仇明，勾俊峰，李英杰，高航，王振剛，顏建軍，張永康，霍小劍

(1.啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；3.中建材凱盛機(jī)器人四川有限公司，四川 內(nèi)江 641000；4.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；5.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

海上風(fēng)電安裝平臺(tái)是開發(fā)海上風(fēng)電的關(guān)鍵裝備，工作環(huán)境較為惡劣，除了受到平臺(tái)自身重量的影響外，還受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的影響。因此，在海上風(fēng)電安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中對(duì)其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算非常必要，尤其是對(duì)承受較高應(yīng)力的樁腿、樁靴等關(guān)鍵部位強(qiáng)度的分析[1-2]。單個(gè)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)通常需要配備多根樁腿，承受內(nèi)外載荷，為安裝平臺(tái)的穩(wěn)定性提供保障[3]。在海上風(fēng)機(jī)安裝過程中，樁腿在泥土中插入一定深度，避免風(fēng)機(jī)安裝過程中平臺(tái)的移動(dòng)或失穩(wěn)[4]。樁靴安裝在樁腿端部，直接與地基接觸，是主要受力結(jié)構(gòu)之一，作為支撐在樁腿與海底之間的基礎(chǔ)起到固定安裝平臺(tái)的作用[5]。

傳統(tǒng)樁靴有圓形、方形、多邊形和矩形等形狀[6-7]。樁靴結(jié)構(gòu)對(duì)于海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的穩(wěn)定性具有重要影響。文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了內(nèi)部含有周向和徑向加強(qiáng)板的正八邊形箱型結(jié)構(gòu)樁靴，提高了海底支撐面積，減小了樁靴插入海底的深度。文獻(xiàn)[9]中分析了六邊形樁靴和圓形樁靴的強(qiáng)度和質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)后者在減輕重量的同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有減弱。

未來海上風(fēng)電安裝平臺(tái)將向著提高適用水深、提高主吊載能力、增大主甲板可利用面積、增強(qiáng)主甲板承載能力等方向發(fā)展[10]。在深海水域進(jìn)行安裝作業(yè)，樁靴入泥深度增大，對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樁靴來說不可避免地產(chǎn)生新的問題。樁靴插入泥土深度增大，由于對(duì)海底泥土的擠壓，導(dǎo)致臨近導(dǎo)管架樁基受到的擠壓力和變形增大[11]。在粉砂質(zhì)地質(zhì)海域中，考慮到泥沙對(duì)樁腿和樁靴的沖刷，設(shè)計(jì)時(shí)采用減小樁靴尺寸和增大入泥深度的方法[12]。但是，在風(fēng)機(jī)安裝完成后，樁腿需要從泥土中拔出，較大的入泥深度也會(huì)增大拔樁難度。此外，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樁靴底部不均勻地受壓會(huì)導(dǎo)致局部承受較大載荷，出現(xiàn)應(yīng)力集中，可能發(fā)生局部破壞[13]。

針對(duì)未來超大型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)樁靴的需求，設(shè)計(jì)一種三支架型可調(diào)樁靴結(jié)構(gòu)。采用有限元軟件對(duì)比分析傳統(tǒng)方形樁靴和新型可調(diào)樁靴支撐樁腿的穩(wěn)定性，為未來海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的發(fā)展提供理論支撐。

1 傳統(tǒng)方形樁靴結(jié)構(gòu)及存在的問題

圖1是某公司研發(fā)的采用圓筒形樁腿的超大型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)施工照片。采用了典型的方形結(jié)構(gòu)樁靴，支撐著帶有定位孔的樁腿。當(dāng)海底坡度不同或者海床基巖堅(jiān)硬時(shí)，樁基礎(chǔ)的埋深淺，采用現(xiàn)有方形結(jié)構(gòu)樁靴容易出現(xiàn)平臺(tái)滑移的問題，從而影響風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。另外，在海底地質(zhì)松軟的情況下，采用現(xiàn)有方形結(jié)構(gòu)樁靴還可能出現(xiàn)因陷入泥土太深而致使拔樁不易的情況，影響平臺(tái)穩(wěn)定性[14]。

圖1 海上風(fēng)電安裝平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)施工

2 三支架型可調(diào)樁靴結(jié)構(gòu)及實(shí)施方案

本文設(shè)計(jì)了一種插樁深度可調(diào)的三支架型樁靴結(jié)構(gòu)，見圖2。這種三支架型樁靴結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)方形樁靴結(jié)構(gòu)存在明顯的區(qū)別，主要結(jié)構(gòu)包括橫向的固定板、滑動(dòng)框架、上連桿、下連桿等，其充分利用了三角形支架具有的高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。具體的實(shí)施過程：①進(jìn)行必要的勘測(cè)工作，根據(jù)不同的地形、地貌確定插樁的深度以及方形墊片的高度；②確定滑動(dòng)框架的最終位置并將插銷插入定位孔中，確定墊片高度以后將相應(yīng)方形墊片和方形齒形塊固定到相應(yīng)位置；③在樁腿插入泥土過程中借助泥土的作用力將滑動(dòng)框架固定到預(yù)定位置，同時(shí)上連桿和樁腿構(gòu)成三腳支架結(jié)構(gòu)。新型三支架型可調(diào)樁靴插樁深度主要依靠樁腿上的定位孔來控制，滑動(dòng)框架越高，插樁深度越大。

