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    海上測風塔
    發布者:admin 發布時間:2015/4/11


    海上測風塔 
    我國海上風電開發剛剛起步,在風資源評估、海上風電場的設計理論和方法、海上風電場的建設與運行等方面均屬空白。開發海上風電首先要對風資源進行評估,獲取海上風資源數據的最直接方法就是在海上建立測風塔。目前我國已建成的海上測風塔較少,海上測風塔建設可供借鑒參考的資料很少,海上氣象條件惡劣,施工周期長、難度大。
    風電是可再生的無污染的能源。海上風能資源豐富而且穩定,風況優于陸地,且受土地利用、噪聲污染、鳥類保護、電磁波干擾較少,不涉及土地征用等問題。初步資料表明,我國陸上風電可開發量為2.5億千瓦,在海水深2m至15m之間的海域風電可開發量為7.5億千瓦,我國風電的大規模開發潛力在海上,特別是水深小于15m的近海,更是今后幾十年風電發展的方向。德國、丹麥等國己經建成多個海上風電場,在海上風電場設計、建造、運行和維護方面已形成了一定的理論和經驗,我國目前在海上風電場建設方面才剛剛起步。
    開發海上風能首先需要弄清近海區域風的變化規律及特征。近岸陸地氣象站所測風速由于受到地面粗糙度及大氣穩定度等因素的影響,與海上風速有一定差異,不能直接用來代表海上風況。獲得海上風資源數據的最直接方法就是在海上建立測風塔。
    一、測風塔結構形式設計
    常見的測風塔結構形式有自立式和拉線式兩種。自立式測風塔塔體下部較寬,塔架材料用量相對較大,對基礎要求也較高;拉線式測風塔受力較為合理,可靠性高,塔體截面小,塔架材料用量小,但拉線基礎數量多,施工工藝復雜。
    測風塔塔架可采用單根鋼管、三角形桁架及四邊形桁架等結構形式。單根鋼管結構形式所需鋼管直徑大,迎風面積亦大,材料量大;三角形桁架結構形式較為穩定,塔架受風荷載作用較小,最為經濟;四邊形桁架結構形式較為穩定,一般情況下當三角形桁架不能滿足受力及變形要求或不經濟時,塔架可選用四邊形桁架結構形式。
    測風塔為高聳結構建筑物,一般采用樁基礎或重力式基礎等。適用于測風塔的樁基礎有鉆孔灌注樁、預制混凝土樁、鋼管樁等。采用鉆孔灌注樁時,需水下澆注混凝土,且施工周期長;采用預制混凝土樁時,需考慮接樁,打入較難,且承臺不宜采用鋼結構,施工周期長;采用鋼管樁時,樁長小于50m時無需接樁,施工方便,但費用略高。鋼管樁基礎受力情況明確,抵抗極端工況的能力較強,尤其是海底洋流對鋼管樁基礎的影響較小,但其施工工藝較為復雜和海上防腐要求較高。重力式基礎結構簡單,施工方便且較為經濟,但其體型較大,在海洋中受到的各種作用力復雜,受力情況不明確,且存在海浪、洋流等淘刷作用,容易失穩或產生傾斜。綜合考慮,測風塔采用鋼管樁基礎。
    二、鋼結構整體防腐設計
    海洋環境對鋼結構的腐蝕很大,為確保測風塔在正常測風期內不發生嚴重銹蝕,保證結構安全使用,需對鋼結構進行防腐設計。
    海上測風塔根據其暴露條件可分為大氣區、浪濺區、潮差區、海水全浸區和海泥區等腐蝕區帶,其中浪濺區和潮差區腐蝕最嚴重,其次是海泥交界處下方區域。不同的環境條件和暴露條件有不同的腐蝕規律,一般情況下應采取相應的防腐、保護技術措施。常用的防腐方法有熱浸鋅法、 熱噴鋁(鋅)復合涂層法、涂層法和陰極保護法。
    防腐按塔架、承臺、樁等等部分進行要求,具體措施為:(a)鋼管樁、鋼承臺、其他基礎部分受力構件及下部5.5m的鋼塔架按0.5mm/a的腐蝕速度預留腐蝕余量;(b)泥面下7m以上部分鋼管樁:無機富鋅環氧底漆兩層厚75μm,環氧中間漆兩層厚75μm,聚氨酯面漆兩層厚50μm,漆膜干膜總厚度不小于20μm;(c)承臺、上部塔架及其他鋼結構采用熱鍍鋅防腐,其鍍鋅量不小于275g/m2。
    三、測風塔施工
    3.1 基礎施工
    (1)樁基施工
