摘 要：多桩承台是海上风电基础的主要形式之一，为大体积混凝土，如果产生裂缝，会因海水侵蚀影响承台耐久性。
温度荷载是产生裂缝的主要原因，温度控制是防裂的主要手段，目前承台混凝土的温度控制设计参照水运部门的相关规范。
为了把握海上风电承台的温度特性，对河北乐亭菩提岛、福建福清兴化湾两个海上风电场共28个基础承台的温度过程进行了现场观测，对实测温度数据进行了统计分析，并以兴化湾典型承台为代表进行了温度场仿真分析。
结果表明：(1)承台混凝土发热快，水化热温升高，2～3 d即达到最高温度，最大水化热温升可达60℃以上，致使内部最高温度可达90℃以上；(2)内外温差大，实测最大内外温差可达40～45℃;(3)降温速率快，温度降幅大，实测最大降温速率达到5℃/d以上；(4)仿真分析结果表明，承台浇筑3个月后温度即可降至准稳定温度，内部最大温度降幅可达80℃以上，比表面的温度降幅高30℃,这种温度变化会在承台表面产生压应力，在内部产生拉应力，存在内部产生裂缝的风险。
上述几个温度指标均已远远超出设计采用的水运部门相关规范规定的温控标准，因此有必要在进一步研究温度应力规律的基础上研究标准的适应性，制定适应于海上风电混凝土承台的温控标准和措施，并编制相应规范。
关键词：海上风电承台;大体积混凝土;实测温度;标准;仿真;作者简介：张国新(1960—),男，正高级工程师，博士，主要从事水工结构研究。
基金：中国三峡新能源(集团)股份有限公司科研项目(FQHX/0052-2020);陕西省水利科技项目(2019slkj-B2);引用：张国新，黎扬佳，项建强，等． 海上风电混凝土承台温度特性监测与仿真分析［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 3) : 1-10 . ZHANG Guoxin，LI Yangjia，XIANG Jianqiang，et al． Monitoring and simulation analysis of temperature characteristics of concrete pile-cap foundation for offshore wind turbine［J］. Water Ｒesources and Hydropower engineering，2022，53( 3) : 1-10.0 引 言海上风电是重要的清洁能源，截止2021年12月底，我国海上风电总装机已达10.45GW,根据规划，全国十四五期间海上风电新增装机将超过32 GW。
海上风电机组基础结构形式有重力式、单桩基础、三脚桩基础、高桩承台基础、导管架基础等，其中高桩承台基础又称“群桩式高桩承台基础”,也是海岸码头和桥墩基础的常见结构。
据统计，我国已建在建海上风电高桩承台基础占比26%以上。
高桩承台基础由基桩和上部混凝土承台组成，承台体型一般为短圆柱形，直径15 m左右，厚度一般在5 m左右，为大体积混凝土结构。
承台混凝土强度等级高，一般为C40以上，胶凝材料用量大，水化发热量大、发热快。
受混凝土浇筑施工条件限制和海上风浪及天气条件影响，承台混凝土有效施工时间较短，陆上大体积混凝土行之有效的低温浇筑等温控措施往往难以应用，通水冷却也多限于天然水冷。
海上风机基础位于侵蚀性海水环境之中，受风机和波浪等交变循环荷载作用，其温度裂缝产生后对结构整体刚度、抗疲劳性能及长期耐久性影响较大,因此承台施工期的温控防裂是一项重要工作。
同其他大体积混凝土结构类似，承台混凝土施工过程中的温控防裂措施，主要是控制混凝土的最高温度、内外温差及降温速率三个关键指标,若上述几个关键指标控制不当，极易引起结构表面或者内部应力超标，导致出现裂缝。
目前对海上风电承台大体积混凝土温控特性的系统研究成果较少，且主要采用数值模拟的手段。
聂亚楠等以上海临港海上风电Ⅱ期工程为例，通过有限元计算研究了温控防裂措施。
