何韶東，張顯雄，何海群，胡振偉，邱 嶼，陳明勝*

(1.保利長大工程有限公司 中山分公司，廣東 中山 528400；2.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

我國擁有發(fā)展海上風電的天然優(yōu)勢，可利用海域面積300多萬km2，海上風能資源豐富。據(jù)統(tǒng)計，我國5～25 m水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50 m高度內(nèi)，風電可裝機容量約2億kW[1]。自2017年起，中國海上風電裝機量迅速增加。全球風能理事會(GWEC)發(fā)布的《2017年全球風電報告》[2]顯示：截至2017年底，中國以新增裝機容量約116.4萬kW、累計裝機容量約278.8萬kW位列世界第三；2018年，中國海上風電新增裝機436臺，新增裝機容量約165.5萬kW，同比增長42.7%，累計裝機容量約444.5萬kW[3]；2019年，中國海上風電新增裝機容量約239.5萬kW，同比增長44.7%；截至2019年底，中國以累計裝機容量約683.8萬kW位列世界第三?？梢?，在節(jié)能減排、能源短缺、能源供應安全形勢日趨嚴峻的大形勢下，海上風電作為典型清潔能源越來越受到重視[4]。

隨著海上風電迅速發(fā)展，海上風機基礎型式也在不斷推陳出新，固定式海上風機基礎結(jié)構型式主要有重力式、單樁、高樁承臺、三腳樁、導管架和負壓桶等[5]。其中，單樁基礎結(jié)構是目前主流的海上風電基礎結(jié)構型式[6-7]。由于單樁基礎安裝質(zhì)量要求高，國內(nèi)采用工藝輔助樁穩(wěn)樁平臺的方法解決超大型單樁基礎的沉樁技術[8-9]。穩(wěn)樁平臺的作用除了支撐平臺的全部質(zhì)量以外，還要經(jīng)受風、浪、流等環(huán)境載荷的作用[10]。與陸地結(jié)構相比，其所處的海洋環(huán)境十分復雜和惡劣，易受碰撞、火災爆炸、落物等諸多不利因素的影響，影響平臺服役的安全性和耐久性，致使各種海損、海難事故不斷發(fā)生。這些災難的發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，而且?guī)韲乐氐纳鐣绊?，并給海洋環(huán)境造成嚴重的海洋污染。因此，穩(wěn)樁平臺結(jié)構的強度及穩(wěn)定性對平臺安全較為重要，特別是在極端海況條件下，穩(wěn)樁平臺結(jié)構的穩(wěn)定性和結(jié)構的安全性更值得研究。

為此，根據(jù)海上風機基礎的打樁作業(yè)要求，設計一種大直徑單樁穩(wěn)樁平臺(簡稱“穩(wěn)樁平臺”)，用于樁基礎的定位、導向和沉樁。穩(wěn)樁平臺自帶發(fā)供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，可獨立于輔助作業(yè)船舶施工。所設計的穩(wěn)樁平臺具備工程樁的沉樁作業(yè)及樁身垂直度的調(diào)節(jié)功能，用途廣泛，且擁有打樁能力。該平臺可滿足在作業(yè)天氣下受海洋風、浪、流影響下的施工需求以及極端海況下的安全使用。

1 穩(wěn)樁平臺基本情況

1.1 方案設計

穩(wěn)樁平臺是為海上風電場打樁作業(yè)而設計的鋼管樁下沉專用導向裝置。如圖1所示，穩(wěn)樁平臺主要由上層平臺、導管、抱樁導管架、輔助樁、防沉板等組成。穩(wěn)樁平臺具備如下功能：(1)工程樁的沉樁作業(yè)及樁身垂直度的調(diào)節(jié)功能；(2)平臺滿足在可作業(yè)天氣下受海洋風、浪、流影響下的施工需求；(3)擁有3～5 m大直徑樁的打樁能力；(4)用途廣泛，能對3樁/4樁風機基礎進行打樁施工作業(yè)。

圖1 穩(wěn)樁平臺結(jié)構設計方案

1.2 作業(yè)環(huán)境

穩(wěn)樁平臺作業(yè)位于近海海域，作業(yè)水深為27～32 m，最大浪、流速為2.5 m/s，最大工作風速為13.8 m/s，非工作最大風速6級以上。按照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范2016》[11](簡稱《規(guī)范》)，計算工況包括船側(cè)支架支撐工況、打樁作業(yè)工況、遭遇臺風工況以及拖航工況。根據(jù)穩(wěn)樁平臺實際工作狀態(tài)，所需校核工況如表1所示。