    樁基施工所需的船舶主要有打樁船、運樁船、拋錨船等。鑒于海上施工的特點,打樁船必須配備合適的樁錘,選用合適的施工工藝,盡可能提高沉樁效率,且應具有良好的可靠性。經調研分析,打樁船采用“三航樁2#”,樁錘選用D128開口柴油錘,并配900HP拖輪負責移船就位作業;運樁船選用自航駁;拋錨船選用當地常見的漁船。
    打樁船沉樁的施工順序為:起樁→立樁→插樁→錘擊沉樁→停錘、移位→下一根樁起樁→…搭設圍囹。根據打樁船特點和施工環境,計劃測風塔基礎施工工期為:準備工作及拋錨1.0d,沉樁施工1.5d,樁支撐結構及托板焊接3.0d,鋼平臺安裝及焊接2.0d,安裝爬梯、護舷、護欄1d,臨時設施拆除1d,參考相關海上施工經驗取氣候影響系數2.5,則1個測風塔基礎的實際作業工期定為24d。
    打樁船錘擊沉樁約需20min/根,收錘階段實測貫入度約為1.0cm。打樁過程貫入度變化規律與勘探地質分層較為吻合;A施工表明,所選的施工設備和施工工藝較為合理,勘探資料準確。
    (2)施工船舶配合及安全控制措施
    海上施工受風、浪、流影響較大,施工期間自航駁要運樁給打樁船,且要預防船舶與打好的樁發生碰撞。因此,各種船舶施工期間的配合需制定詳細的作業計劃和安全控制措施。
    打樁船由拖輪運至施工點附近,采用八字形式拋錨,每個錨上設立浮漂。自航駁停泊在打樁船附近,由于外海作業受風浪影響較大,打樁船和自航駁間距保持在500m左右,自航駁亦設4根錨纜。
    施打第一根樁時,打樁船拋錨至預定樁位,自航駁起錨,行至打樁船打樁架一側,將打樁船上的2根纜繩固定在自航駁上,通過收緊纜繩,令兩船緊緊相靠且使其中心線保持互相垂直;打樁船下放吊鉤,開始起樁;鋼管樁水平脫離運樁駁船并至一定高度后,松開系在自航駁上的纜繩,讓自航駁回至原位,打樁船準備打樁。施打其余樁時,打樁船通過調節其4根錨繩遠離已打好的鋼管樁,同時起錨自航駁,按照前述方法起樁;自航駁離開后,打樁船再通過調節其4根錨繩靠近已打好的樁,重新測量定位,開始打樁。
    施工實踐表明,所選用的船舶配合方法統籌安排較為合理。
    (3) 打樁檢測
    測風塔采用鋼管樁基礎,且樁較少(4根),施打過程不僅需監測樁身完整性,更要對樁基承載力進行分析判斷。因此,加強基樁施工過程中的質量控制和施工后的質量檢測,對確保整個工程的質量與安全具有重要意義。由于海上施工受到特殊的場地條件限制,無法也不可能像陸地的基樁那樣進行各種靜力載荷試驗,只能通過基樁檢測獲得設計所需各項參數,控制施工質量。高應變法是在樁頂沿軸向施加沖擊力,使樁產生足夠的貫入度,實測由此產生的樁身質點應力和加速度的響應,通過波動理論分析,判定單樁豎向抗壓承載力及樁身完整性。高應變動力檢測不僅能夠有效地確定樁身結構完整性,而且能快速判定樁的承載力,省工、省時,節約費用。樁基檢測采用PAK高應變樁基檢測儀檢測。
    檢測要求參照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2003),考慮到被檢樁并非豎直樁,有一定的斜度,同時參考了美國的ASTM高應變動力檢測標準(ASTMD4945),實際提供各樁的軸向抗壓承載力。檢測前的鋼樁樁頂的高度自水面起約為8m,檢測用的力傳感器和加速度傳感器距樁頂約1m,打樁錘重128KN。
    3.2 承臺吊裝及塔架安裝
    待樁打完后,在樁間搭設加固平臺進行圍囹加固,F場焊接樁間斜支撐、平臺托板及加勁板,并嚴格控制托板標高。焊接工作結束后起重船就位,先將鋼承臺吊至安裝位置上方50cm~60cm左右,緩緩下降,人工輔助控制承臺位置,承臺套管對準樁后下放使其就位,檢查調整承臺水平度,滿足要求后焊接承臺套管與托板,安裝護舷與爬梯。
    塔架結構在工廠預制,采用自升式方法安裝。
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