毛金銳

（中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程的加快，在用地愈發(fā)緊張的密集型城市周邊，開發(fā)、改造大型風力發(fā)電項目已成為一種必然趨勢，諸如山頂風力發(fā)電、海上風力發(fā)電等[1]。目前，隨著國家擴大海洋開發(fā)的規(guī)模，海上風電施工項目逐漸增多，項目離岸也越來越遠，隨之而來的對于外海超大型鋼管樁沉樁穩(wěn)樁平臺施工技術(shù)的改進需求也就越發(fā)緊迫。

穩(wěn)定可靠的海上風電單樁穩(wěn)樁平臺是保證單樁垂直度的關(guān)鍵，目前國內(nèi)所采用的穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)形式主要有自升式平臺船外加懸挑抱樁器[2]、移動式平臺船頭配置穩(wěn)樁平臺、坐底式外抱樁器穩(wěn)樁平臺等三種[3]。為適應(yīng)不同水深工況條件下的大直徑鋼管樁沉樁，本文將對傳統(tǒng)穩(wěn)樁平臺形式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，致力于研究出一種可滿足20～40 m水深施工條件的坐底式內(nèi)置抱樁器單樁穩(wěn)樁平臺。

2 坐底式穩(wěn)樁平臺

坐底式穩(wěn)樁平臺是輔助外海超大型鋼管樁沉樁施工的專用導向裝置[4]，其結(jié)構(gòu)形式主要由上部操作平臺、中部連接段[5]、下部防沉結(jié)構(gòu)、4根臨時定位樁、油缸導向裝置（含液壓系統(tǒng)）等五部分組成，總高度為55.198 m。上部操作平臺主要通過上、下兩層平臺各安裝4個大型油缸以滿足超大型鋼管樁沉樁時的糾偏能力；中部連接段共設(shè)置5節(jié)采用法蘭螺栓連接的標準段，通過標準節(jié)段的增減，滿足20～40 m水深的單樁施工要求；下部防沉結(jié)構(gòu)通過設(shè)置防沉板，將平臺底部支撐桿件伸長2.25 m插入泥中，保持穩(wěn)樁平臺坐底時穩(wěn)定[6]。坐底式單樁穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)

2．1 打樁導向能力

（1）打樁直徑：6.0～10.0 m。

（2）水平調(diào)整能力：±0.5 m（油缸伸縮方向）。

（3）糾編能力：上、下層各4個300 t單油缸實現(xiàn)糾偏。

（4）喂樁方式：側(cè)向喂樁。

2．2 作業(yè)環(huán)境

（1）作業(yè)水深：20～40 m。

（2）工作時水流速度：≤1.3 m／s。

（3）工作風速：≤20 m／s。

（4）非工作時水流速度：≤2.2 m／s。

（5）非工作最大風速：55 m／s。

（6）拖航環(huán)境：船舶橫傾 15°、縱傾 5°，風速≤28 m ／s。

3 針對外海風電場不同水深時穩(wěn)樁平臺高度適應(yīng)性分析

外海風電場不同水深時穩(wěn)樁平臺高度適應(yīng)性見表1[7]。

表1 外海風電場不同水深時穩(wěn)樁平臺高度適應(yīng)性分析

4 各工況下穩(wěn)樁平臺適應(yīng)能力分析

坐底式單樁穩(wěn)樁平臺將從運輸、吊運、安裝、插入定位樁、入樁穩(wěn)定等不同工況及相應(yīng)的荷載工況進行適應(yīng)能力分析[8]。

建模分析軟件采用ANSYS18.0。穩(wěn)樁平臺及定位樁均采用梁單元Beam188整體建模，穩(wěn)樁平臺與定位樁通過節(jié)點耦合方式連接，上層油缸平臺耦合UX、UY、UZ三個方向自由度，下層油缸平臺耦合UX、UY兩個方向自由度。導向油缸用質(zhì)量單元MASS21模擬，與相應(yīng)梁結(jié)構(gòu)區(qū)域建立剛性區(qū)域。整體模型如圖2所示。

