覃廖開， 張 犇， 朱 娟

(江蘇龍源振華海洋工程有限公司 海上風電工程技術(shù)研究院，江蘇 南通 226014)

0 引 言

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海上風電場重要的基礎(chǔ)型式。根據(jù)相關(guān)資料，截至2020年底，在歐洲已建成的海上風電場中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)占比僅次于海上單樁基礎(chǔ)[1]。未來隨著水深范圍的增加和海上風機容量的大型化，導(dǎo)管架基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)的應(yīng)用會越來越廣泛。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)通常設(shè)置3或4個腿柱，腿柱之間采用撐桿連接[2]，形成一個具有足夠強度、剛度和穩(wěn)定性的空間桁架結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用鋼管樁固定于海床，導(dǎo)管架基礎(chǔ)與鋼管樁之間采用灌漿連接，實現(xiàn)鋼管樁與導(dǎo)管架基礎(chǔ)之間的載荷傳遞。

鋼管樁沉樁作業(yè)是導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工的重要環(huán)節(jié)之一。穩(wěn)樁平臺(打樁平臺、導(dǎo)向架或定位架等)是采用若干根定位樁固定于海床形成穩(wěn)定的施工作業(yè)平臺，作為海上風機導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁沉樁施工的重要輔助裝備，其設(shè)計適用性和強度問題直接影響施工作業(yè)效率和結(jié)構(gòu)安全。針對新設(shè)計的鋼管樁穩(wěn)樁平臺，有必要對其整體結(jié)構(gòu)強度進行系統(tǒng)評估，判斷結(jié)構(gòu)強度是否滿足相關(guān)規(guī)范要求，確保施工作業(yè)安全。

1 項目背景

1.1 項目簡介

某海上風電場項目，規(guī)劃裝機容量為600 MW，涉海面積為96 km2，場址水深為37.00～43.00 m，中心離岸距離為55 km，擬布置25臺8 MW與40臺10 MW的風電機組?；诮Y(jié)構(gòu)安全性和工程經(jīng)濟性等因素，通過對場址水深、地質(zhì)和海況的綜合分析，四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)是比較適宜的基礎(chǔ)型式，導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁中心間距為30.00×30.00 m。以某機位鋼管樁為例，樁徑為3.10 m，壁厚為40～52 mm，樁長為90.00 m，樁重為300.00 t，入泥深度為83.00 m。

根據(jù)場址水文條件，考慮導(dǎo)管架基礎(chǔ)制作及發(fā)運周期、船舶甲板存放、現(xiàn)場作業(yè)的連續(xù)性和成本等因素，項目采用先打樁后安裝導(dǎo)管架基礎(chǔ)的施工方案，最后采用灌漿連接。

1.2 海上風機導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁施工工藝

海上風機導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁施工工藝不同于海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)。海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)腿柱下端通常自帶導(dǎo)向筒或腿柱結(jié)構(gòu)本身兼具導(dǎo)向功能，在導(dǎo)管架基礎(chǔ)就位后，鋼管樁可沿導(dǎo)向筒打入海床。海上風機導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁沉樁施工需要專門的穩(wěn)樁平臺輔助進行，典型的常規(guī)施工流程如下：(1)打樁船定位；(2)吊裝穩(wěn)樁平臺置于海床并確保其中心與機位中心重合；(3)依次插入4根輔助定位樁并施打至設(shè)計標高；(4)穩(wěn)樁平臺提升調(diào)平并與定位樁固定連接；(5)打樁船起吊工程樁并插入穩(wěn)樁平臺導(dǎo)向筒；(6)吊錘壓樁并依次擊打至設(shè)計標高：(7)拆除穩(wěn)樁平臺與定位樁之間的連接；(8)依次拔起、提升定位樁并采用插銷懸掛固定于穩(wěn)樁平臺；(9)起吊穩(wěn)樁平臺；(10)擇機遷移至下一機位施工。