表1 穩(wěn)樁平臺實際工作狀態(tài)校核工況

工況1考慮穩(wěn)樁平臺剛放入海中，因其未打入輔助樁，處于最易滑移狀態(tài)，主要校核其抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性；工況2考慮穩(wěn)樁平臺剛放入海中，打入輔助樁，校核平臺結(jié)構強度以及穩(wěn)定性，并且與工況1進行對比，突出輔助樁作用；工況3和工況4校核穩(wěn)樁平臺在極限海況下遷移和正常工作下的強度和穩(wěn)定性。

2 穩(wěn)樁平臺強度分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件進行穩(wěn)樁平臺強度校核。平臺使用Q355B鋼，彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比v為0.3，質(zhì)量密度ρ為7.85×10-9t/mm3。模型主要采用殼單元Shell 181、管單元Pipe 59、梁單元Beam 188和三維非線性彈簧單元Combin 39進行模擬。其中，輔助樁和平臺板結(jié)構采用Shell 181單元，同時在輔助樁中心建立Pipe 59單元，用以計算波浪及海流的作用。通過迎浪方向與Shell 181節(jié)點耦合施加波浪載荷；水上部分梁式結(jié)構采用Beam 188單元，通過節(jié)點力的形式施加風載荷；輔助樁與土之間的相互作用通過建立Combin 39單元模擬，Combin 39單元的實常數(shù)通過土層的P-y曲線得到。

不同土層相關參數(shù)如表2所示，其中：0～4 m土層為軟黏土，對應土層有效容重為6.7 kN/m3，不排水抗剪強度Cu為10.9 kPa。根據(jù)《規(guī)范》得到黏土與沙土的P-y曲線。將不同深度下的土壤P-y曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Combin 39單元的實常數(shù)參數(shù)，從而模擬樁與土的相互作用。樁土相互作用的P-y曲線法模擬如圖2所示。

表2 不同土層的相關參數(shù)

圖2 樁土相互作用的P-y曲線法模擬

2.2 載荷與邊界

2.2.1 風載荷

根據(jù)《規(guī)范》，風壓P和作用于構件上的風力F的計算公式為

P=0.612v2

(1)

F=ChCsAiP

(2)

式(1)和式(2)中：v為設計風速；Ch為曝露在風中構件的高度系數(shù)；Cs為曝露在風中構件的形狀系數(shù)；Ai為受風構件的正投影面積。

2.2.2 波浪和流載荷

單根樁腿單位長度所受的波浪載荷按Morison公式計算：

FB=FD+FI

(3)

式中：FB為小尺度構件垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力；FD為拖曳力；FI為慣性力。

式(3)中，F(xiàn)D和FI分別為

(4)

(5)

CD和CM為經(jīng)驗因數(shù)，對于圓形構件，可取CD=0.6～1.2，CM=1.3～2.0，且許用因數(shù)值不小于上述范圍的下限值[11]。

當只考慮海流作用時，作用在平臺水下部分構件的流載荷按下式計算：

(6)

式中：vL為設計流速。

在有限元分析中，波浪和流載荷通過Pipe 59單元定義材料屬性中的Watertable(水位表)：選擇Stokes 5階波理論，輸入海水密度、海水深度、波高、周期、海流表層和中層及底層流速、波流入射角及相位角，便可利用ANSYS軟件Morison公式自動計算波浪、流載荷，考慮最危險工況——波浪和流載荷方向相同，并通過耦合Pipe 59單元節(jié)點和輔助樁Shell 181單元節(jié)點的6個方向自由度將波流力傳遞給輔助樁。Pipe 59單元是一種可承受拉、壓、彎作用,并能夠模擬海洋波浪和水流的單軸單元。單元的每個節(jié)點有6個自由度，即沿x、y、z方向的線位移及繞x、y、z軸的角位移。

2.2.3 邊界條件

對輔助樁底部節(jié)點和彈簧單元節(jié)點施加固定約束。

2.3 強度校核

2.3.1 《規(guī)范》許用

根據(jù)《規(guī)范》，參與結(jié)構分析的平臺主體框架的結(jié)構構件應按如下規(guī)定確定其許用應力值[σ]：

[σ]=σs/S

(7)

