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海上电气平台整体结构安全评价

文档作者：罗成喜钟耀黄春芳展学平肖立家文档来源： 1．中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 2．大唐山东发电有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月16日
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第41卷第2期
2015年2月 水力发电
海上电气平台整体结构安全评价
罗成喜 ，钟 耀 ，黄春芳 ，展学平 ， 肖立家
(1．中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；
2．大唐山东发电有限公司，山东青岛266061)
摘要：使用SACS软件，考虑桩一土非线性，建立了海上电气平台整体结构有限元分析模型。基于不同荷载作用方
向作用，开展了八组极端工况和四组正常使用工况下电气平台的有限元分析。依据有限元分析结果对电气平台进行
了杆件应力、节点冲剪以及地基承载力校核。同时开展了电气平台动力特性分析，以及地震反应谱分析。
关键词：电气平台；静力校核；动态特性；地震响应
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
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：0559_9342(2015)02—0077—04
U 刖 舌
目前世界各国积极开发近海风电资源。欧洲是
全球海上风电产业发展最快的地区。迄今为止， 丹
麦、瑞典、英国和德国等国家已经建成数十个海上
风电场ll_21。我国海上风电场的建设起步较晚， 已建
及正在规划建设中的海上风电场主要有上海东海大
桥电场、山东威海风电场、山东莱州湾风电场、浙
江岱山风电场、浙江杭州湾风电场、江苏如东和江
苏东台风电场等I3J。在2002年以前， 由于海上风电
场容量小f绝大多数为15 MW 以内)、离岸距离短
f均不超过5 km)，从成本控制的角度出发，海上升
压站没有建设价值 。然而，随着海上风电场容量的
增大．为降低线路损耗．提高供电效率，有必要建
设海上升压站【5J。
海上电气平台作为升压站电气设备的承重结构，
其特点是大量电气设备布置在甲板上， 电气平台不
仅需要确保自身在外部环境荷载作用下的安全，还
要保证电气设备的正常运行． 因此有必要开展电气
平台的安全评价研究。目前，海上固定式采油平台
的研究成果丰硕， 而对近海电气平台的结构分析和
评价还鲜有成果发表。
以莱州湾近海风电场的电气平台为工程背景，
开展了该电气平台的有限元分析．进行了承载力极
限状态、正常使用极限状态和地震荷载作用下的强
度校核。
1 海上电气平台的计算参数
1．1 电气平台设计
以莱州湾近海风电场的水文和地质资料为基础，
收稿日期：2014—07—14
基金项目： 国家高技术研究发展“863 计划” 课题
(2012AA05 1704)
作者简介：罗成喜(1984一)，男，湖南临澧人，工程师，主要
从事海上风电设计和分析研究．
进行电气平俞设计。采用4桩导管架作为海上电气
平俞的支撑结构 平台主要参数如图1所示．结构
荷载作用方向如图2所示。
校核高水位
设计高水位
平均海平面
设计低水位
极端低水位
1600x30＼ 800 18 100o 8o【J×18
· 一 l 一；一ll
3lO—卫- l ；
l-36±— L 。 l I80xl8 10~42 80x18 J
。2．78—卫_ IL ：
冲刷前泥面
!
高程．12．39 —— —— _H + H'- —— ——
冲刷后泥面 I 兰 I
高程．16．39 l l
I l7380 1
L
图1 导管架平台结构参数(单位：尺寸l'lln1．高程In)
-9【】。方向J
⋯ 一一一
图2 模型坐标系
1．2 环境荷载参数
根据已有的海洋水文资料确定海洋环境参数。
设计海流参数： 表层、0．6H 层(H 为水深)、底层
的平均流速分别为104．3、51．2、30．3 cm／s。设计风
速参数：50年一遇、5年一遇、1年一遇风速(风
速为海面10 Ill处) 的l0 rain 平均风速分别为
39．29、27．24、9．57 m／s。设计波浪参数见表1。
表1 设计波浪参数
由于该平台所处的莱州湾每年冬季都有海冰出
现，对平俞的稳定性和正常使用构成了巨大威胁，
因此海冰荷载成为平台设计中不可忽视的因素。设
计海冰要素参考Q／HSn 3000-2002 《中国海海冰条
件及应用规定》 1。根据标准可知， 电气平台所处的
海冰 域为10区，对应重现期为50、5、1年海冰
厚度分别34．9、21．2、6．6 cnl。采用静冰力进行结构
校核，按照规范中的挤 静冰力公式计算作用在导
管架桩腿上的等效冰力。海冰荷载的计算公式参考
公式(1)
F=mif．r， Dh (1)
式中，m 为形状系数， 对于圆形截面取0．9；I为
