李輝，張明

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200120）

0 引言

海上風(fēng)電從潮間帶和近海走向深遠(yuǎn)海是風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)，目前國內(nèi)潮間帶和近海風(fēng)電的輸電方式主要為高壓交流輸電（HVAC）[1]，但其傳輸容量和傳輸距離會(huì)受到限制，對(duì)于深遠(yuǎn)海風(fēng)電場[2]，直流輸電的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，可大幅減少線損和增加輸送容量。海上換流站能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電，是柔性直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

三峽如東海上換流站上部模塊為7層建筑，平面尺寸約84 m×94 m，高約44 m，重量約為2.33萬t，建成后將成為亞洲第一座海上換流站，也是迄今為止世界最大的海上換流站。因重量和外形因素制約，在海上安裝時(shí)無法采取傳統(tǒng)的浮吊安裝模式，需采用浮托方式進(jìn)行安裝[3]，本次采用的是高位浮托的安裝模式，所以陸地建造[4]階段通過使用大型龍門吊將分段在DSF（甲板支撐框架）基礎(chǔ)上逐層搭載實(shí)現(xiàn)將上部模塊架高的目的，其中DSF重量約為0.42萬t，與上部模塊一起合計(jì)重量約為2.8萬t。制造碼頭布置了5條專用的下水滑移承重梁（以下簡稱“承重梁”），產(chǎn)品下水滑移時(shí)需與其對(duì)應(yīng)，所有載荷都由承重梁承受。圖1為上部模塊與DSF在碼頭后場總裝位置。由于承重梁數(shù)量和間距固定，碼頭對(duì)不同類型的產(chǎn)品適應(yīng)性較差，其承載能力也較沉箱式、重力式碼頭要弱[5]。通常此類結(jié)構(gòu)形式碼頭適用的產(chǎn)品滑移下水重量在1萬t左右。所以對(duì)于三峽換流站上部模塊與DSF結(jié)構(gòu)合計(jì)達(dá)2.8萬t的產(chǎn)品，無論在碼頭上進(jìn)行總拼搭載還是滑移下水[6-8]都是史無前例的。

圖1 上部模塊及DSF后場總裝位置圖（mm）Fig.1 Building position of topside and DSF in the backyard(mm)

1 研究內(nèi)容

在設(shè)計(jì)的過程中主要遇到以下技術(shù)難題：

1）由于換流站上部模塊重力分布、DSF高度有限及桁架式設(shè)計(jì)形式的原因，DSF底架下5條滑道間載荷分布不均，且每條滑道上不同位置載荷分布也不均，個(gè)別滑道的載荷峰值遠(yuǎn)超碼頭許用。

2）由于換流站上部模塊在海上浮托安裝寬度受限，DSF底架外側(cè)2條縱梁無法正對(duì)碼頭承重梁，又由于承重梁在碼頭前、后場的寬度和結(jié)構(gòu)形式不同的原因，導(dǎo)致DSF底架下的5號(hào)滑道在碼頭后場時(shí)不在碼頭承重梁范圍內(nèi)。

基于以上兩點(diǎn)，本文研究了一套有效的碼頭分載及載荷轉(zhuǎn)移的方法。此方法不需改變現(xiàn)有DSF的結(jié)構(gòu)形式，也不需對(duì)碼頭進(jìn)行改造或加強(qiáng)，即可實(shí)現(xiàn)自重2.8萬t換流站上部模塊（含DSF）在承載能力受限碼頭上的總拼搭載和下水滑移，使得該項(xiàng)目不需轉(zhuǎn)移至具有更大承載能力的碼頭完成，節(jié)約了大量的成本，同時(shí)也為后續(xù)可能遇上類似問題的項(xiàng)目提供了設(shè)計(jì)思路和解決辦法。

2 問題分析

DSF作為換流站上部模塊海上浮托安裝時(shí)的支撐結(jié)構(gòu)，在陸上亦起到總裝和滑移下水支架的作用。DSF由9個(gè)上部承臺(tái)、9組承臺(tái)斜撐組及下部底架組成。DSF所有承臺(tái)的設(shè)計(jì)位置與上部模塊指定的強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，DSF下部底架設(shè)計(jì)有5條縱梁，5條縱梁下鋪設(shè)滑移軌道分別對(duì)應(yīng)制造碼頭的5條承重梁。換流站上部模塊碼頭搭載完成后需連同底下的DSF一起滑移至碼頭前沿，并最終滑移上船，運(yùn)往海上風(fēng)場進(jìn)行浮托安裝，如圖2所示。

