设计环境要素-海上测风塔基础设计成果

1.水位

海上测风塔基础设计时环境要素中的水位标准包括：设计高水位、设计低水位、极端高水位和极端低水位。按照我国行业标准JTS 145—2—2013的规定，设计高水位采用高潮（即潮峰）累积频率10%的潮位；设计低水位采用低潮（即潮谷）累积频率90%的潮位。若已有历时累积频率统计资料的情况下，设计高、低水位应分别采用历时累积频率1%和98%的潮位。极端高水位采用重现期为50年的年极值高潮位；极端低水位采用重现期为50年的年极值低潮位。当涉及海冰项设计与计算时，应采用冬季最高天文潮和冬季最低天文潮作为该工况下的设计高水位和设计低水位。

确定设计高水位和设计低水位，进行高潮和低潮累积频率统计时，应有完整的一年或多年的实测潮位资料。设计潮位的推算常采用两种方法：一种是根据潮位历时累积频率曲线；另一种是根据高潮或低潮累积频率曲线。当潮位实测资料不足一整年时，可与附近有一年以上验潮资料的验潮站进行同步相关分析，采用“短期同步差比法”来计算相当于高潮10%或低潮90%的数值，并应继续观测，对上述数值进行校正。差比计算时，二者必须满足潮汐性质相似、地理位置邻近和受河流径流影响相似等条件。

确定极端高水位和极端低水位，进行高潮和低潮的年频率分析，应有不少于20年的年最高潮位和年最低潮位实测资料，并应调查历史上出现的特殊水位。不同重现期的高潮位和低潮位采用极值Ⅰ型（Gumbel或耿贝尔）分布律计算。对于有不少于连续5年的最高潮位和最低潮位的港口，极端高水位和极端低水位可用“极值同步差比法”与附近不少于连续20年资料的验潮站进行同步相关分析，计算相当于重现期50年的年极值高潮位和年极值低潮位。在进行差比计算时除具备前面“短期同步差比法”所要求的3个条件外，还应满足受增减水影响相似的条件。

风暴潮将引起海面的异常升降（风暴增减水），由于形成风暴潮的天气系统的多样性，造成了风暴潮本身的多样性和复杂性。国内外广泛使用的风暴潮推算和预报的方法包括两类：①经验统计法；②动力数值模拟方法。动力数值模拟方法是依动力物理模型来进行数值计算。为了简便起见，有时也采用依靠数值模式而建立的一套简化实用的图解方法来推算[18]，称为诺谟图方法。设计中对于风暴潮的考虑，不仅要注意潮位与风暴潮的耦合影响，在浅水区，还应注意波浪增水对水位结果的影响[19]。对工程设计而言，宜采用联合概率法研究沿海数值水位的实际分布与可能出现的分布，以选取工程所需的合理而安全的设计水位。

2.海风

设计风速的标准包括设计风速的重现期和风速资料的取值等两个方面，其中风速资料的取值包括风速观测距地面的标准高度，风速观测的标准次数和时距等。我国颁布的国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）和JTS 144—1—2010均采用10m高处50年一遇的自记10min平均最大风速作为设计标准。

海上测风塔基础结构设计前确定适当的设计风速时，需考虑以下几点：

（1）应按其重现期确定各特定风向、时距的设计极端风速。

（2）确定设计极端风速时所采用的风速记录资料要包括测量地点、出现日期、阵风及持续风速的测量值和风向等。

（3）在使用年限内特定风向的持续风速超过某一规定的风速下限时所出现的次数。

我国沿海和海岛基本风压可参见我国行业标准JTS 144—1—2010。当风电场所处海域在我国沿海和海岛基本风压表、我国基本风压分布图中没有给出风压时，基本风压确定应符合：当地有25年以上的最大风速资料时，应通过统计分析确定；当地年最大风速资料不足25年时，宜与长期资料或有规定基本风压的附近地区的风压值进行对比后确定。

若海域当地最大风速不足10年或没有风速资料时，宜通过对气象和地形条件的调查分析，参照附近地区的基本风压或全国基本风压分布图上的等值线用插入法确定。若海上长期风速实测资料不足时，也可用邻近陆上风速实测资料进行海陆风速间的相关分析，将陆上设计风速换算为海上设计风速。当无条件进行海陆风速间相关分析时，可用陆上风速计算得到的基本风压乘以风压增大系数后间接推算海上风压值。

3.波浪

设计波浪的标准包括设计波浪的重现期和设计波浪的波列累积频率。设计波浪的重现期指某一特定的波列平均多少年出现一次，它代表波浪要素的长期（以几十年计）统计分布规律。设计波浪的重现期主要反映建筑物的使用年限和重要性程度。海上测风塔基础设计时设计波浪的重现期采用50年。

