许翔
上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335
摘要：海上风电场升压站总体上划分为上部组块与下部导管架基础两大部分，其中上部组块基本采用的是多层钢框架结构形式，而为了满足相关设备的安装以及后期运维的空间需要，在钢框架低层结构设计中经常采用悬臂式伸臂桁架结构，本文结合计算实例并对多种悬臂式伸臂桁架设计方案进行计算比较分析，通过对比研究，提出结构设计的优化方向。
关键词：海上升压站；钢框架；悬臂式伸臂桁架；
1 前言
我国作为一个海洋大国，在经济增长不断加速，海洋意识不断增强的大背景下，尤其是在我国提出建设“21世纪海上丝绸之路”的战略决策之后，我国经济建设中海洋经济所占比例逐年加大。由此可见海洋经济对于我国具有十分重要的战略意义。我国的“十四五”规划中就明确提出，在提高海洋经济总量的前提下，通过建设现代化海洋产业体系，推进海洋经济高质量的发展。而海洋蕴藏着非常丰富的生物、油气、太阳能、风能和矿产等资源，海洋经济的发展有助于弥补日益枯竭的陆上资源，增强我国在世界经济发展舞台中的影响力。为了能更有效率的开发利用这些海洋资源，海洋平台设计建造就成为这一伟大战略必不可少的技术节点。目前我国的海上平台主要用于海上油气资源及海上风电的开发与利用，而本文则以海上风电场建设中常见的升压站平台作为研究对象，着重分析海上升压站上部钢框架组块设计中常见的悬臂式伸臂桁架的结构设计与优化。
随着科技的进步发展以及绿色环保碳中和与碳达峰这些先进理念的引入，海上风电场对升压站平台的模块化和轻量化设计提出了越来越高的要求，而采用独立的电气设备方舱布置方案是一种有效减轻平台总重量的设计思路。相对于整体式升压站的布置形式，模块化的布置方案由于占用空间小、海上吊装次数少，施工速度快，在海洋平台的应用中越来越广泛。然而，当采用模块化预制方舱设计方案时，由于空间利用更加充分，布置更加紧凑，导致平台甲板的单位面积承受载荷必然较大。因此，从结构安全角度出发，对各个设备预制方舱重量的控制就显得尤为重要，对设备重量的要求也更加严格。而一般设计在双层钢框架平台结构的方舱中，设备数量较多、重量较大，整体吊装时，其平台钢框架结构强度和刚度的设计，对于方舱的安全性就尤为重要。同时，考虑到需将各个电气方舱模块放在同一水平层，其所需单层的平面面积更大。为扩大平台的服务面积，在上部组块钢框架结构设计中常采用带有悬臂布置的伸臂桁架结构，并且要求刚度匹配、位置合理、传力直接、结构优化等诸多要求。而涉及这方面的文献则以介绍高层建筑结构中运用的伸臂桁架案例为主［1-4］。
对于此类大跨度及长悬臂结构，需要合理、有效的设计钢框架主立柱间的距离L1与外侧悬臂甲板的宽度L2的比值（见图1）。如何确定海上升压站上部组块主桁架的合理悬臂长度L2是海上升压站总体参数优化设计的重要技术问题，本文按照结构内力、结构变形和竖向刚度条件对不同悬臂长度的伸臂桁架结构进行全面的分析与探讨。
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图1.1 典型模块化升压站立面布置图
2 计算模型
为了使研究成果具有普遍适用性，本文参照国内典型的模块化海上升压站上部钢结构组块的布置，并结合以往工程经验，采用SAP2000通用有限元设计软件共设计了4种长度悬臂式伸臂桁架模型，其中框架总长度为28400mm（L1+2L2）,悬臂长度比：L2/L1的值分别为1/3、1/2、2/3、1/1。由于悬臂式伸臂桁架结构在施工以及后期运维中都将承担设备荷载、行人荷载以及可能的施工荷载，为使结构受力更加合理，避免应力过大，所以在每种悬臂长度计算模型中，在悬臂端部还分别设置了3种支撑结构形式：倒K型、半米字型及倒V型，用于比较悬臂式伸臂桁架支撑布置不同情况下各自的优缺点。框架主体基本参数为纵向2跨，每跨长度相等，共2层，底层层高6m。主立柱截面尺寸采用φ1016×32mm的圆管，斜撑和小立柱均采用φ406×20mm的圆管，框架梁采用H800（800×400×16×36mm）的工字梁。所考虑的设备恒荷载及活荷载以均布载荷的方式布置在框架梁上。各种悬臂的布置方案如图2.1～2.4。
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图2.4 D方案（L2/L1=1/1）
3 计算结果
3.1竖向载荷作用下结构变形及内力分析
