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漂浮联通未来——离岸风电及挪威浮式吊桥浮式基础带来的启示
来源:米乐看球 发布时间:2023-12-21 11:21:15海洋占全球面积约70%,海域离岸风电成为重要再生能源之一。离岸风电基础依海床深度,可分为固定式基础和浮式基础。
固定式基础适用于水深小于50m,有单桩式(Mono Pile)及套管式(Jacket)两种形式。浮式基础则适用于水深大于50m区域,由浮动平台、系缆系统与锚碇基础组成,有半浮式平台(Semi-submersible)、张力脚平台(Tension Leg Platform, TLP)、柱状浮筒(Spar Buoy)等三种型式,原本应用于石油天然气钻井平台,全球海洋面积92%水深超过200m,浮式基础有其发展潜能。
挪威政府E39公路长达1100km,沿线亿美元兴建跨海峡桥梁,达成全线免渡轮计划(Ferry Free E39)。但在某些区域海峡宽达5km,海床深达1.5km,目前跨海桥梁桩基施工纪录约100m,长跨径跨海大桥需考虑用浮式吊桥。
浮式基础较固定式基础的优点是易于施工安装,不需要大型工作船机,不受海床土壤地质条件限制,在陆地制造后可以每时每刻拖拉至海域工址锚碇。半浮式平台可以在岸边码头组装,易于维修,但焊接技术高,水中锚碇采用悬链式铁链,需额外配置动态平衡系统及主动舱压水系统以强化其稳定性。张力脚平台不需额外配置动态平衡系统及主动舱压水系统,平台成本相对较半浮式低,锚碇采用垂直式预力钢键,锚碇钢键一直处在高张力,及周遭海流引致的反复应力,易产生金属疲劳的问题。柱状浮筒锚碇采用悬链式铁链,不需额外配置动态平衡系统及主动舱压水系统,但结构体相较前两种更为巨大,无法在岸边码头组装,出现故障也无法拖回岸边维修。
离岸风机设计寿命约20-25年,跨海桥梁设计寿命约50-150年,浮式基础设计考虑结构自重、车辆载重(桥梁)、风、水位、波浪、海流、海啸、地震、台风、船舶撞击力、海生物附着及浮力等载重。设计应检讨结构基本振动与其他风、风浪产生的互制效应,会不会产生共振及疲劳的问题,并能承受极限载重的安全强度及稳定性要求。浮式基础分析设计较固定式基础困难,除结构安全强度外,须特别考虑平台定位、锚碇基础及漂动稳定。浮式平台6个自由度包含位移(surge, sway, heave)及旋转(pitch, yaw, roll)运动,类似船舶分析,并考虑安装、运输、运转、极端载重等稳定要求,动态分析及结构非线性行为。张力脚平台钢键采预力式,受到波浪、海流及海生物附着,另需考虑水动力疲劳的问题。
离岸风机由浅水区固定式基础发展至深水区浮式基础,更能扩大开发风场。浮式风机可以先在岸上组装完成,再拖往外海放置,较固定式基础能节约海上施工与组装时间。
浮式风机的发展程序须先进行示范风机计划,借由实测数据以验证设计分析程序。2001年Hywind计划取得概念模型专利,2009年挪威国家石油公司Statoil在挪威安装全球首座全尺寸实体浮式风机测试机组,装置容量2.3MW,平台采用SPAR浮筒式,风场水深约为220m。2017年,Statoil在苏格兰彼得黑德外海的Hywind Scotland,装置容量30MW,使用5部6MW风力发电机,浮式平台采用SPAR浮筒式,风场水深约为95~120m。2021年完工的Kincardine为目前全球顶级规模的浮式风场,位于苏格兰阿伯丁沿岸,由西班牙风电开发商Cobra Group开发,使用5部9.5MW加上1部2MW风力发电机,装置容量约50MW,每年可产生218GWh的电力,采用三角形的半浮式平台,风场水深约为60-80m。中国台湾海峡目前初估水深大于50m风场可开发规模大于10GW,应即早投入浮式基础的开发。
浮式桥梁由小而大,从跨越湖泊的短跨径浮式梁桥,发展到跨越海峡的长跨径浮式斜张桥及吊桥,实现了在深海床建造跨海峡大桥的可行性。
