錢笠君趙夕濱

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240； 2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

繞樁吊式風電安裝平臺樁腿總強度設計

錢笠君1趙夕濱2

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240； 2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

繞樁吊式風電安裝平臺較以往的風電安裝平臺具有吊幅大的特點，而樁腿強度對于自升式平臺又至關重要。文章基于結構力學基本理論和船級社具體規(guī)范規(guī)則要求，借助三維有限元分析方法，對某型繞樁吊式風電安裝平臺樁腿強度進行屈服及屈曲校核，對于計算結果進行分析，對樁腿設計進行總結，為日后類似風電安裝平臺的樁腿設計提供參考。

繞樁吊；風電安裝平臺；樁腿強度

引 言

近年來，隨著清潔能源概念的提出，風電已受到國家及社會的廣泛關注。我國海域面積遼闊，是世界上風能資源最為豐富的國家，海上風力發(fā)電在日后將占據(jù)越來越重要的地位。

風電安裝平臺作為一種移動式平臺承擔著安裝海上風機的任務。從船型特點來看，可歸為自升式平臺的一種。風電安裝平臺主要由主船體、升樁機構室、樁腿和主起重機構成。以往風電安裝平臺主起重機一般布置在尾部樁腿之間，這樣布置對于樁腿系統(tǒng)及主船體結構強度較為有利，但對于安裝操作而言，在一定程度上浪費了起重機的起重能力，而繞樁吊式安裝平臺是將主起重機布置在某個升降機構室之上。這種布置可以較為充分利用起重機的起吊能力，但是對于樁腿，升降機構及主船體的設計要求比較高。

本文從基本構件尺寸要求出發(fā)，結合規(guī)范結構設計要求，借助三維有限元分析技術對某型繞樁吊式風電安裝平臺樁腿總強度進行計算分析；進而對繞樁吊式平臺樁腿特殊的幾何截面形式、受載荷特點進行分析，并為該形式樁腿設計進行總結。

1 結構型式

本平臺為四邊形單甲板單殼船體，局部設置雙層底。平臺總長約86 m、型寬約40 m、型深約7 m，共4根樁腿，樁腿長度約80 m，最大作業(yè)水深約45 m，起重機最大起吊能力為800 t。

本平臺樁腿為方形截面，尺寸約3.8 m×3.8 m，四角為導向板結構并設置插銷孔以供升降機構升降和緊固（見圖1）。

圖1 樁腿橫剖面圖

根據(jù)規(guī)范，桿件橫截面分緊湊截面和非緊湊截面。緊湊截面系指桿件橫截面上所有受壓結構構件均滿足緊湊截面的準則要求。對于緊湊截面，由于屈服發(fā)生于屈曲之前，故可忽略局部屈曲模式的校核。非緊湊截面系指桿件橫截面上某一或全部受壓結構部件不滿足緊湊截面準則。對于非緊湊截面，應校核桿件腹板和/或翼板等結構部件的局部屈曲強度。

表1 樁腿剖面特性

對于本樁腿橫截面構件的局部屈曲校核，需按照板格長細比和板格屈曲校核的相關要求進行，但不考慮非彈性屈曲的工作模式［1-3］。

對于樁腿總體屈曲強度而言，當構件同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用時，其計算應力應滿足以下要求［4］：

當fa/ Fa＞0.15時

當fa/ Fa≤0.15時

式中：fa為計算軸向壓縮應力，N/mm2； fbx和fby分別為構件關于橫截面x軸和y軸的計算彎曲應力，N/mm2；Fa為構件許用壓縮應力，N/mm2；Fbx和Fby分別為構件關于橫截面x軸和y軸的許用彎曲應力，N/mm2；和分別為構件關于橫截面x軸和y軸的折減歐拉應力，N/mm2，表達式為E為彈性模量，N/mm2；lx和ly分別為構件關于橫剖面x軸和y軸的平面內(nèi)無支撐長度，m；rx和ry分別為構件對應于lx和ly的橫剖面回轉慣性半徑，cm；Kx和Ky分別為根據(jù)計算長度 lx端，ly端的支持情況而確定的構件的有效長度系數(shù)；Cmx和Cmy分別為對應計算彎矩平面內(nèi)屈曲時的等效彎矩系數(shù)。

2 強度校核

本平臺樁腿鋼材主要采用CCSE500、CCSA420和CCSD420高強度船用結構鋼，以減輕樁腿自重并控制總體結構重量；樁腿強度的設計除了要滿足最為基本的構件尺寸計算，還需滿足規(guī)范關于樁腿在各站立狀態(tài)下的總強度和局部強度要求。本平臺樁腿總強度校核借助三維有限元方法完成［5-6］，整體有限元模型見圖2。

圖2 整體有限元模型

模型的總體坐標系采用右手笛卡爾坐標系，坐標原點設在船尾垂線和基線相交處：

（1）X軸方向為船長方向，指向船首；

（2）Y軸方向為船寬方向，自中縱剖面指向左舷；

（3）Z軸方向為型深方向，自基線指向甲板。

計算工況選取平臺主要站立狀態(tài)，計算中考慮波流載荷、慣性載荷、P-Δ載荷、風載荷和可變載荷，共計考慮以下三種工況：

（1）作業(yè)工況；

（2）風暴自存工況；

（3）預壓載工況。

根據(jù)本平臺特點，計算來流方向選擇迎浪、隨浪、橫浪和樁腿對角線方向共八組方向（見圖3），其中繞樁吊位于2號樁腿。

圖3 浪向示意圖

經(jīng)計算，本平臺屈曲強度及屈服強度均滿足船級社規(guī)范要求，由數(shù)據(jù)結果統(tǒng)計可知：

（1）對于屈服強度，本平臺在三個工況下，風暴自存工況的屈服應力最高，其次分別是作業(yè)工況和預壓載工況，不同浪向計算工況下的樁腿屈服強度統(tǒng)計分布見圖4。