上述模型计算结果如表3.1所示，表中数值代表框架各层的典型节点的竖向变形位移数值。图3.1～3.4则反映钢框架结构在不同支撑布置形式下的变形特性。通过分析上述图表数值，可以发现以下规律：
1、随着悬臂长度L2/L1的比值的增加（由1/3增加到1/1），悬臂端部的变形越来越大，其最大比值达到21.07/3.52=5.98倍。说明伸臂桁架悬臂布置的过大，会导致端部的变形增加明显。同时，立柱跨度内的变形随着立柱跨度的缩小，竖向变形也随之减小。
2、随着悬臂长度L2/L1的比值的增加（有1/3增加到1/1），悬臂端部的弯矩越来越大，其最大比值达到3582/1720=2.08倍。说明伸臂桁架悬臂布置的过大导致悬臂端弯矩增大明显。
以上结果说明在相同荷载作用下悬臂伸臂桁架结构的位移与弯矩均与悬臂长度比L2/L1存在良好的线性相关的关系。同时采用悬臂支撑2半米子型支撑结构时，悬臂端点位移最小，弯矩值也最小对结构的受力较有利。
表3.1 各悬臂方案在竖向荷载作用下各点竖向位移
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图3.4 D方案（L2/L1=1/1）在竖向载荷作用下变形
3.2结构模态分析
通过对不同悬臂长度布置的海上升压站模型进行结构模态计算分析，计算结果如表3.3所示，可以发现以下规律：
1、在悬臂长度与支撑形式均不相同的情况下，结构第一振型均为水平方向，第二振型均为竖向、第三振型均为水平方向。结构模态的变化受这两个因素的影响很小。
2、在不同的悬臂长度下，结构的第一自振周期范围在0.485s～0.556s，悬臂长度一定时，支撑结构不同，其水平刚度相差不大。第二自振周期范围在0.230s～0.323s，不同长度悬臂结构，其竖向刚度相差较大。第三振型与第一振型趋势类似，悬臂段长度及支撑形式与结构竖向刚度有较为密切的关系。合适的悬臂长度有利于减小结构的竖向刚度。
表3.3 各种支撑布置形式下上部组块自振周期及振型
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4.结语
本文结合四种悬臂式伸臂桁架设计方案，并且在每种方案中设置三种不同悬臂式伸臂桁架支撑结构，计算分析了海上升压站上部平台组块结构设计中，影响悬臂式伸臂桁架设计的几个因素，认为在悬臂式伸臂桁架长度一定的情况下，其支撑结构的设计对结构竖向位移的影响并不明显，但是在悬臂式伸臂桁架支撑结构形式相同的情况下，其长度对结构的位移及受力有着显著的影响。除此之外不同长度不同支撑结构的悬臂式伸臂桁架模态第一至第三振型基本保持一致，且其对结构竖向刚度影响明显，在结构设计中需要充分考虑。
海上升压站上部平台结构设计不单纯是结构设计问题，而是一个综合了多个专业配合的系统设计问题。一个优秀合理的海上升压站平台设计方案的制定，要求电气专业设备的选择与布置的合理以及结构设计的安全，两者一定是有机结合的统一体，缺一不可。当然，要做到这一步并非轻而易举，这需要两个专业的设计人员互相了解，知识面互相渗透，才能做到结合紧密、配合默契。而一个好的结构型式的选择，不仅要考虑满足电气设备的安装及使用功能，还要求结构上的安全合理，施工上的条件允许，同时也要考虑工程造价上的经济合理，资金的节约。所以海上升压站的结构选型问题是电气、结构、施工、设备、概算等各专业的紧密配合的系统工程问题。
在总体布置设计中需要考虑海上升压站平台上空间满足各个专业设备、设施具有较强的可操作性，如供应船靠船是否方便、吊机的位置和覆盖范围是否合理、卸货甲板设置是否合理、设备操作维修空间是否足够、大型阀组的配管空间是否足够、预留设备的安装是否可行等等。在充分考虑这些问题的基础上，结构的优化选型设计就直接关系到能否充分发挥结构的最佳性能，因此在海上升压站结构设计中要重点关注结构方案选型，尤其是与升压站总体规模密切相关的悬臂式伸臂桁架，其设计的合理性决定了后期整个升压站结构的大小及工程造价。
参考文献：
［1］、傅学怡.带刚性加强层RC高层建筑结构设计建议［J］建筑结构,1999,29(10):44～47.
［2］、刘昊，肖标丁. 超高层结构中伸臂桁架的设计和优化［J］低温建筑技术,2016.09:55～57.
［3］、王斌.带伸臂桁架结构刚度限值研究［J］结构工程师,2017,33(1):24～31.
［4］、王斌，陈以一，赵宪忠.超高层结构伸臂桁架的承载力及刚度简化计算［J］同济大学学报,2014,42(3):358～364.