全世界目前最长浮桥美国西雅图Evergreen Point Floating Bridge,为浮式梁桥,全长2350m。挪威Bjrnafjord峡湾宽达5km,主跨径无法以单跨跨越,海床深达550m,挪威公共道路管理部门(The Norwegian Road Public Administration, NPRA)自2011年进行可行性研究,以浮式吊桥方案跨越深海床。2015年提出连续三跨浮式吊桥,跨径布置为(1385+1385+1385)m,2018年修改为1385+1325+1385 m,桥宽30.6m,流线座主塔顶端并串联主缆索增加抗风稳定。海床地质为海洋黏土层,深海区配置两座浮式基础,深度分别为550m、450m,其他浅水区为固定式基础。浮式桥塔基础采用张力脚平台,锚碇钢键永远保持垂直及平行在初始平台的位置,对于偏摆(yaw)耦合波浪影响仍能维持顶端及底部钢键的距离,钢键无张力减少问题,且顶端漂浮物受到波浪作用,无俯仰(pitch)运动。每座桥塔张力脚平台由4-6处锚碇钢键固定,包含三部分:钢键顶端连接器、钢键、钢键底部锚碇区。底部海床锚碇区为抗钢键拉力,采取负压式沉箱基桩(suction piles)结合重力式基础。每处锚碇配置多根钢键,便于维修时逐根更换维持安全,并为维持每根钢键预力状态,可以借着长度调整节点(Length adjustment joint, LAJ)长度。
浮式桥梁基础分析设计比浮式风机复杂,浮式风机为单一个体,而浮式桥梁为连续多跨结构,且须确保桥面行车安全。最大环境载重考虑风及浪(100年回归期),海中段结构采用水动力(hydrodynamic)分析方法,考虑波浪作用的影响及确认其稳定性。结构分析采用商用程序(如Abaqus、USFOS、SIMA、SOFiStik等)建立3D数值模型,以几何非线性数值分析吊桥主塔及主梁、浮式基础、锚碇钢键等构件受不同载重的互制影响。荷载组合需考虑服务(Serviceability Limit States, SLS)、极限(Ultimate Limit States, ULS)、疲劳(Fatigue Limit Stated, FLS)、意外事故及受损(Accidental Limit States, ALS)等情况,并确保一般的情况结构安全(1年回归期暴风),极端气候不会坍塌(100年回归期暴风)。主梁在桥轴向设置缓冲器,能承受慢速运动(温度)引致水平向1.4m变位,对快速运动(车辆、风、浪、地震)能发挥阻尼效应降低运动变位;当变位超过1.4m时,将锁定固定式支承,并使每个桥塔承受水平力约60MN (Veie J. & Holtberget S.H, 2015) 。
浮式吊桥基础面临设计新挑战为预测结构动态行为,包含下部结构(浮式基础及水下系泊设施)与上部结构(桥塔及主梁)的结构与流体复杂的互制行为,水动力(hydrodynamic)及气动力(aerodynamic)模拟是一个重要课题。流体及结构互制动态仿真包含水弹力、气弹力及非线性结构行为仿真,能采用频率域(概率)或时域(确定性)进行动力分析。频率域分析优点较省时间,缺点对非线性及短暂反应需要提供非线性方程式进行解析;时域分析优点可精确仿真所有非线性模式,缺点为分析时间比较久。结构分析特别观察结构在强风大浪下的稳定性,预测严苛环境下极端动态反应,确保维持桥梁及行车稳定,当桥塔振动时激发主梁的变位,须限制桥塔倾斜动态反应。分析流程是首先建立整体模型,计算水平及垂直向结构基本振态,考虑规则及非规则波浪运动效应,并考虑风、风浪的个别作用影响。风力动态分析考虑100年回归期历时纪录,并考虑不同桥塔承受风、风浪及涌浪动态载重的多支承历时效应。浮式基础采用张力脚平台在北海已验证可承受浪高20m,在墨西哥湾可承受飓风吹袭(American Society of Mechanical, 2004)。在1年回归期暴风服务载重情况下,沿桥轴的横向容许变位控制在1/200内,锚碇钢键顶端侧向水平位移约21m。
浮式基础可以为深海床设置离岸风机及跨海桥梁提供可行的方案,目前商用离岸风机浮式基础采用浮筒式及半浮式平台,解决离岸风机水深超过50m设置难题,扩大了离岸风场设置范围,增加再次生产的能源的开发。挪威提出创新浮式吊桥构想,解决深海床桥梁基础的配置问题。浮式基础采用张力脚平台,经评估是可行性方案,只有在极端气候下(如台风、海啸、地震等)需考虑桥梁的安全性及稳定性,并制定运营阶段暂停通车的封桥标准。
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