張 波， 李永順， 徐豐光

(1.浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江 舟山 316021；2.舟山海馳船舶技術有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

海洋牧場建設是推進漁業(yè)轉型升級和海上糧倉建設的重要內(nèi)容。目前，海洋牧場建設發(fā)展迅速，但用于海洋牧場管理的大型裝備仍較落后，嚴重制約海洋經(jīng)濟的規(guī)模化發(fā)展，需要研發(fā)一種新型的海洋牧場管護裝備。

自升式海洋牧場綜合平臺是一種智能化海洋工程裝備，適用于大規(guī)模海洋牧場管護和環(huán)境監(jiān)測，可改變傳統(tǒng)管護模式，提高管護效率，提升工作條件。與傳統(tǒng)自升式海洋平臺相比，其主體尺寸小，樁腿采用圓柱式，工作海域水深較淺，平臺主體一側配備專用登船梯以方便船只停靠。電力主要由柴油機發(fā)電裝置提供，可同時使用太陽能和風能發(fā)電裝置收集電能。平臺配備海洋牧場水質(zhì)、水文和氣象環(huán)境監(jiān)測設備。平臺主體部分形狀為方形，由4個圓柱形樁腿支撐，平臺主體和樁腿間通過升降圍阱進行連接。樁腿可插入海底泥面以下，將平臺牢牢固定于海底。樁腿下端設置樁靴，起到支撐樁腿的作用。升降作業(yè)使用液壓裝置頂升，正常作業(yè)使用插銷固定樁腿。

平臺受到的載荷包括風載荷[1]、波浪載荷[1]、海流載荷[1]、P-Δ附加力矩[1]、波流動力放大效應力矩、結構自重和樁腿浮力等。在上述載荷計算過程中，波浪載荷計算是難點。目前，波浪載荷計算廣泛采用線性波浪理論和非線性波浪理論[2]。與線性波浪理論(Airy波)相比，非線性波浪理論可較為準確地模擬水質(zhì)點的瞬時速度和加速度，代入莫里森方程，可更為精確地計算小尺度樁腿受到的波浪載荷[3-4]。在樁腿波浪載荷計算過程中利用5階斯托克斯波非線性波浪理論。

1 計算模型

平臺主船體為方形，采用4個圓柱形樁腿站立，樁腿底部帶樁靴，升降裝置采用液壓缸升降。樁腿長為33 m；主甲板長為25 m，寬為20 m；吃水深度為14 m。船體甲板、底板、圍阱和樁腿等多個關鍵部位采用DH36高強度鋼，其余部位采用中國船級社(CCS)A級鋼。平臺總布置圖如圖1所示。

圖1 平臺總布置圖

計算模型包括樁腿和主船體，樁腿采用管單元模擬，主船體采用剛性梁單元模擬。簡化計算模型如圖2所示。DH36高強度鋼的物理特性參數(shù)如下：彈性模量為2.06×1011N/m2，泊松比為0.3，屈服強度為355 MPa，密度為7.85 t/m3。

圖2 簡化計算模型

2 工況和載荷

根據(jù)平臺工作海域?qū)嶋H風浪流測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在計算中選取風速為36.90 m/s，最大波高為2 m，波浪周期為6 s，表面流速為1.03 m/s。根據(jù)平臺受風(浪)方向取如下13種計算工況：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°。邊界條件為在泥面以下3 m鉸支。在計算過程中主要考慮空船質(zhì)量、風載荷、波流載荷、P-Δ附加力矩和波流動力放大效應力矩等。

2.1 風載荷

根據(jù)CCS規(guī)范[5]，作用于構件的風力F應按下式計算，單位為kN：

F=ChCsSP

(1)

式中：Ch為受風構件高度系數(shù)；Cs為受風構件形狀因數(shù)；S為受風構件正投影面積，m2；P為風壓，kPa。

在風載荷計算過程中需要建立受風部位模型。受風部位指位于水面以上的平臺結構，包含樁腿、上層建筑主體、圍阱、生活樓、起重機等。在0°～180°風向下，每隔15°計算一次風力。由于不同角度的迎風面積不同，因此風力存在差異。45°和135°風向的風力最大，165°風向的風力最小。風載荷計算結果如表1所示。

表1 風載荷計算結果

2.2 波流載荷

根據(jù)CCS規(guī)范[5]，小尺度孤立樁柱的波浪力F可用莫里森方程計算。莫里森方程的一般形式為

F=FD+FI

(2)

式中：FD為單位長度上的曳力，kN/m；FI為單位長度上的慣性力，kN/m。

根據(jù)CCS規(guī)范[5]，作用在水下部分樁腿的海流載荷F可按下式計算：

(3)

