2.1 海上测风塔与结构类型

2.1 海上测风塔与结构类型

海上测风塔由测风塔架和基础结构部分组成，塔架和基础结构包含多种型式，通过划分其对应的各种类型可以更深刻地认识海上测风塔。每一种结构型式都有各自的特点和适用性。

2.1.1 测风塔类型

测风塔是为在不同高度布设的测风仪器放置而矗立的结构物。从整体来看测风塔类型包括拉线式、自立式、复合式和悬浮式等4种。每一种类型都有特定的适用范围，因其具有各自的优缺点。

1.拉线式测风塔

拉线式测风塔包括塔架、塔架底座、拉线和拉线锚固端。代表性的拉线式测风塔如图2-1所示。塔架竖向放置，并搁置在底座上，底座可设置在天然基础或其他类型基础上。拉线一端连接塔架，另一端连接锚固端，拉线一般为钢绞线，只提供拉力，并将拉力传递到锚固端，根据塔架高度拉线可以设置多层。

塔架的自重和拉线拉力的竖向分量作用到底座上，底座承受压力。塔架水平向通过拉线来固定，在塔架竖向稳定性方面拉线与塔架的连接点还起到节点约束的作用。由于塔架上述结构特点和约束条件，塔架自身所受的弯矩相对较小，因此塔架杆件跨度较小，对应的塔体截面和杆件面积小，塔架材料的用钢量较省。

图2-1 拉线式测风塔示意图^［1］（单位：m）

拉线式测风塔必须设置多根拉线，这在陆上风电场中问题不大，但在海上风场中：①拉线的锚固端较难设置，即使能设置也会增加海上安装的工程量；②不同于陆上环境，在海上设置锚固端时海上作业的时间将延长，安装费用高；③海上风场周边可能有过往的渔船或其他通航船舶，拉线布局的平面范围大，对过往船只的通航要求有较大影响；④拉线较细，在海洋环境中通常难以辨别，容易造成船舶的通航危险。因此在海上测风塔较少采用这种型式。

图2-2 自立式测风塔^［2］

2.自立式测风塔

与拉线式测风塔相反，自立式测风塔并不需要借助外界约束来维持其平衡，自立式测风塔示例如图2-2所示。自立式测风塔依靠自身结构来固定塔身，类似于悬臂构件。根据结构力学常识，悬臂构件的截面竖向分布形式中，根部截面最大，越远离根部截面的尺寸越小，这是因为根部的弯矩最大，因此自立式测风塔塔架下部截面尺寸大，由下往上逐步递减。当塔架由杆件组成时，下部的杆件截面尺寸较大，越往上杆件的截面尺寸越小，以满足局部杆件强度与稳定性的要求。由于自立式测风塔这一结构特点，为了满足强度和稳定性的要求，塔架的材料用量相比拉线式测风塔要大得多。

按常规塔架设计，自立式塔架根开取整个塔高的1/10～1/4较为合理。但海上测风塔架径高比远小于常规塔架，一般不大于1/10，以控制“塔影效应”对传感器的影响，减小相应的测风仪支撑横梁长度，避免给横梁的构造、安装及测风仪维护造成较大困难^［3］。

自立式测风塔的基础结构尺寸一般与塔架根部尺寸相差不多，因此测风塔的设置对附近通航船舶的影响很小，且其海上施工与安装也较为方便，因此在海上测风时多采用该类型测风塔。

3.复合式测风塔

复合式测风塔是拉线式与自立式的组合型式。复合式测风塔充分利用了拉线式测风塔和自立式测风塔的优点，改善了这两种测风塔的缺点。因此复合式测风塔的拉线设置层数较少，塔身截面尺寸相对不大，既节省了塔架用钢量，又不至设置过多的拉线而增加海上作业的难度与工期。

4.悬浮式测风塔

悬浮式测风塔如图2-3所示，与上面介绍的3种型式测风塔相比，该测风塔的位移要大得多，在海风和波浪作用下，测风塔将产生明显的水平和竖向位移。因此：当水深较浅时，测风塔底座采用船体结构［图2-3（a）］；当水深较深时底座采用空舱结构，依靠海水的浮力来维持竖向平衡［图2-3（b）］。当采用船体结构时，可以抛锚来固定；采用舱体结构时，舱体底部设置一根或多根钢绞线或铁链来连接海底的锚固端，钢绞线或铁链的拉力限制了舱体过大的竖向位移和水平位移。由于该测风塔根部的特殊结构，决定了其并不适合过高的塔架。

一般在选用声雷达和激光雷达测风时多采用悬浮式测风塔，在国外已有工程应用，目前国内尚无实际应用。

2.1.2 塔架结构类型

海上测风塔塔架高度一般介于80～120m，在结构型式上属于高耸结构。竖向上高度大，平面尺寸相对要小得多，因此整个结构的抗弯刚度小，结构刚性方面显得很柔。海上测风塔塔架结构主要受到海风风荷载作用，风荷载作用与塔架的结构型式、塔架高度、截面尺寸、杆件截面与布置等密切相关。由于塔架高度较大，塔架结构选型时还应考虑分段制作、运输、安装与拼接等相关影响因素。