除了设计波浪的重现期外，还应确定对应的不同特征波高值，可采用不同累积频率波高。设计波浪的波列累积频率标准指的是设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的出现概率，它代表波浪要素的短期（以十几分钟计）统计分布规律。海上测风塔基础结构对波浪的反映较为灵敏，波列中个别的大波即可影响其安全，所以应该采用较小的波高累积频率值，即标准要高一些，波高累积频率取F=1%为设计标准。

设计波高的推算通常根据经验累积频率和理论累积频率曲线采用适线法来确定。年极值波高和周期的频率曲线常采用皮尔逊型（Pearson）Ⅲ型曲线。除了皮尔逊型Ⅲ型分布的理论频率曲线外，可选配其他的理论频率曲线，如极值Ⅰ型分布、对数正态分布和威布尔分布等，最终确定不同重现期的设计波浪。近海风电场海域通常水深较浅，当推算的波高大于浅水极限波高时，则均以极限波高作为设计波高。极限波高与水深和海底坡度等参量有关。

工程上设计波浪要素包括设计波高和设计周期两个要素，由于波高在工程设计中起控制作用，首先确定设计波浪的设计波高，然后再确定其对应的设计周期。但设计波浪周期与设计波浪波高的选取不同，目前尚无确定公认的统一方法。因为波高与周期大小是不对应的，如年极大值波高对应的平均周期未必是当年的极值，它可能比年极值要小。因此不能取某一波向平均周期的年极大值作为样本，而应该选取与波高年最大值相对应的平均周期所组成的序列进行频率分析，仍采用皮尔逊型Ⅲ型曲线按照适线法确定。但这一处理方法一般适用于波浪主要为涌浪或混合浪的情形，若波浪为风浪时，则取值明显偏大。当工程海域波浪主要为风浪时，可利用极值波高相应的周期之间的散布图，在散布图上绘制相关直线，在此直线上读取对应设计波高的周期。对于海上测风塔结构而言，波浪周期可近似选取平均周期来计算。

工程设计时，在波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高（HF%），对于不规则的海浪，可用其统计特征值表示。工程上常用的各种累积频率波高与平均波高间的换算关系为

式中 ——平均波高。

4.海冰

进行海冰荷载计算时，应首先考察海上测风塔基础结构所处海域的冰情，并应取得以下资料：(www.xing528.com)

（1）固定冰和流冰在滩海区域的作用范围。

（2）流冰冰块的大小（单个冰块的最大水平尺度）、流动方向和流动速度。

（3）固定冰、流冰（包括单层冰、重叠冰和堆积冰）的厚度。

（4）流冰期间的气温、水温和冰温。

（5）固定冰期和流冰期及起止时间范围。

（6）海冰的物理、力学性能指标包括：密度温度、盐度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、弯曲强度、剪切强度、冻结强度等。

（7）考虑滩海冰情时，应考虑该海域的历史严重冰情及严重冰情重现期。

海冰设计重现期应采用50年，该重现期包括冰厚重现期和海冰强度重现期两个方面。根据我国行业标准JTS 144—1—2010，我国沿海港口地区不同重现期下海冰的厚度、单轴抗压强度和弯曲强度取值分别见表5-29～表5-31。弯曲强度多用于布置抗冰锥后结构物冰荷载的计算。

表5-29　不同重现期时各海区设计冰厚H[14]　单位：cm

表5-30　不同重现期时海冰单轴抗压强度σc的标准值[14]　单位：MPa

表5-31　不同重现期时海冰弯曲强度σf的标准值[14]　单位：MPa

5.地震

海上测风塔基础结构也需进行地震工况的验算与校核。我国工程抗震设计采用“三水准设防目标，两阶段设计步骤”的路线。

三水准的地震作用水平，按照3个不同超越概率（或重现期）来进行区分。多遇地震对应于50年超越概率63.2%，重现期为50年。设防烈度地震（基本地震）对应于50年超越概率10%，重现期为475年。罕遇地震对应于50年超越概率2%～3%，重现期为1600～2400年，平均重现期约为2000年[20]。

结构物抗震设计的设防目标为三水准设防：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需要修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

对于两个阶段设计步骤而言，第一阶段，对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规定要求采取抗震措施；第二阶段，对一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算[20]。

海上测风塔基础的抗震设防分类为丙类，抗震设防标准为标准设防类。地震作用一般按地震基本烈度区划或地震动参数区划对当地的规定采用。在建筑抗震体系中，多遇地震属于可变荷载，而非偶然荷载。

在进行测风塔基础结构抗震设计时，一般情况下，应至少在基础结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。更详细的分析应在地震作用分析时计入双向水平地震作用下的扭转影响。当海上风电场所处区域抗震设防烈度为8度或9度时，应计算竖向地震作用。

除了上述分析外，必要时可采用时程分析法进行多遇地震下基础地震作用的补充计算。当取3组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。当取7组及7组以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值[4]。