庫存類活荷載、設備短期運行類活荷載以及儲備、搬運、檢修性活荷載，有限元模型中以分布力的形式轉化到相應的鋼構件上；④臺風荷載，考慮工程實際以及升壓站受風面，上部組塊封閉區(二層和三層)的所受臺風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約束轉化到平面所在的鋼構件上，合力作用點高度為25 m，受風面積為356 m2。

3.2 計算工況

包括2個極端荷載組合工況，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 計算結果分析

4.1 位移

提取兩種工況下海上升壓站上部結構的X、Y、Z向位移，分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 結構X向位移

圖3 結構Y向位移

圖4 結構Z向位移

對于X向位移，海上升壓站結構二層、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；對于Y向位移，兩種工況下直升機平臺及附近頂層邊緣、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；對于Z向位移，兩種工況下直升機平臺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，重力作用導致升壓站結構豎向變形較大，而臺風荷載作用引起結構各個向的變形相對較小。

4.2 應力

提取兩種工況下海上升壓站支撐柱以及上部結構梁/柱構件的應力分布特征，分別如圖5和圖6所示。

圖5 工況J-1下結構應力 圖6 工況J-2下結構應力

統計J-1工況下和J-2工況下海上升壓站上部結構四根支撐柱的Mises應力可知，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。

統計J-1工況下和J-2工況下海上升壓站上部結構梁/柱構件軸向應力可知，一層受拉區主要為遠離四根支撐柱的多數斜柱，受壓區主要為四根支撐柱附近的多數斜柱；二層受拉區主要為該層邊緣的少數斜柱及直升機平臺下方立柱，受壓區主要為直升機平臺下方的多數立柱；三層受拉區主要為支撐柱附近的多數斜柱，受壓區主要為直升機平臺下方的多數立柱；頂層受拉區主要為該層邊緣靠近直升機平臺下方斜柱部位的H型鋼交界處，受壓區主要為該層邊緣遠離直升機平臺下方斜柱部位的H型鋼交界處。整體而言，最大拉應力區位于二層，分別為127.3、126.1 MPa；最大壓應力區位于二層，分別為105.8、103.9 MPa。

5 結 語

以某海上風電項目場區內220 kV海上升壓站結構為例，通過建立整體有限元數值模型進行仿真計算，對比分析了臺風作用時兩種極端荷載組合工況下結構的受力特征，結論如下：

極端工況下，升壓站結構在二層、頂層邊緣的X向位移、直升機平臺及附近頂層邊緣Y向位移、直升機平臺及下方各層Z向位移普遍較大；重力作用導致升壓站結構豎向變形明顯，而臺風荷載作用下結構受風方向的變形相對較小。

海上升壓站上部結構每一層支撐柱表面與H型鋼交接處Mises應力普遍較大，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，工程設計時應對結構進行加強處理。