式中：σs為材料的屈服強度；S為安全因數(shù)，軸向或彎曲應力取值為1.25，剪切應力下取值為1.88。

工況校核具體數(shù)值要求如表3所示。

表3 工況校核具體數(shù)值要求

2.3.2 校核結(jié)果

圖3給出極端海況下穩(wěn)樁平臺正常工作，打入輔助樁工況(工況4)下穩(wěn)樁平臺的相當應力及位移結(jié)果。平臺最大von Mises應力為80.58 MPa，最大位移為37.31 mm，位于抱樁器前緣；輔助樁的最大軸向應力為-84.35 MPa，位于輔助樁底部：均滿足《規(guī)范》要求的許用值284 MPa。

圖3 工況4穩(wěn)樁平臺的強度校核

3 穩(wěn)樁平臺穩(wěn)定性分析

3.1 抗傾覆穩(wěn)定性

根據(jù)《規(guī)范》，抗傾覆穩(wěn)定性由抗傾覆安全因數(shù)SFOS-OT表示：

(8)

式中：Fz為平臺自重；d為重心至傾覆點水平距離；M0為外力彎矩。

M0可用下式計算：

M0=Fwhw+F1h1+F2h2+F3h3+F4h4

(9)

式中：Fw為風力；hw為力臂；F1、F2、F3、F4分別為4根樁腿受到的水平外力；h1、h2、h3、h4分別為4根樁腿受到的水平力力臂。

穩(wěn)樁平臺整體穩(wěn)定性校核結(jié)果如表4所示。

表4 穩(wěn)樁平臺整體穩(wěn)定性校核結(jié)果

3.2 抗滑移穩(wěn)定性

導管架在海床上是否移動主要看自身受到的水平力Fh與防沉板、泥面之間的最小抗剪力FH的比值?？够品€(wěn)定性由抗滑移安全因數(shù)SFOS-SD[10]表示：

(10)

(11)

式中：為保守計算，砂土c′取值為0；As為防沉板面積；Q為防沉板所受壓力，Q=quAs，其中qu為海床能承受的極限壓應力,qu=23.49SrB，Sr為形狀因子，B為防沉板寬度；φ為土壤的內(nèi)摩擦角，可根據(jù)實際的土壤類型獲得(見表2)。

工況1和工況3未打入輔助樁，為最易滑移狀態(tài)。根據(jù)有限元計算，可得工況1平臺抗滑移安全因數(shù)為20.7，工況3抗滑移安全因數(shù)為9.1，均大于《規(guī)范》規(guī)定的1.5，平臺的抗滑移穩(wěn)定性滿足要求。

3.3 輔助樁穩(wěn)定性

3.4 輔助樁壓彎強度

根據(jù)《規(guī)范》，對于同時承受軸向壓縮和彎矩組合作用的構件，其整體穩(wěn)定性計算如下：

(12)

(13)

所有樁腿均為圓管，式(12)可簡化為

(14)

根據(jù)有限元分析結(jié)果校核輔助樁壓彎強度，如表5所示。

表5 輔助樁壓彎強度校核

4 結(jié) 論

所設計的海上風電大直徑單樁穩(wěn)樁平臺具備工程樁的沉樁作業(yè)及樁身垂直度的調(diào)節(jié)功能，用途廣泛，擁有大直徑樁打樁能力。根據(jù)《規(guī)范》，對穩(wěn)樁平臺從入水到拖航過程中的4個較危險工況進行校核。根據(jù)校核結(jié)果，4種工況的平臺強度及穩(wěn)定性均滿足《規(guī)范》要求。其中：工況3未打入輔助樁，易產(chǎn)生整體滑移，根據(jù)計算結(jié)果，穩(wěn)樁平臺結(jié)構抗滑移安全；工況2為正常工作狀況(打入輔助樁后)，平臺的抗傾覆穩(wěn)定性安全因數(shù)為30.30，相較于工況1提升28.6%；工況4為極端海況，單根輔助樁所受的壓應力最大，達-59.23 MPa，同時抗傾覆安全因數(shù)下降為11.1，說明極端海況對平臺的穩(wěn)定性影響較大。