圖2 坐底式單樁穩(wěn)樁平臺模型

4．1 定位樁未安裝時穩(wěn)樁平臺放置工況（工況1）

4根定位樁未安裝，穩(wěn)樁平臺置于海床面。穩(wěn)樁平臺承受自重載荷、風載荷及水流沖擊。校核結(jié)構(gòu)強度、剛度及平臺抗傾覆穩(wěn)定性。

由圖3可知，穩(wěn)樁平臺綜合應(yīng)力為96 MPa，小于此工況下的許用應(yīng)力252 MPa，滿足要求。最大綜合位移42 mm，位于頂部導向鋼管處。

圖3 工況1平臺應(yīng)力云圖

4．2 定位樁依次安裝時平臺放置工況（工況2）

此工況穩(wěn)樁平臺放置于海床面，平臺承受自重載荷、工作風載荷及水流沖擊。4根定位樁依次安裝并靠自重沉入海床面（沉入深度依地質(zhì)情況不同而定，本計算中擬定為8 m），定位樁承受水流沖擊和風載荷。此工況依次校核安裝第1根～第4根定位樁后的平臺抗傾覆穩(wěn)定性。

因平臺縱向和橫向外部載荷值較接近，且橫向載荷值稍大，此工況僅校核平臺橫向抗傾覆穩(wěn)定性[9]。

經(jīng)計算：∑橫向穩(wěn)定力矩＝8 041 t·m。

∑橫向傾覆力矩＝1 812 t·m。

橫向穩(wěn)定系數(shù)＝∑橫向穩(wěn)定力矩／∑橫向傾覆力矩＝4.4，校核通過。

4．3 打樁作業(yè)工況（工況3）

此工況4根定位樁已插打入海床面以下25 m，穩(wěn)樁平臺自重由海床面承載，作業(yè)載荷由導向油缸承載，4根定位樁承受平臺自重載荷、水流力、導向油缸推力300 t，作業(yè)工況按無風作業(yè)和有風作業(yè)分別計算。

打樁作業(yè)加載工況，平臺最大綜合應(yīng)力209 MPa，定位樁最大綜合應(yīng)力107 MPa，小于此工況許用應(yīng)力223 MPa，滿足要求。最大綜合位移147 mm。工況3應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 工況3平臺應(yīng)力云圖

4．4 定位樁掛在穩(wěn)樁平臺上豎直吊裝工況（工況4）

4根定位樁掛在穩(wěn)樁平臺上整體起吊，平臺及定位樁承受自重載荷以及泥土層對定位樁的吸附力。校核結(jié)構(gòu)強度及整體吊點局部強度[10]。

定位樁導向鋼管及吊點部位采用SHELL單元模擬，其余采用BEAM188模擬，定位樁重量通過質(zhì)量單元MASS21施加于導向鋼管頂端。梁單元最大綜合應(yīng)力166 MPa，導向鋼管及吊點部位最大綜合應(yīng)力240 MPa，均小于許用應(yīng)力252 MPa，滿足要求。工況4應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 工況4平臺應(yīng)力云圖

4．5 穩(wěn)樁平臺吊裝翻身工況（工況5）

平臺頂部有4個整體吊點，下部有2個輔助翻身吊點，整體起吊空中翻身。校核穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)強度及整體吊點局部強度。

此工況先采用梁單元整體模擬計算，然后對導向鋼管及翻身吊耳做局部SHELL63單元建模計算。

梁整體模型最大綜合應(yīng)力148 MPa，導向鋼管及吊點部位最大綜合應(yīng)力243 MPa，均小于許用應(yīng)力252 MPa，滿足要求。工況5應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 工況5平臺應(yīng)力云圖

4．6 拖航工況（工況6）

4根定位樁不掛在穩(wěn)樁平臺上，穩(wěn)樁平臺水平放置在船上拖航[11]。穩(wěn)樁平臺承受自重載荷、風載荷及拖航動載荷（垂直加速度為4.408 m／s2，水平縱向加速度為0.759 m／s2，水平橫向加速度為6.340 m／s2），船舶橫傾12o、縱傾5o，風速≤28 m／s。