圖2 DSF及底架滑道布置圖Fig.2 Layout of DSF and underframe slideway

根據(jù)各承臺(tái)作用載荷，利用有限元分析軟件計(jì)算得出中間3條滑道的總載荷遠(yuǎn)大于外側(cè)2條滑道。DSF通過斜撐管將換流站重力傳遞至DSF底架上的5條縱梁，且單條滑道上的載荷分布也是不均勻的，斜撐管與縱梁相貫連接節(jié)點(diǎn)處的力非常大，導(dǎo)致最終作用在碼頭上的線荷載峰值遠(yuǎn)超過碼頭許用。所以需要研究如何在不同滑道間和同一滑道內(nèi)部進(jìn)行分載，最終達(dá)到降低滑道線載荷峰值的目的。

因換流站上部模塊海上浮托安裝時(shí)施工寬度限制，DSF的設(shè)計(jì)寬度不能太大，導(dǎo)致DSF底架外側(cè)的2條縱梁無法像中間3條縱梁一樣與碼頭承重梁中心線正對(duì)。同時(shí)，因承重梁在碼頭前、后場的梁寬及結(jié)構(gòu)形式不同，使得DSF底架5號(hào)縱梁下對(duì)應(yīng)的5號(hào)滑道僅能與碼頭前場承重梁對(duì)應(yīng)，在碼頭后場會(huì)偏出承重梁范圍，如圖3所示。為此，需要研究如何解決5號(hào)縱梁與碼頭前、后場承重梁對(duì)樁的問題。

圖3 5號(hào)滑道碼頭前后場位置比較Fig.3 Comparison of wharf front and back yard of No.5 slideway

3 研究思路

3.1 不同滑道間荷載分載

圖4為上部模塊與DSF橫截面圖。

圖4 上部模塊與DSF橫截面圖（mm）Fig.4 Cross section of topside and DSF(mm)

因換流站自身結(jié)構(gòu)形式和海上浮托安裝高度的原因，其下的DSF支撐結(jié)構(gòu)無法設(shè)計(jì)得更高，造成DSF外側(cè)斜撐管角度欠佳，換流站自身重量無法向1號(hào)、5號(hào)縱梁進(jìn)行充分傳遞，使得中間3條縱梁分配的總載荷多而外側(cè)2條縱梁分配的總載荷少。

為此，在不改變現(xiàn)有DSF結(jié)構(gòu)形式、不增加DSF結(jié)構(gòu)重量的基礎(chǔ)上，通過頂升提供預(yù)壓力的方法對(duì)DSF底架5條縱梁上的載荷進(jìn)行重新再分配，達(dá)到不同縱梁上荷載均載的目的。具體方法如下：

在撤除DSF底架上的總裝胎架前，對(duì)于整體受力較小的1號(hào)、5號(hào)兩處縱梁進(jìn)行多點(diǎn)同步頂升，使其承受一定的預(yù)壓力并產(chǎn)生適當(dāng)預(yù)變形，然后再敲緊木方進(jìn)行撤墩，這樣可使卸載后部分荷載從受力大的中間3條縱梁轉(zhuǎn)移到受力較小的外側(cè)2條縱梁上來，分載結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，通過對(duì)外側(cè)2條縱梁施加預(yù)壓力，與其臨近的2號(hào)、4號(hào)縱梁上的荷載向1號(hào)、5號(hào)縱梁進(jìn)行了有效轉(zhuǎn)移，僅余最中間3號(hào)縱梁的荷載仍較大。

表1 分載處理前后的各滑道載荷Table 1 Load of each slideway before and after load sharing treatmentkN

