王小路

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.019

摘 要：海上風(fēng)電安裝平臺需要在船塢進(jìn)行頂升試驗(yàn)，由于樁靴與塢底直接接觸面積小，為了對樁靴本身和船塢塢底進(jìn)行保護(hù)，擬在樁靴和塢底之間增加一個(gè)砂箱，以加大樁靴與塢底的受力面積，并通過有限元分析計(jì)算和砂箱模型試驗(yàn)來確認(rèn)砂箱強(qiáng)度，同時(shí)確定了砂層厚度較小時(shí)鋼圍壁變形會更小且砂子不會從砂箱中溢流的問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電 樁靴 塢底 砂箱

中圖分類號：TG24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0019-02

海上風(fēng)電由于資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高和不占用土地資源等多種優(yōu)勢，目前在國內(nèi)正在大面積被開發(fā)利用[1]，各船企都在爭相建造海上風(fēng)電安裝平臺。該文論述的是國內(nèi)某船廠目前正在建造的一艘自升式海上風(fēng)電安裝平臺，為了將提升過程中遇到的問題在船塢內(nèi)解決，需要在塢內(nèi)完成初步的頂升試驗(yàn)。此平臺共布置4條樁腿，空船重量約14 000 t，當(dāng)在塢內(nèi)進(jìn)行頂升時(shí)單個(gè)樁靴下部的塢底承受壓力約3 500 t。由于樁靴與塢底直接接觸面積小，直接頂升塢底受力將達(dá)到108.5 t/m2，勢必會對塢底和樁靴造成破壞（該船塢設(shè)計(jì)壓力55 t/m2）。增加砂箱后的樁靴使塢底受力將減小到40 t/m2，根據(jù)受力情況進(jìn)行了有限元分析的理論計(jì)算[2]，同時(shí)建造了1∶10的模型使用油壓機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果都表明砂箱強(qiáng)度滿足使用要求。

1 有限元分析

根據(jù)砂箱的結(jié)構(gòu)圖，圍壁材料使用Q245普通鋼，板厚10 mm，因?yàn)樯跋涫褂脮r(shí)直接放在塢底，因此對砂箱底面進(jìn)行約束，并據(jù)此條件建立模型。根據(jù)前文描述，增大后的樁靴使塢底受力將減小到40 t/m2，即樁靴底部壓強(qiáng)0.4 MPa。樁靴底部四周傾斜，船長方向傾斜10°，船寬方向傾斜12°。計(jì)算時(shí)取最大值12°，根據(jù)計(jì)算傾斜處的側(cè)向力為2 580 kN。有限元分析時(shí)取砂層高度1.54 m，面1、3受力的面積為18.48 m2，面2、4受力的面積為22.48 m2，因此分別在4面圍壁上施加壓強(qiáng)載荷，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。砂箱圍壁受力集中在圍壁中心靠近底部的位置及4個(gè)角的靠上位置處，最大值在面1、3中心靠近底部的位置，應(yīng)力為109 MPa，小于使用鋼材的許用值235 MPa，安全系數(shù)為2.15，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2 砂箱模型試驗(yàn)

根據(jù)該平臺樁靴和砂箱的形狀，設(shè)計(jì)建造了1∶10的模型，使用油壓機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以確定砂箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足使用要求。試驗(yàn)中模擬了不同壓力、不同砂層高度等幾種情況。砂箱模型，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

（1）第一次試驗(yàn)，砂層厚度980 mm，試驗(yàn)壓力根據(jù)未來樁靴對塢底造成的最大壓力40 t/m2進(jìn)行計(jì)算，即：

F=1 300 mm×1 040 mm×40 t/m2=54 t

試驗(yàn)中緩慢逐步增加壓力至54 t，砂箱和砂子無明顯變形，砂子中間有略微下陷。

（2）第二次試驗(yàn)，砂層厚度980 mm，試驗(yàn)壓力最大值200 t，試驗(yàn)中緩慢逐步增加壓力，當(dāng)壓力增到到160 t時(shí)，砂箱鋼圍壁出現(xiàn)明顯鼓脹，試驗(yàn)壓力增大到200 t時(shí)停止，砂子中間有明顯下陷，砂子無明顯變化，砂子四周上升約20 mm。

（3）第三次試驗(yàn)，砂層厚度540 mm，試驗(yàn)壓力最大值270 t，試驗(yàn)中緩慢逐步增加壓力，當(dāng)壓力增到到250 t時(shí)，砂箱鋼圍壁出現(xiàn)略微鼓脹，試驗(yàn)壓力增大到270 t時(shí)停止，砂子中間有明顯下陷，砂子無明顯變化，砂子四周上升約30 mm。

3 結(jié)語

（1）試驗(yàn)表明砂層在上述試驗(yàn)狀況下，在密實(shí)且有側(cè)限的情況下承載力可提升較多，可滿足荷載要求。

（2）因試驗(yàn)時(shí)砂箱內(nèi)的砂子未做密實(shí)處理，特別是表層較松散，加載時(shí)初設(shè)沉降較大，周邊砂上升現(xiàn)象明顯，隨著沉降量加大，砂密實(shí)度提高，砂承載力明顯增大。建議實(shí)際施工砂箱內(nèi)裝砂時(shí)，盡量保證砂層密實(shí)，減少沉降，加載時(shí)應(yīng)逐級加載，使砂密實(shí)。

（3）砂箱側(cè)壁壓力較大，砂箱設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮側(cè)壁剛度、變形量，減少因側(cè)壁變形引起的砂層沉降；

（4）通過有限元理論分析計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)的砂箱可以滿足此重量和樁靴面積的平臺塢內(nèi)提升站樁使用，同時(shí)也為其他自升式平臺的不同大小的樁靴和不同重量的船舶提供了參考方案和試驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭宇星.我國海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀及對策建議[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（9）：15-16.

[2] 白勇輝，張吉，馮昌寧.自升式平臺樁靴砂箱設(shè)計(jì)研究[J].中國海洋平臺，2014（4）：9-13.