图2-3 悬浮式测风塔^[4]

测风塔塔架高度应接近拟安装风力发电机组的轮毂高度。测风塔应当具备设计安全可靠，结构轻便、易于运输及安装，在现场环境下结构稳定，风振动小等特点，并具备防海水、盐雾防腐、防雷电、防热带气旋的要求，还应方便海上交通工具停靠和人员攀登，并配备“请勿攀登”等明显的安全标志，满足航海、航空警示要求。

从塔架结构的型式上来分，塔架结构分为圆筒形塔架和桁架式塔架两大类。

1.圆筒形塔架

圆筒形塔架由单根圆筒组成，与风力发电机组塔筒结构类似，筒体截面由下而上逐步递减。该型式塔架加工制作较为方便，可直接由钢板卷制焊接而成，施工效率高，且筒体不存在结构连接节点，整体性好。典型的圆筒形塔架如图2-4所示。

根据力学常识，在弯矩荷载作用下，远离中和轴的截面发挥的效果更明显，而圆筒形截面沿圆周均匀分布，因此在抗弯方面材料抗弯性能并未得到充分发挥，这就使得圆筒形截面尺寸（直径与壁厚）较大。较大的截面尺寸又增加了塔架所受的风荷载和自重，两方面效应叠加使得该结构型式中塔架用钢量较大。

图2-4 圆筒形塔架^[5]

除了结构受力方面外，圆筒形塔架对测风设备的安装与维护也有不利影响。在该型式塔架安装测风设备时施工作业的危险性比较大，尤其是设备安装到40m高度以上时塔体摆动比较大，运行维修也不如桁架式塔架方便^［6］。

2.桁架式塔架

桁架式塔架是由不同截面尺寸的小杆件相互连接组成的空腹式结构，各小杆件可以布置成较大间距，因此其抗弯能力强，结构的挠度小，材料用量省，结构自重较小。小杆件的截面一般包括圆钢、钢管和角钢等不同类型，特殊情况下也采用由圆钢或角钢组合而成的复合式构件。对于海上测风塔，小杆件多采用无缝钢管，因圆钢管体形系数小于角钢，因此由圆钢管组成的桁架式塔架所受的风荷载相对要小。

从桁架式塔架平截面形式来看，包括三角形、四边形和其他多边形，在风荷载不是特别大的情形下，工程上通常采用三角形和四边形桁架式塔架。三角形桁架式塔架如图2-5所示，四边形桁架式塔架如图2-6所示。

图2-5 三角形桁架式塔架^［7］

图2-6 四边形桁架式塔架^［8］

桁架式塔架的腹杆可以布置成多种型式，如单斜式、X型、K型、倒K型和心型等，腹杆的型式与塔架受力、主杆跨度或根开、杆件长细比限制条件相关。桁架式塔架在设计时还应考虑塔架根开对基础尺寸的影响，而基础尺寸进一步会影响桩基的布置。

对比三角形桁架式塔架与四边形桁架式塔架，三角形塔架风阻小，传递到基础的作用也小，因此其自重较轻，材料用量也省。当三角形塔架不能满足结构设计要求或有其他特殊要求时可采用四边形塔架。桁架式塔架在测风设备支架安装上要比圆筒形塔架方便得多，但三角形塔架在测风仪器支架的安装上比四边形塔架的安装难度要大，不如四边形塔架安装方便。

2.1.3 基础结构类型

海上测风塔的基础结构以桩基础为主，还包括导管架基础、重力式基础、吸力筒（桶）基础和其他复合式基础等几种型式。基础选型时不仅需要考虑基础结构本身，还应考虑海上运输与安装的方便性。海上测风塔基础工程也是海上风力发电机组基础工程的先行，可将测风塔基础型式与风力发电机组基础型式的选择综合考虑，二者宜采用相同的基础型式，从而使得测风塔基础的实施为后续风力发电机组基础工程提供必要的参考或累积相关经验。

1.桩基础

当基础结构采用桩基础型式时，可由单根钢管桩（图2-7）或多根钢管桩（多为3根或4根）来组成。桩顶位于海面以上，桩身的上半部分位于海水中，下半部分位于海床泥面以下。桩顶与测风塔塔架连接处一般需要设置过渡转换平台，可采用钢平台［图2-8（a）］或钢筋混凝土平台［图2-8（b）］。在施工时先打设钢管桩，然后在无水条件下施工或吊装转换平台，最后安装测风塔。该基础型式施工方便，因此在海上测风塔工程中得到了广泛应用。