3.2 同一條縱梁內(nèi)部荷載分載

對(duì)于每條縱梁，載荷峰值都發(fā)生在承臺(tái)斜撐管與縱梁相貫的連接處位置。對(duì)此，通過采取局部騰空的方法加以解決，具體方法如下：

根據(jù)有限元分析軟件計(jì)算結(jié)果，將載荷峰值區(qū)域的斜木與縱梁間預(yù)留出適當(dāng)?shù)拈g隙，讓荷載更多地向其周圍區(qū)域傳遞，可達(dá)到降低荷載峰值的目的。同時(shí)，因斜木在受力狀態(tài)下和自由不受力狀態(tài)下貼緊的程度不同，需采取措施保證預(yù)留的微量間隙的準(zhǔn)確性。斜木在承受相等荷載的條件下預(yù)留出了要求的微量間隙，成功降低了單排滑道的荷載峰值，使線荷載峰值由最大時(shí)的223.7 t/m大幅降低至143.9 t/m，見表2，滿足了碼頭承載力的要求，實(shí)現(xiàn)了承載力受限碼頭在不改造或不加強(qiáng)的情況下完成換流站上部模塊的搭載和滑移下水，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和借鑒意義。

表2 分載處理優(yōu)化后的各滑道載荷Table 2 Load of each slideway after optimized load sharing treatment

3.3 碼頭前后場不同下水滑道梁間荷載轉(zhuǎn)移

因浮托安裝寬度限制和前、后場碼頭下水滑移承重梁寬度不同，DSF底架無法設(shè)計(jì)得更寬，其下的5號(hào)縱梁無法滿足同時(shí)與碼頭前、后場承重梁對(duì)樁。為使換流站上部模塊在滑移時(shí)確保所有的滑道都在碼頭承重梁上，使用了以下方法：

對(duì)DSF底架5號(hào)縱梁進(jìn)行局部加寬，在局部加寬處布置臨時(shí)的6號(hào)滑道，使得6號(hào)滑道處于碼頭承重梁范圍內(nèi)（為了不影響海上浮托安裝，加寬部分在上船前需拆除）。同時(shí)要求DSF底架在全部滑移至碼頭前場后，6號(hào)臨時(shí)滑道上的滑板梁能夠自主卸載，而不再隨上部模塊一起滑移。從而實(shí)現(xiàn)滑移過程中DSF的6號(hào)滑道荷載向5號(hào)滑道的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。

4 實(shí)施方法

4.1 碼頭支反力分載

本方法在實(shí)施碼頭分載的過程中需要使用的硬件主要由千斤頂、頂升胎架、頂升墊塊、頂升墊板、斜木、DSF、滑板梁、滑移軌道等組成。它們之間的相互關(guān)系如下：

DSF上部為管系結(jié)構(gòu)支撐換流站上部模塊，下部底架為組合箱型梁結(jié)構(gòu)，可在其下布置滑移軌道進(jìn)行滑移。千斤頂、頂升胎架、頂升墊塊和頂升墊板為DSF底架1號(hào)、5號(hào)縱梁的頂升設(shè)備，可以對(duì)1號(hào)、5號(hào)縱梁施加預(yù)壓力。斜木、滑板梁、滑移軌道為滑移系統(tǒng)的一部分，其中斜木為DSF底架與滑板梁之間的柔性傳力媒介；換流站上部模塊及DSF的重力載荷通過滑板梁傳遞至滑移軌道，并由滑移軌道最終傳遞至碼頭的承重梁上。

本方法的具體實(shí)施如下：

1）撤除DSF底架下的總裝胎架及總拼輔助高胎架前，在碼頭上與DSF底架各條縱梁對(duì)應(yīng)的位置下鋪設(shè)6排滑道，滑道上放置移位用滑板梁。

2）拆除總拼輔助高胎架，在DSF底架1號(hào)、5號(hào)縱梁外側(cè)位置放置頂升設(shè)備，依次同步頂升1號(hào)、5號(hào)縱梁達(dá)到預(yù)定壓力，如圖5所示。

圖5 DSF底架1號(hào)、5號(hào)縱梁頂升布置圖Fig.5 Jacking arrangement of No.1 and No.5 longitudinal beam of DSF underframe

3）在6條滑道的滑板梁與DSF底面放置斜木并敲緊。

4）在3號(hào)滑道要求預(yù)留間隙的區(qū)域作標(biāo)記線，如圖6所示。

圖6 3號(hào)滑道荷載峰值處斜木與底架間隙預(yù)留（mm）Fig.6 Reserved gap between wood and underframe at the peak load of No.3 slideway（mm）