朱德华等结合福建龙源莆田南日岛海上风电项目，利用有限元法分析了承台混凝土温度和应力特点，提出了温控标准和措施建议。
目前，海上风电承台的温控设计没有专门标准，主要参考《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1-2010),但是现场温度监测资料分析表明，水运工程的相关规范与海上风电承台存在一些不适应性,难以直接用于指导承台温度控制设计、施工和质量验收。
因此，系统研究海上风机基础大体积混凝土温度和应力的发展规律，分析其影响因素，建立合理的海上风机承台混凝土温度控制标准，总结承台混凝土施工工艺，完善适应海上风机承台混凝土施工条件的温度控制措施，有利于指导现场施工，提高施工质量，保障长期运行安全。
基于上述考虑，长江三峡集团福建能源投资有限公司组织设计、施工及科研单位，在河北乐亭海上风电场、福建福清兴化湾海上风电场共选取28个承台，布置了温度自动观测系统，取得了大量观测数据。
本文介绍了两个风电场的实测温度资料，通过对数据的统计分析，研究风电承台大体积混凝土施工过程中最高温度、内外温差、降温速率等温度指标的变化特点，并对典型承台进行了数值模拟。
基于观测和数值模拟结果探讨了海上风电承台温度发展规律，为制定风电承台混凝土施工的温控标准和温控措施提供依据。
1 海上风电承台结构形式高桩承台基础又称“群桩式高桩承台基础”,由基桩和上部承台组成。
下部为深入基础的钢管桩，根据实际的地质条件和施工难易程度，可做成不同数量的桩，钢管桩整体向内有一定角度的倾斜，与承台固端连接，形成承台、桩、土共同受力体系。
承台为圆盘形现浇钢筋混凝土结构。
该种基础结构刚度较大、稳定性好、抗水平位移能力强，适用于 20 m 以内浅海域。
本文的研究对象主要是唐山乐亭海上风电承台和福建福清兴华湾海上风电承台。
唐山乐亭菩提岛海上风电场300 MW示范工程位于河北省唐山市京唐港与曹妃甸港之间乐亭县海域，风电场装机总容量为300 MW,共安装75台单机容量为4 MW风机机组。
风机基础设计形式为高桩混凝土高承台基础结构，单个承台桩基共8根直径ϕ2 000 mm的钢管桩，钢管桩长度85.0～94.0 m。
8根基桩在承台底面沿半径R=5.5 m的圆周均匀布置，斜度为5∶1,承台结构如图1所示。
承台分两节，下节为直径15.0 m, 高度3.00 m的圆柱体，上节为上直径12.0 m、下直径15.0 m的圆台体。
基础混凝土为强度等级C45的高性能抗冲耐磨抗冻海工混凝土。
每座承台混凝土量约为750 m3,采用一次浇筑成型。
图1 乐亭海上风电承台结构示意福清兴化湾海上风电场位于福建省福清县兴化湾内，总面积约48.6 km2,共有45台风机，其中42台采用高桩承台基础型式。
承台直径15.6 m, 总厚度5.5 m, 为强度等级C45的高性能海工混凝土，单台混凝土总量1 050 m3,配筋为环向39ϕ25@150,径向ϕ32@2.769°,承台下部设置0.8 m厚封底混凝土。
高桩承台单台基础共有6根钢管，外径1 900 mm, 壁厚28～40 mm, 空间斜度为6∶1,钢管桩填芯采用钢筋混凝土，结构如图2所示。
图2 兴化湾海上风电承台结构示意2 承台混凝土温控标准和温控措施参考水运部门的《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1-2010),主要控制指标如下：(1)承台浇筑温度≤30 ℃,不低于5 ℃;(2)混凝土在入模温度基础上的温升值≤50～60 ℃;(3)承台内部最高温度≤70 ℃;(4)混凝土内外温差≤25 ℃;(5)混凝土表面养护水温度与混凝土表面温度差≤15 ℃;(6)冷却水温度与混凝土内部温度之差≤25 ℃;(7)混凝土降温速率不宜超过2.0 ℃/d。
温控措施主要有通水冷却、屯水养护和上表面保温，入模温度控制靠拌和站材料遮阳、喷水降温、低温时段拌和等简单措施。