嵌入系数； 为接触系数； c为冰无侧限抗压强度；
D 为冰挤压结构的宽度；h为冰厚。计算结果见表
2。对于圆形截面墩柱， 嵌人系数，和接触系数 南
经验公式计算
= 3．57h‘“／D。 (2)
另外，在平均海平面以下的构件考虑10 cln厚
的海生物附着。采朋SACS软件， 建立海上电气平
台有限元计算模型， 如图3所示． 该模型共有889
表2 结构海冰荷载
图3 海上电气平台有限元模型
一
一
一
一
桩
： 苗， 习=：， —L t 口了罡 ： 口T ．5‘ 土pf1J
个节点、1785个杆件和726个甲板单元。在模型的
底层、一层和二层甲板上分别模拟了4、14和25个
附属设备或电气设备， 电气设备的自重用SACS程
序中的Footprint Weight进行模拟。
1．3 荷载工况组合及系数
参考DNVl0S-J101n 和API RP 2A—LRFD一1997t8]
规范，本文采用荷载抗力系数法(LRFD)罔进行电
气平台的安全校核。结合已有的海洋水文资料，确
定电气平台的荷载组合工况， 见表3。对应的各荷
载分项系数、抗力系数和结构重要性系数见表4。
2 电气平台静力校核
在平台整个寿命周期内， 对平台承受的各种载
荷工况进行安全评价分析， 以保证平台满足规范要
求。采用表3中的八组极端工况和四组正常使用工
况进行升压站平台结构静力校核。在10。～90。范围
内采用每l0。一级的原则，分别从9个方向旌加环
境荷载。
本文采用P—Y曲线模拟水平向、￡ 曲线模拟轴
向、q 曲线模拟桩端的桩土相互作用。图4为平
台静力分析结果， 反映了最大杆件应力UC值、最
大节点冲剪UC值、最大桩基应力UC值、基础结构
沉降量在不同工况下随荷载方向的变化。UC值的定
义见公式(3)， 是综合考虑了受拉、压、剪切、压
弯、拉弯等各种载荷情况的计算结果。UC值<1．0，
表明该杆件强度、刚度、稳定性均满足API规范要
求；UC值>1， 表明结构不安全；UC值的大小在一
定程度上反映了结构的安全程度。
uc = (3)
0．4
O·35
0 3
0．25
碧0．2
0 1 5
O l
作用方向o／(。
a杆件应力校核
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桩基应力校核
表3 荷载工况组合
表4 荷载分项系数、桩基抗力系数和结构重要性系数
由图4可知， 对于不同的荷载作用方向， 同一
工况下的校核结果差别很大。对于杆件应力校核，
UC值在l0。至90。范围内逐渐增大．在90。方向达到
最大值。节点冲剪校核结果是先减小后增大，而桩
基应力校核结果和基础结构沉降量结果在10。至90。
荷载作用范围内均先增大后减小。因此， 对于海上
'lE
耋
螺0．
图4 静力安全校核结果
b书 囊冲剪校核
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基础结构沉降量
Water Power Vo1．41 No．2圃
风电场电气平台结构，应该对结构的控制荷载方向
进行详细的研究。
此外，为了清晰地研究平台结构的控制工况，
将静力分析结果汇总， 见表5。表5表明，杆件应
力、节点冲剪、桩应力校核、地基承载力对应的控
制T 况为极端海冰工况(极端工况E3)，基础结构
沉降量对应的控制工况为正常使用工况N3。
表5 静力校核结果汇总
3 电气平台地震响应分析
3．1 动力特性研究
采用SACS软件中的Extract Mode Shapes模块
开展了电气平台结构动力特性计算，采用Guyan缩
聚法得到平台结构的前50阶振型和频率．用于下一步
的地震校核。由计算可知结构的固有频率为0．481 Hz，
前10阶频率见表6。
表6 频率和周期模态
3．2 等效静力法地震分析
根据地震安全评价报告，莱州湾设计地震水平
加速度为0．15 g。地震反应谱采用API—B反应谱曲
线，各阶模态响应组合采用CQC方法计算。使用
SACS软件动载荷分析模块对地震载荷进行分析，计
算出各阶模态对应的基于基底剪力的等效地震力。
将等效地震力与静力校核求得的最危险作用方向的
环境荷载进行组合。开展强度校核计算．地震校核
表7 地震工况校核结果
结果见表7。
由表7可看出， 电气平台在地震载荷作用下杆
件应力最大UC值、桩应力最大UC值都大于0．5，
比静力校核结果偏危险。特别是地基承载力最大 C
值达到了0．95，但总体结构仍满足API规范要求。
4 结论
本文以莱州湾海上风电场电气平台为例， 采用
SACS软件进行了结构静力分析和地震响应分析，得
出了以下结论：
(1)依据平台静力校核和地震强度校核结果，
可知杆件应力、节点冲剪、桩应力、地基承载力和
基础结构沉降量校核结果均满足API规范要求，最
大UC值都小于1。
(2)对于海上风电场电气平台结构， 电气设备
布置形式和海洋水文条件对控制工况以及荷载控制
方向有着显著影响。
参考文献：
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(责任编辑高 瑜)

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