5）在所有斜木都統(tǒng)一被敲緊受力一致的狀態(tài)下，對(duì)需要預(yù)留間隙處斜木的兩側(cè)從上往下劃標(biāo)記直線，然后再敲松此處的木頭，將所劃標(biāo)記直線的間距調(diào)到計(jì)算值，圓滿地解決了施工過程中預(yù)留微量間隙的準(zhǔn)確性，如圖7所示。

圖7 斜木間隙預(yù)留步驟示意圖Fig.7 Steps of wood gap reservation

6）撤除DSF底架下的所有總裝胎架，將換流站上部模塊及DSF落到鋪設(shè)的滑移用的滑板梁上，完成碼頭分載。

4.2 碼頭前后場滑道荷載轉(zhuǎn)移

通過將6號(hào)臨時(shí)滑道在碼頭前后場設(shè)置成不同高度的方法，即前場滑道低于后場滑道，如圖8所示，隨著6號(hào)滑道上的滑板梁和斜木在牽引移位過程中逐漸脫離DSF底架，其荷載也逐漸轉(zhuǎn)移至邊上的與碼頭前場滑道梁正對(duì)的5號(hào)滑道上，完成碼頭前后場滑道梁間的載荷轉(zhuǎn)移。

圖8 6號(hào)滑道載荷轉(zhuǎn)移示意Fig.8 Load transfer diagram of No.6 slideway

5 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

基于三峽換流站項(xiàng)目，針對(duì)制造碼頭承載能力不足及DSF結(jié)構(gòu)形式原因造成的諸多問題，研究出一套碼頭分載及載荷轉(zhuǎn)移方法，優(yōu)點(diǎn)如下：

1）解決了換流站上部模塊從碼頭后場向碼頭前場滑移過程中，前、后場下水滑移承重梁寬度不一致以及結(jié)構(gòu)不同造成的滑移軌道與碼頭承重梁不對(duì)應(yīng)的問題。

2）實(shí)現(xiàn)了在滑移過程中的不同滑道間荷載的自主轉(zhuǎn)移，避免換流站在滑移過程中出現(xiàn)不必要的停頓，降低了滑移風(fēng)險(xiǎn)。

3）將約2.8萬t總荷載在不改變DSF結(jié)構(gòu)形式的情況下對(duì)DSF下5條縱梁進(jìn)行載荷的二次分配，使底架下各縱梁對(duì)應(yīng)滑道在碼頭滑移時(shí)的承載相對(duì)均勻，大幅降低了不同滑道間的壓力差。

4）在承受相等荷載的條件下對(duì)局部區(qū)域微量間隙的精準(zhǔn)預(yù)留，實(shí)現(xiàn)單排滑道上荷載峰值大幅降低，受力更加均勻，大幅降低滑道上的壓力差。

5）在不對(duì)碼頭進(jìn)行改造或加強(qiáng)的情況下，使得換流站上部模塊在碼頭滑移時(shí)的荷載情況滿足了碼頭承載要求，既很好地保護(hù)了碼頭，又增大了碼頭的適用性，節(jié)省了大量成本，并且為以后類似的項(xiàng)目提供了良好的經(jīng)驗(yàn)及借鑒。

6 結(jié)語

本技術(shù)是在超大型風(fēng)電設(shè)備滑移下水領(lǐng)域中的一次重大創(chuàng)新，本技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)中華人民共和國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利。通過本技術(shù)方法，使在承載力受限碼頭制造自重2.8萬t的超大型風(fēng)電設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了在滑移過程中碼頭前、后場下水滑道承重梁寬度及結(jié)構(gòu)形式不同的情況下，不同滑道間荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，使得滑移荷載始終能夠傳遞到碼頭的承重梁上，滿足了碼頭承載基本要求；實(shí)現(xiàn)了在不改變DSF基本結(jié)構(gòu)形式的情況下，碼頭上5條下水滑道梁間荷載的二次分配并對(duì)單條道梁上的荷載峰值進(jìn)行再次分載優(yōu)化，使得最大滑移荷載降低至碼頭承載能力范圍內(nèi)。目前國內(nèi)外尚未有此技術(shù)方法的運(yùn)用，因此可以說該項(xiàng)方法填補(bǔ)了國內(nèi)外自重2.8萬t的大型風(fēng)電結(jié)構(gòu)滑移在滑道梁、板結(jié)構(gòu)碼頭下水領(lǐng)域的空白。