圖2 三支架型可調(diào)樁靴結(jié)構(gòu)示意[15]

3 新型可調(diào)樁靴結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及有限元建模

三支架型可調(diào)型樁靴結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)：①樁腿為圓筒形，外徑5 m、內(nèi)徑4.8 m、高度70 m；②上連桿和下連桿為外徑0.8 m的柱狀，前者高度為20 m，后者高度為6.8 m；③固定板為外徑8 m、內(nèi)徑5.1 m的圓筒形，高度0.5 m；④滑動(dòng)框架為外徑7.5 m、內(nèi)徑5.1 m的圓筒形，高度為0.5 m。樁腿材質(zhì)E690鋼，屈服強(qiáng)度690 MPa；上連桿、下連桿、固定板和滑動(dòng)框架的材質(zhì)均為D420鋼，屈服強(qiáng)度為420 MPa。三支架型可調(diào)樁靴的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程參考文獻(xiàn)[16]。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算得到的上連桿與鉛垂線的夾角范圍為[5.74°,26.8°)，下連桿與鉛垂線的夾角范圍為[11.35°,63.09°)。傳統(tǒng)方形樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：7.5 m×7.5 m×1.8 m。采用ANSYS Workbench有限元軟件分別對(duì)傳統(tǒng)方形樁靴和新型三支架可調(diào)樁靴建模，見圖3。

圖3 傳統(tǒng)方形樁靴和三支架型可調(diào)樁靴模型

4 ANSYS模擬結(jié)果分析

4.1 最大應(yīng)力分析

在最不利的組合應(yīng)力條件下校核樁腿和樁靴結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，2種結(jié)構(gòu)樁靴整體所受最大應(yīng)力隨著入泥深度的變化見圖4?？烧{(diào)樁靴的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在固定板附近，傳統(tǒng)樁靴的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在樁腿和泥面的接觸處。從圖4中可以看出，可調(diào)樁靴所受到的最大應(yīng)力隨入泥深度的增加而降低，傳統(tǒng)樁靴所受最大應(yīng)力隨著入泥深度的增加變化幅度較小?？烧{(diào)樁靴所受到的最大應(yīng)力在入泥深度較小時(shí)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)樁靴，承受較高的應(yīng)力。可調(diào)樁靴所受最大應(yīng)力約為62 MPa，傳統(tǒng)樁靴所受最大應(yīng)力約為46 MPa。最大應(yīng)力值都在所選鋼料的屈服極限范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生斷裂的情形。對(duì)于新型可調(diào)樁靴，最大應(yīng)力位置發(fā)生改變，同樣應(yīng)考慮應(yīng)力集中的問題。

圖4 2種樁靴結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力隨入泥深度的變化

4.2 最大位移分析

2種樁靴結(jié)構(gòu)支撐樁腿的最大位移見圖5。從圖5中可以看出，可調(diào)樁靴上樁腿的最大位移量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)樁靴上樁腿的最大位移量。隨著入泥深度的增加，可調(diào)樁靴上樁腿的最大位移量和傳統(tǒng)樁靴上樁腿的最大位移量都有所減小，但是變化幅度都較小?？烧{(diào)樁靴和傳統(tǒng)樁靴上樁腿的最大位移均出現(xiàn)在入泥深度最小的地方。采用可調(diào)樁靴支撐樁腿，樁腿的變形較小，可提高海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)安裝過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

圖5 2種結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的最大位移量隨入泥深度的變化

4.3 屈曲臨界載荷分析

2種結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷隨著入泥深度的變化見圖6。由圖6可見，入泥深度對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷沒有明顯的影響。在入泥深度為0.5、2.5、4.5 m情況下，可調(diào)結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷分別比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的高49%、54%、48%，三支架可調(diào)結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷。與傳統(tǒng)方形樁靴支撐樁腿相比，三支架可調(diào)樁靴支撐樁腿可以承受更高的屈曲載荷，即可以提高在較高載荷條件下海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的穩(wěn)定性。

圖6 2種結(jié)構(gòu)樁靴支撐樁腿在不同入泥深度下的屈曲臨界載荷

5 結(jié)論

1)在傳統(tǒng)方型樁靴的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型三支架可調(diào)樁靴結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)插樁深度可調(diào)。有限元模擬計(jì)算結(jié)果表明，在高的入泥深度條件下，采用新型可調(diào)樁靴支撐的樁腿能夠具有更低的最大位移和更高的屈曲臨界載荷。新型樁靴可以提高海上風(fēng)電安裝平臺(tái)在施工過程中的穩(wěn)定性和承載能力，有助于平臺(tái)向著更深海域及更高吊載方向發(fā)展。

2)新型可調(diào)樁靴的設(shè)計(jì)和有限元分析主要是建立在支撐圓筒形樁腿的前提下，由于海上風(fēng)電安裝平臺(tái)采用的樁腿結(jié)構(gòu)并不統(tǒng)一，為了揭示新型可調(diào)樁靴在應(yīng)用過程中可能存在的問題，拓展其應(yīng)用范圍，還應(yīng)開展有關(guān)新型可調(diào)樁靴支撐其它不同結(jié)構(gòu)樁腿穩(wěn)定性的分析。