圖4 樁腿屈服強度UC示意圖

（2）對于屈曲強度，主控工況發(fā)生在風暴自存工況，且樁腿在橫浪及斜浪狀態(tài)下對于屈曲強度要求較高，不同浪向計算工況下的樁腿屈曲強度統(tǒng)計分布見圖5。

圖5 樁腿屈曲強度UC示意圖

而作業(yè)工況極值發(fā)生在繞樁吊樁腿（2號樁腿）在800 t主吊機90°舷外作業(yè)狀態(tài)，在212°、270°（與起重機吊臂方向同向）和328°三個浪向接近風暴自存工況。這一狀態(tài)既有波流載荷、DAF載荷及P-Δ載荷，同時還有主吊機由于800 t重產(chǎn)生的附加彎矩。預壓載工況由于環(huán)境載荷較小，載荷變化范圍不大，所以屈曲強度變化幅度較為均勻。

（3）由于樁腿在預壓載工況時采用對角預壓載，所以樁腿支反力在預壓載工況下最大，其次是作業(yè)工況，風暴自存工況下最小。

（4）本平臺挑選4個不同的校核點（見圖6）。

圖6 樁腿校核點示意圖

由于樁腿所受彎矩有的沿x軸，有的沿y軸；所以此處應考慮雙向彎矩造成的彎曲應力同向的極端情況。其中對于沿x軸的彎矩，點4的彎曲應力要比點1、點2和點3都大，而對于沿y軸的彎矩，點1由于板厚差距，所以彎曲應力略大于點2和點4，遠大于點3。這樣對于屈曲及屈服強度UC而言，點1與點4普遍大于點2，而點2普遍大于點3。

3 結 論

本文著重解決了繞樁吊式風電安裝平臺特有的樁腿設計問題：

（1）本平臺樁腿強度由屈曲強度和屈服強度組成。根據(jù)計算結果來看，本平臺樁腿主控強度是屈曲強度。在屈曲強度較為薄弱的區(qū)域增加板厚，適當考慮多設置抗屈曲加強筋。

（2）由于本樁腿橫剖面為非緊湊截面，所以在樁腿設計時既考慮局部屈曲的影響，又使用屈曲加強筋及沿垂向設置橫向強框架的方法來增強樁腿局部屈曲強度，此手段看來較為有效，樁腿局部屈曲強度滿足要求。

（3）對于樁腿橫剖面的設計而言，軸向應力雖然一致，但由于本平臺樁腿的特點，所以樁腿各處的彎曲應力有所差別，這樣對于屈曲及屈服強度的要求也并不一致。在樁腿橫剖面角隅處設置厚板，板厚沿邊長逐漸減薄，這樣對于減小彎曲應力的貢獻較大，對于樁腿強度較為有利。

（4）對于作業(yè)狀態(tài)的選擇，應事先進行勘探和調(diào)查，如果作業(yè)環(huán)境存在一個主浪向，應該盡量是風電安裝平臺處于迎浪和隨浪狀態(tài)，這樣對于樁腿的受力情況最為理想。如果不存在主浪向，則盡量找出最大波浪的來流方向，使平臺對于該方向處于迎浪和隨浪狀態(tài)。長期使平臺處于受橫浪及沿樁腿對角線浪向的狀態(tài)較為不利。

（5）對于繞樁吊平臺樁腿，由于較多樁腿的屈曲強度都是由繞樁吊樁腿控制，所以對于平臺布置如果可采取一些相應措施來緩解該樁腿所受的壓力，比如在船體布置時應盡可能將重型設備向主吊另一舷布置，這樣在最惡劣的情況下，船體重心所產(chǎn)生的附加彎矩可抵消起重機產(chǎn)生的部分附加彎矩，有利于樁腿屈曲強度。

［1］ 中國船級社. 海上移動平臺入級規(guī)范［S］. 北京：人民交通出版社，2012.

［2］ ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［3］ API. Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design［S］. 2005.

［4］ AISC. ASD Manual 9th Edition［S］. 1990.

［5］ 李彬，覃干景，孫青松，等.海上風電作業(yè)平臺總體強度有限元分析［J］. 船舶，2013（4）：13-19.

［6］ 孫雪榮，程維杰.自升式平臺的自由振動計算方法研究［J］. 船舶，2013（1）：45-48.

Global strength design of pile legs for wind turbine installation platform equipped with leg encircling crane

QIAN Li-jun1ZHAO Xi-bin2
(1. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The wind turbine installation platform equipped with a leg encircling crane has the advantage of the bigger lifting range than the former wind turbine installation platforms. The strength of the pile legs are most important for the self-elevating platform. Based on the basic structural mechanics and the specifi c rules of the classifi cation societies, the yield and buckling strength of the wind turbine installation platform equipped with the leg encircling crane are calculated and verifi ed by the three-dimensional fi nite element analysis. The calculation results are analyzed to summarize the design of the pile legs, which can provide reference for the design of the pile legs on the similar wind turbine installation platforms.

leg encircling crane; wind turbine installation platform; pile leg strength

U661.43

A

1001-9855（2017）02-0050-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.050

2016-09-22；

2016-10-21

錢笠君（1987-），男，工程碩士。研究方向：船舶與海洋工程。趙夕濱（1987-），男，碩士，工程師。研究方向：結構設計。