1.3 穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮作業(yè)水深、結(jié)構(gòu)重量和施工工藝等因素，穩(wěn)樁平臺主體采用導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式。穩(wěn)樁平臺尺寸(長×寬×高)為37.92 m×37.92 m×51.35 m，設(shè)計作業(yè)水深為40.00 m；定位樁樁徑為2 200 mm，壁厚為20～40 mm，樁長為83.00 m，樁間距為22.00 m×22.00 m；穩(wěn)樁平臺和定位樁材質(zhì)均為Q355高強度鋼。穩(wěn)樁平臺模型及主要結(jié)構(gòu)示例如圖1所示。

圖1 穩(wěn)樁平臺模型及主要結(jié)構(gòu)示例

導(dǎo)管架設(shè)置4根腿柱，腿柱之間采用撐桿連接；腿柱上端設(shè)置吊耳，采用卸扣與鋼絲繩連接，方便吊裝作業(yè)。最頂層中間部位為索具平臺，用于吊索具的布置及存放，并可放置集裝箱動力站。頂層最外側(cè)為U字形導(dǎo)向定位架，沿腿柱中心對角線方向布置，工程樁可沿U字形導(dǎo)向下放至下部導(dǎo)向筒直至入泥，并可根據(jù)需要在導(dǎo)向周邊布置糾偏裝置。定位樁導(dǎo)向筒緊鄰U字形導(dǎo)向架，方便定位樁插拔作業(yè)；導(dǎo)向筒上下端由水平框架和斜撐與導(dǎo)管架主體連接。定位樁導(dǎo)向周邊區(qū)域設(shè)置平臺，方便對樁體垂直度進行檢測，測量平臺與索具平臺之間采用過道連接。上部導(dǎo)向正下方分別為工程樁導(dǎo)向筒和定位樁導(dǎo)向筒，工程樁導(dǎo)向筒采用水平框架和斜撐與主體結(jié)構(gòu)連接，定位樁導(dǎo)向筒采用豎向支撐板和水平圓管與導(dǎo)管架腿柱連接。最底層為防沉板結(jié)構(gòu)，減小穩(wěn)樁平臺入泥深度；在防沉板面內(nèi)開設(shè)圓孔，避免形成負壓，降低與泥面的吸附力。輔助定位樁上端布置吊耳，方便對穩(wěn)樁平臺進行調(diào)平；定位樁中部設(shè)置開孔，采用插銷對定位樁懸掛固定，與穩(wěn)樁平臺整體進行吊裝，避免多次吊裝作業(yè)。

2 有限元分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠強度，并應(yīng)考慮構(gòu)件失效可能引起的人員傷亡、重大污染和主要經(jīng)濟損失等后果。常規(guī)海洋工程裝備(如海洋平臺)具有較為完善的入級認證體系，確保結(jié)構(gòu)安全；穩(wěn)樁平臺作為施工過程中的臨時性工裝，同樣承受作業(yè)載荷和作業(yè)環(huán)境載荷的作用，其整體結(jié)構(gòu)強度應(yīng)予以重視；在同一海域風電場不同機位之間遷移時，穩(wěn)樁平臺吊裝作業(yè)較為頻繁，吊耳結(jié)構(gòu)強度同樣不可忽視。

2.1 計算模型

穩(wěn)樁平臺整體結(jié)構(gòu)強度校核采用SESAM軟件的GeniE模塊建立有限元模型，線彈性分析解算器采用該軟件的Sestra模塊。模型包含穩(wěn)樁平臺主體結(jié)構(gòu)和定位樁結(jié)構(gòu)，所有主要板構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點結(jié)構(gòu)采用3節(jié)點和4節(jié)點板殼單元模擬，其他構(gòu)件采用2節(jié)點梁單元模擬。模型整體網(wǎng)格尺寸為500 mm×500 mm；所關(guān)注區(qū)域細化網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm；其他網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm和200 mm×200 mm，作為粗網(wǎng)格與細網(wǎng)格之間的過渡。穩(wěn)樁平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 穩(wěn)樁平臺整體結(jié)構(gòu)有限元模型

穩(wěn)樁平臺主吊耳及其鄰近加強結(jié)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)強度評估采用ANSYS Workbench軟件進行建模。模型包含主吊耳結(jié)構(gòu)及其鄰近加強結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件均采用Hex20體單元模擬。整體網(wǎng)格尺寸為 50 mm×50 mm×50 mm；重磅板及其焊縫細化網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm×10 mm；其他網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，作為粗網(wǎng)格與細網(wǎng)格之間的過渡。吊耳局部模型如圖3所示。