采用单桩基础型式的实例如图2-7所示，采用三桩基础型式的示例如图2-8所示，采用四桩基础型式的示例如图2-9所示。

图2-7 单桩基础测风塔^［8］

图2-8 三桩基础测风塔

图2-9 四桩基础测风塔

2.导管架基础

导管架基础结构是由钢管相互连接形成的空间四边形棱柱结构，基础结构的4根主导管端部下设套筒，套筒与桩基础相连接。导管架基础顶部通常需要设置过渡段平台，通过平台将导管架结构与测风塔结构连接为整体。当水深较深或平台兼作其他用途时往往采用导管架基础型式，典型的导管架结构型式如图2-10所示。图2-10中导管架底部导管间距大，上部导管间距小，因为在水面附近波浪荷载和水流荷载较大，而海床附近环境荷载小，结构上部减小杆件间距可有效降低环境荷载，底部较大的间距对提高结构整体刚度有利。测风塔转换平台处设置了直升机平台，因风场距离陆地很远，采用直升机作为维护的交通工具更加及时方便。

图2-10 导管架基础测风塔^[12]

导管架基础结构在陆上预制场中加工制作，施工时先用驳船运输导管架到指定地点，然后起吊导管架下水，定位后打设钢管桩，钢管桩与导管架之间的套筒采用水下灌浆，然后安装过渡转换平台，最后吊装测风塔。

当采用导管架基础型式时，导管架的布置方式是多样的，并不局限于某种特定型式。如图2-11给出的为扭肢导管架（Twisted Jacket Foundation）基础型式测风塔。该基础的导管架由4根主导管组成，位于中间的竖向主导管截面尺寸最大，主要承受竖向荷载，周边3根主导管截面尺寸略小，并沿顺时针方向扭转排列绕中心主导管布局，由于周边3根主导管斜向布置，对于抵抗水平荷载非常有利。

3.重力式基础

重力式基础是一种适用于浅海条件下测风塔的基础型式。该基础型式依靠基础自重和地基反力来抵抗测风塔荷载与基础所受的各种环境荷载作用，从而维持基础的抗倾覆、抗滑移稳定。该基础型式适用的水深相对较浅，同时要求基床土体具有较高的承载力，当基床土体不能满足承载力要求时，需要进行地基处理。

图2-11 扭肢导管架基础测风塔^［13］

就海上风力发电机组而言，由于风力发电机组的水平荷载和倾覆弯矩很大，海上风力发电机组的重力式基础多采用预制钢筋混凝土沉箱型式，同时需要压舱材料，可根据当地情况选择较为经济的压舱材料，如砂、碎石或矿渣以及混凝土等。相比而言，海上测风塔的风荷载要小得多，其重力式基础一般不采用沉箱型式，而是类似陆上风力发电机组承台基础的型式。

为了说明的方便，下面采用德国Arkona Becken Südost风场测风塔实例来进行说明。工程始建于2006年，环境水深25m，该风场测风塔采用重力式基础。重力式基础由两部分组成，底部为三叶梅的钢筋混凝土结构，如图2-12（a）所示，单叶长度15m，该部分重量1300t；上部为钢质单管（单桩）柱，高度40m，重约150t，如图2-12（b）所示。基础顶部为转换平台，平台可放置测风数据处理设备，平台上竖立三角形桁架式测风塔，测风塔高度84m，重约50t。测风塔建成后如图2-12（c）所示，其中水面处单管柱突出的部分为靠船设施。

4.吸力筒基础

吸力筒基础型式由筒体和外伸段两部分组成，筒体为底部开口，顶部密封的筒形构成，外伸段为直径沿曲线变化的渐变单筒，如图2-13所示。根据筒体组成材料的不同，可以分为钢筋混凝土预应力结构和钢结构型式。筒体的直径一般大于筒深（裙板长度），外伸段顶部预设过渡平台与测风塔底座相连接。在测风塔荷载和环境荷载作用下，依靠筒壁侧面土体和筒体底部土体提供承载力，在一定程度上受力模式类似于重力式基础。

吸力筒基础源自于海上平台结构锚固所用的吸力筒结构，一般海上平台结构中的吸力筒多以承受上拔力为主，而测风塔吸力筒结构多以承受水平与弯矩荷载为主。吸力筒结构需要在陆上预制场预加工，通常分为多个舱室，以方便抽水下沉时对基础倾斜进行控制。基础安装前将筒体结构托运至指定位置，首先依靠自重下沉，然后抽水使基础在负压作用下沉放至特定深度。该基础可以通过注水来方便地移除。

图2-12 重力式基础测风塔^［14］

图2-13 吸力筒基础测风塔^［15］

图2-13所示的为英国Dogger Bank海上风电场测风塔的吸力筒基础，始建于2013年，这也是英国海上测风塔首次采用该基础型式。基础直径15m，裙板高度12m，基础总重量约450t。

海上风力发电机组和测风塔吸力筒基础的相关技术并不完善，目前仍在发展中。

5.复合式基础

复合式测风塔基础由上述各种测风塔基础型式组合而成，形式较为多样，但应用的工程实例较少。将吸力筒与导管架基础相组合的型式应用于香港中华电力测风塔项目，将吸力筒与重力式基础相组合的型式应用于中广核江苏大丰2号测风塔项目。

鉴于桩基型式的海上测风塔基础结构型式应用最为广泛。