海上测风塔设计指南-海上测风塔基础设计

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

图2-1　拉线式测风塔示意图[1]（单位：m）

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。

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](www.xing528.com)

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。