此工況平臺最大綜合應(yīng)力275 MPa，小于許用應(yīng)力291 MPa，滿足要求。最大應(yīng)力發(fā)生于支腿后部支撐點處。平臺最大綜合位移223 mm。工況6應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 工況6平臺應(yīng)力云圖

4．7 定位樁插打后穩(wěn)樁平臺放置于海床面抗臺風工況（工況7）

此工況4根定位樁已插打完成，穩(wěn)樁平臺放置于海床面，4根定位樁和穩(wěn)樁平臺共同承受自重載荷、臺風載荷及水流沖擊。4根定位樁承受波浪力。

此工況平臺最大綜合應(yīng)力255 MPa，定位樁最大應(yīng)力225 MPa，均小于許用應(yīng)力291 MPa，滿足要求。平臺最大綜合位移426 mm。工況7應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 工況7平臺應(yīng)力云圖

5 穩(wěn)樁平臺施工操作要點分析

坐底式單樁穩(wěn)樁平臺施工工藝流程如圖9所示。

圖9 坐底式單樁穩(wěn)樁平臺施工工藝流程

（1）配套駁船將穩(wěn)樁平臺和定位樁運輸至機位處，單樁穩(wěn)樁平臺起吊翻身直立采用兩臺起重船配合，主起重船起吊平臺上部結(jié)構(gòu)4處吊點，輔起重船起吊平臺下部2處吊點。翻身直立過程如圖10所示。

圖10 穩(wěn)樁平臺起吊翻身直立

（2）平臺翻身完成后利用GPS定位將定位平臺安放在機位處，當穩(wěn)樁平臺抱樁器中心坐標與鋼管樁中心坐標誤差在1 m內(nèi)時，起重船吊臂放纜使穩(wěn)樁平臺入水，當穩(wěn)樁平臺底部距泥面1 m左右停止放纜。穩(wěn)樁平臺穩(wěn)定后通過起重船緩慢絞纜進行精確定位，使抱樁器中心與鋼管樁中心重合后繼續(xù)放纜沉放穩(wěn)樁平臺。當穩(wěn)樁平臺不在自沉穩(wěn)定后，插入一根輔助樁，然后采用振動錘沉樁，逐根打入。為有效控制定位樁沉樁過程中穩(wěn)樁平臺偏位，定位樁打設(shè)順序按對角線進行。

（3）穩(wěn)樁平臺定位樁全部沉樁到位后，進行穩(wěn)樁平臺的提升與固定，使之與支撐樁固定，形成獨立、穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)框架平臺。

（4）穩(wěn)樁平臺不論是采用起重船提升，還是采用支撐樁吊掛系統(tǒng)提升，提升過程必須保證整齊平行提升，防止穩(wěn)樁平臺與支撐樁別卡，造成提升困難或結(jié)構(gòu)損壞。

（5）以設(shè)計鋼管樁標高為參照，確定穩(wěn)樁平臺頂標高。當穩(wěn)樁平臺提升到位后，進行精確調(diào)平，四角高差不大于10 mm。然后，鎖定全部吊掛結(jié)構(gòu)，并用鋼楔塊將穩(wěn)樁平臺架與支撐樁間縫隙固定。

（6）起吊鋼管樁達到豎直吊裝姿態(tài)后，起重船通過絞錨將鋼管樁移動到穩(wěn)樁平臺抱樁器中心，穩(wěn)樁平臺上、下兩層4個300 t液壓千斤頂與樁身緊密接觸，樁身穩(wěn)定后開始自沉。通過抱樁器上、下兩層平臺液壓頂推油缸調(diào)節(jié)樁身以保證鋼管樁垂直度。

（7）在沉樁作業(yè)過程中，鋼管樁每下沉1 m停止錘擊，對樁的垂直度進行復測，偏差大于設(shè)計要求時及時進行糾偏，直至沉樁作業(yè)結(jié)束。

6 結(jié)束語

風電產(chǎn)業(yè)作為全球最為熱門的可再生清潔能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)之一，對國家的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步都具有舉足輕重的作用[12]。坐底式單樁穩(wěn)樁平臺的使用為海上打樁施工提供了可靠的技術(shù)支持，在保證施工安全的前提下，提高了打樁的經(jīng)濟效益，為發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)做出一定的貢獻。