式中：CD為曳力系數(shù)；ρW為海水密度，t/m3；V為設計海流流速，m/s；A為構件在與流速垂直平面上的投影面積，m2。

浪向角與風向角一致為最危險工況。在0°～180°浪向下，每隔15°計算一次波浪載荷。在計算海流載荷時取表面流速為1.03 m/s。假設樁腿為直立小尺度圓柱體，采用莫里森方程計算海水對樁腿的波浪載荷，水質(zhì)點運動理論采用5階斯托克斯波理論。波流載荷計算結果如表2所示。

表2 波流載荷計算結果

2.3 P-Δ效應

根據(jù)CCS規(guī)范[5]，由軸向拉力和樁腿整體側向位移聯(lián)合作用所產(chǎn)生的力和力矩應加以考慮，并按下式計入P-Δ效應：

(4)

式中：δ為主船體彈性一階側向位移，m；P為樁腿平均受壓載荷，kN；PE為樁腿彈性臨界力(歐拉力)，kN。

通過平臺的空船質(zhì)量、樁腿樁靴質(zhì)量和可變載荷質(zhì)量，計算得到P=850 kN。在計算PE時，根據(jù)CCS規(guī)范中的壓桿屈曲應力相關規(guī)定[5]，對照存在側移桿件的失穩(wěn)形式，在計算時桿件的有效長度系數(shù)K取2.00。P-Δ彎矩計算結果如表3所示。

表3 P-Δ彎矩計算結果

2.4 波流動力放大效應

根據(jù)CCS規(guī)范[5]，在站立工況條件下，在采用下式求得的動力放大因數(shù)(Dynamic Amplification Factor，DAF)大于1.1時，應考慮由波浪或波浪與海流共同作用產(chǎn)生的動力放大效應：

(5)

式中：Tn為平臺平動自振周期，s；T為波浪周期，s；ζ為臨界阻尼百分比(一般取不大于7%)。

波流動力放大效應水平力如表4所示。平臺DAF計算值為1.187，大于1.1，按上述方法計算慣性力。

3 平臺抗傾穩(wěn)定性校核

根據(jù)CCS規(guī)范[5]，平臺抗傾穩(wěn)定性應滿足下式要求：

(6)

表4 波流動力放大效應水平力

式中：Mk為平臺坐底時的抗傾力矩，kN·m；Mq為平臺坐底時的傾覆力矩，kN·m；Kq為抗傾安全因數(shù)，自升式平臺最危險工況的Kq須大于1.1。

將上述各種力矩進行疊加，計算得到總傾覆力矩。傾覆力矩如圖3所示。由圖3可知：各角度的風傾力矩遠大于波流力矩、P-Δ附加力矩和波流動力放大效應力矩。45°和135°風向的風傾力矩達最大值。在平臺站立時，其復原力(矩)可根據(jù)空船質(zhì)量、樁腿樁靴質(zhì)量和樁腿浮力進行計算。復原力矩如圖4所示。由圖4可知：復原力矩隨波浪入射角的變化而變化，且呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。在入射角為0°時，復原力矩最??；0°～45°，復原力矩逐漸增大；在入射角為45°時達最大值，并在45°～90°逐漸減至最小值；90°～180°出現(xiàn)相似的變化規(guī)律。產(chǎn)生上述結果原因在于：復原力矩的大小等于平臺總質(zhì)量乘以平臺重心位置至對應傾覆軸線的距離，在入射角為45°和135°時該距離最大。

圖3 傾覆力矩

圖4 復原力矩

將13個計算角度的平臺總傾覆力矩和復原力矩進行匯總，計算得到平臺抗傾安全因數(shù)，即復原力矩與總傾覆力矩的比值。抗傾安全因數(shù)如表5所示。由表5可知：站立工況各方向的抗傾安全因數(shù)均大于1.1，滿足CCS規(guī)范要求。

表5 抗傾安全因數(shù)

進一步對樁腿強度進行校核，得出4個樁腿的UC值。樁腿最大UC值如表6所示。由表6可知：各樁腿最大UC值均小于1，證明樁腿強度滿足CCS規(guī)范要求，可支撐主船體和上層建筑。

表6 樁腿最大UC值

4 結 論

建立自升式海洋牧場綜合平臺有限元模型，計算13個波浪入射角的平臺傾覆載荷，即風載荷、波流載荷、P-Δ效應和波流動力放大效應，并對各角度的平臺抗傾穩(wěn)定性進行校核。計算結果表明：

(1)不同風向的迎風面積不同，風傾力矩不同。

(2)在總傾覆力矩中，風傾力矩占比最大，原因在于平臺較大的受風面積和較高的風力中心位置。

(3)站立工況各方向的抗傾安全因數(shù)均大于1.1；樁腿最大UC值為0.374，樁腿強度滿足CCS規(guī)范要求。