乐亭风电承台水管分区域布置，如图3所示，塔筒内高度方向设置3圈水管矩形布置，水管距离基础环1.0 m, 距离底层1.0 m, 距离顶层0.7 m, 水管间距为1.4 m; 基础环外布置3层水管，水管距离基础环1.0 m, 距离底层1.4 m, 距离顶层0.7 m, 距离承台外侧表面0.8 m, 采用内径5 cm的钢管，通水流量30 L/min以上，通水时间不大于15 d。
图3 乐亭风电承台冷却水管布置兴化湾风电承台的水管布置为垂直方向4层，水平方向4圈，冷却水管采用外径ϕ48 mm壁厚2.5 mm的薄壁钢管，每层冷却水管水平方向按照在钢套箱侧模板与钢管桩之间、钢管桩与锚栓笼之间布置多边形联通水管管路，冷却水管距混凝土表面不大于1.0 m, 每根冷却水管长度不宜超200 m(见图4)。
冷却水在混凝土初凝前采用海水、初凝后采用淡水，通水流量30 L/min以上，当混凝土内部温度小于35 ℃,同时混凝土内外温差小于25 ℃时，停止通水冷却。
承台顶混凝土表面利用高出承台结构顶部(H=35 cm)钢套箱侧模板蓄淡水养护。
图4 兴化湾风电承台冷却水管布置(高程单位：m; 尺寸单位：mm )3 承台混凝土温度观测及结果分析3.1 测点布置各风电场均选取代表承台埋设温度计进行了温度场观测。
兴化湾共观测13个承台，每个承台混凝土中共布置8层、每层6个温度监测点，层间距0.65～1.00 m, 水平测点间距1.5～1.6 m。
乐亭共观测了15个承台，传感器竖向布设4层，每层间隔1.0 m, 每层布置7个测点(见图5)。
表面测点布置于离上表面或侧表面5 cm处。
另外还布置了环境温度监测点、冷却水水温测点、养护水水温测点。
图5 乐亭风电承台温度测点布置3.2 承台温度变化过程如图6所示，承台混凝土浇筑后温度快速上升，2 d左右内部温度即可到达峰值，其后在通水冷却和表面散热作用下快速下降，16 d龄期时温度可下降20～40 ℃,降温速率平均2.5 ℃/d以上。
表面(5 cm处)在升温早期与内部接近同步，到达峰值后即随表面散热而降温，表面温度峰值可比内部低30～40 ℃,因而形成内高外低的温差。
图6 海上风电承台典型温度过程3.3 实测温度规律统计分析基于兴化湾13个承台，乐亭15个承台的实测结果，采用统计分析的方法研究承台温度变化规律，主要包括施工期承台的最高温度、内外温差及降温速率的变化规律。
3.3.1 最高温度与水化热温升两个风电场承台实测最高温度与水化热温升如图7所示。
兴化湾风电场所选13个承台是春夏两季不同月份浇筑，横轴为浇筑月份[见图7(a)]。
乐亭菩提岛15个承台都是在7月、10月两月施工，环境温度相近，因此横轴为承台序号[见图7(b)]。
兴化湾承台的最高温度呈现出较强的月份相关性，即夏季浇筑的承台温度明显高于冬季，13个承台的最高温度在71.4～91.2 ℃,平均83.2 ℃(见表1)。
乐亭菩提岛15个承台的温度与季节无明显相关性，最高温度在64.2～79.4 ℃,平均75.4 ℃。
图7(a)和图7(b)的下部点为最大水化热温升，两个工程的最大水化热温升均呈较好的均匀性，变化幅度明显小于最高温度且与浇筑季节无关，兴化湾承台的水化热温升为52.8～61.4 ℃,平均57.7 ℃,乐亭菩提岛为45.1～51.2 ℃,平均47.9 ℃。
兴化湾风电场承台的最高温度较菩提岛高出10 ℃。
该差距大部分来自于水化热温升，由此可见控制材料的发热量是控制温度的重点之一。
图7中的最高温度和水化热温升的设计标准为70 ℃和60 ℃。
在最高温度方面，兴化湾全部超标，乐亭菩提岛承台只有1个符合规程要求，而水化热温升只有兴化湾项目的4个承台超过了 60 ℃的设计标准。
图7 承台内部最高温度与水化热温升最高温度出现的龄期反应了水化放热的速率。
兴化湾承台的最高温度出现在1.88～4.46 d, 平均2.54 d, 菩提岛承台的最高温度出现在1.81～3.02 d, 平均2.33 d, 两个工程相近，说明采用混凝土的水化热速率相近，其发热快、峰值龄期早的特性，加大了通水冷却措施控制峰值的难度，同时表面散热对降低中心温度作用的迟后性，使表面散热对控制温度峰值的作用难以发挥。
3.3.2 内外温差对于承台混凝土来说，内外温差是产生温度应力，进而产生裂缝的主要原因，图8给出了两个风电场承台的最大内外温差及出现的龄期统计结果。
兴化湾风电场承台观测的最小内外温差为31.1 ℃,最大为45 ℃,平均为38.1 ℃,全部超出水运规范[18]的25 ℃标准，最大超标20 ℃。
菩提岛风电场承台温差的实测结果最小为23.1 ℃,最大为42.6 ℃,平均为36 ℃,只有一个承台满足文献[18]规范标准。
图8 最大内外温差及出现天数[18] 中华人民共和国交通运输部.水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程：JTS 202-1-2010 [S].北京：人民交通出版社，2010.Ministry of Transport of The People′s Republic of China.Technical specification for temperature crack control of mass concrete in water transportation engineering:JTS 202-1-2010 [S].Beijing:People′s Communications Press,2010.由图8可以看出，最大内外温差并不出现在内部温度最高之时，而是有一定的滞后。
兴化湾最大内外温差出现在1.83～5.63 d, 最大内外温差出现的平均天数为3.36 d, 比内部最高温度平均迟后0.82 d。
菩提岛最大内外温差出现龄期为2.7～7.0 d, 平均为5.8 d, 比内部最高温度出现的平均龄期晚2.47 d。
最大温差出现迟后有利于温控防裂，可以利用增长的混凝土强度抵抗温度应力。
3.3.3 降温速率图9、图10为风电场承台实测降温速率。
横轴为以开始降温为起点的龄期，纵轴为降温速率，水运规范中规定降温速率标准为不宜超过2 ℃/d。
但是兴化湾和乐亭均有37%以上的时间降温速率超2 ℃/d。
兴化湾降温速率超标比较严重，其中降温速率超过2 ℃/d的时间为58%,超过3 ℃/d的占比35%,部分承台降温速率达到5 ℃/d以上。
图9 乐亭承台内部最高温度过后降温速率统计图10 兴化湾承台内部最高温度过后降温速率统计通过对两个风电场共28个承台实测温度的分析可知，两个风电场的3个主要温控指标，即最高温度、内外温差、降温速率均大范围超标。
因此，建设管理单位组织施工、监理等单位对承台可能出现表面裂缝进行了全面检查，但并未发现裂缝。
分析原因发现，承台温度和应力有其特殊性：(1)由于外部约束仅来自于基桩，约束小；(2)应力主要来自于内外温差，温差最大时刻龄期早、弹模低且尚未拆模，内外温差应力不足以产生裂缝；(3)自降温开始内部温度降幅大于表面，在表面产生压应力增量。
因此表面未见裂缝是可以理解的。
根据上述统计结果可见，《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1-2010)直接应用于承台混凝土温度控制具有一定的不适应性。
由于内部温度最低时最大温度降幅可达80 ℃,产生内大外小的降温幅度，会在内部产生较大的拉应力，有引起内部裂缝的可能性，这个问题需要进一步研究。
4 承台温度特性仿真分析4.1 参数及模型利用温度场仿真分析软件SAPTIS,取兴化湾风场典型承台为代表进行参数反演(见图11),在此基础上对承台混凝土温度场进行了全过程仿真模拟分析。
图11 数值仿真模型利用承台实测温度数据和记录温控措施数据，用有限元仿真分析方法反演了温度参数，包括表面散热系数，最大绝热温升Q0和发热速率α、β。
绝热温升模型采用水化度指数模型如下式中，τ为混凝土龄期；R=5 000 K;TR=20 ℃ 。
通水冷却已有完整的记录数据，不再反演。
获取的混凝土热力学参数如表3所列。
以兴化湾35#承台为例，该承台于2019年6月29日浇筑，平均浇筑温度为30.86 ℃,自混凝土入模开始通水冷却，水温为29 ℃。
4.2 全过程温度历程图12为内部和表面测点的实测温度与计算温度的比较，可以看出两者吻合良好，计算结果反映了承台的温度过程。
图12 温度仿真结果与监测结果对比图13为兴化湾承台长期温度过程线，表面点的温度与气温接近，在后期随气温周期变化。
内部点的温度达到峰值后快速下降，浇筑3个月后水化热影响基本消失。
35#承台6月底份浇筑，10月份内部温度即与后期准稳定温度相近，其后随年变化气温周期性变化，温度的相位较气温有40～50 d的滞后。
图13 兴化湾海上风电承台典型温度过程内部最低温度出现在3月份，与多年平均月最低气温相近。
图13给出了内外温差，最大内外温差出现在早龄期，与内部温度最高时刻略微滞后，其后随内部温降而减小，到浇筑3个月后内外温差接近运行期。
由图13中内部点最大温度降幅曲线可知，随着内部温度的下降，温度降幅增大，到第一个冬季后即出现最大温度降幅，其后随着气温变化，高温季节降幅减小，低温季节降幅增大，相位较气温有所滞后。
4.3 温度分布取一穿过承台形心的铅直截面，画出特征温度分布如图14所示，包括最高温度、最大水化热温升、最低温度和最大温度降幅。
最高温度可达92 ℃出现在承台中偏下部。
由图14(b)所示的最大水化热温升可知，承台的高温主要来自于水化热温升，内部最大水化热温升可达62 ℃,靠近表面的温升小于内部为40 ℃,说明表面散热对降低温度有一定的贡献。
承台内部等值线下凹，不管是最高温度还是最大水化热温升，均略低于外侧，表明内部冷却水管略密，对降低水化热温升有一定作用。
图14 竖直剖面特征温度分布图14(c)为最低温度分布，全承台最低温度接近，在11～12 ℃之间，此温度略高于最低月均气温值10.5 ℃,说明厚度5 m的混凝土承台冬天基本能够冷透。
由图14(d)所示的最大温降分布可知，内部最大降温幅度可达80 ℃以上，表面温降幅度50 ℃,即内部降温比外部降温大30 ℃,这种降温分布会在表面引起压应力，有利于表面防裂，但同时会在内部产生拉应力，有导致内部裂缝的风险。
5 结 论本文通过对福建福清兴化湾和河北乐亭菩提岛两个海上风电场共28个承台的实测温度分析及典型承台的数值模拟，得到如下几点认识：(1)承台混凝土发热快，水化热温升高，承台最高温度高。
2～3 d即达到最高温度，最大水化热温升可达60 ℃以上，致使通水冷却和表面散热削减温度峰值的作用难以充分发挥，内部最高温度可达90 ℃以上。
(2)内外温差大。
兴化湾风电场承台最大内外温差45 ℃,平均38.1 ℃,菩提岛风电场实测最大内外温差42.6 ℃,平均36 ℃。
两个风电场28个承台的内外温差只有一个满足25 ℃的设计标准，其余全部超标，最大超标20.0 ℃。
(3)降温速率大。
分析了28个承台共600多支温度计14 d内的温降速率，每天降温超过2 ℃的测点达45%以上，最大降温速率超过5 ℃/d, 两个风电场28个承台只有4个承台降温速率小于2 ℃/d。
(4)仿真分析结果表明，承台浇筑3个月后温度即可降至准稳定温度，内部最大温度降幅可达80 ℃,比表面的温度降幅高30 ℃,这种温度变化会在承台表面产生压应力，在内部产生拉应力，有在内部产生裂缝的风险，需要进一步研究。
(5)相对设计参照的《水运工程大体积混凝土裂缝控制技术规程》(JTS 202-1-2010),实测承台的最高温度、内外温差和降温速率均大幅超出标准，但检查未见表面裂缝，说明水运工程的温控标准对于海上风电承台的温度防裂存在不适应性，应在进一步研究温度应力的基础上制定承台大体积钢筋混凝土温度控制标准，并研究相应的温控措施。
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