在整體強度計算模型中，由于主要關(guān)注穩(wěn)樁平臺主體結(jié)構(gòu)強度，因此對定位樁-地基土模型簡化處理，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]，在定位樁泥面以下10倍樁徑處施加邊界條件。在吊裝計算模型中，在繩索上端約束x、y和z的方向位移，在頂層平臺分別約束x和y的方向位移。在吊耳局部模型中，在結(jié)構(gòu)交界面處施加固支邊界條件，吊耳主板與重磅板之間的接觸設(shè)置為不分離。

圖3 吊耳局部模型

2.2 載荷工況

計算分析涉及的載荷主要包括：結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量載荷、風載荷、波浪載荷、海流載荷、甲板載荷、作業(yè)載荷及吊點載荷，主要載荷描述及其在模型中的模擬方式如下：

(1)結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量載荷。根據(jù)材料密度和重力加速度g，由GeniE自動生成。穩(wěn)樁平臺和定位樁結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1 351.38 t，考慮后續(xù)穩(wěn)樁平臺加高或定位樁加長等結(jié)構(gòu)變更引起質(zhì)量增加，在吊裝計算時整體質(zhì)量按1 500.00 t考慮。

(2)作業(yè)載荷。包括鋼管樁在起吊定位時對頂部U字形導(dǎo)向的沖擊載荷和在沉樁過程中對下部導(dǎo)向筒水平方向的擠壓載荷，均按100.00 t考慮，以點載荷形式施加于導(dǎo)向相應(yīng)位置。

(3)甲板載荷。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]，在局部設(shè)計時設(shè)備之間的區(qū)域可變功能載荷為5.0 kN/m2，穩(wěn)樁平臺最頂層主要用于存放設(shè)備和人員行走，設(shè)計甲板載荷為5.0 kN/m2，以面載荷形式施加于平臺上表面。

(4)環(huán)境載荷。根據(jù)水文資料，海平面以上125.00 m處的五十年一遇10 min平均風速為54.600 m/s；設(shè)計高水位下的二年一遇有義波高為5.63 m，對應(yīng)的最大波高為10.35 m；五年一遇表層流速為1.060 m/s。結(jié)合可作業(yè)海況限值和穩(wěn)樁平臺實際所處高度綜合考慮，作業(yè)工況環(huán)境條件設(shè)定：風速為15.500 m/s，最大波高為5.25 m，波浪周期為6.74 s，海流流速為1.543 m/s；風暴自存工況環(huán)境條件設(shè)定風速為51.500 m/s，最大波高為10.00 m，波浪周期為9.30 s，海流流速為2.058 m/s。通過設(shè)置環(huán)境參數(shù)，環(huán)境載荷由GeniE自動生成。

(5)吊點載荷。在1 500.00 t吊重和繩索與水平面夾角為60°時，垂向載荷=1 500.00 t/4=375.00 t，沿繩索方向載荷為435.98 t，繩索方向載荷3%的側(cè)向力為13.08 t，分別以軸承負載和面載荷的形式施加于軸孔處。

上述基本載荷工況如表1所示。計算分析不考慮在打樁作業(yè)時振動對穩(wěn)樁平臺的影響、輔助定位樁與地基土之間的相互作用、定位樁入泥部分的結(jié)構(gòu)強度及樁基承載力等問題；不考慮海床對底部防沉板的支撐作用，認為底部出現(xiàn)沖刷掏空，或認為海床坡度超出預(yù)期、調(diào)平后的穩(wěn)樁平臺完全脫離海床，結(jié)構(gòu)重量完全由定位樁支撐，這是一種較為保守的假設(shè)。

表1 基本載荷工況

2.3 設(shè)計方法

穩(wěn)樁平臺整體結(jié)構(gòu)強度計算基于工作應(yīng)力設(shè)計(Working Stress Design，WSD)方法，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5]，分別考慮正常作業(yè)和風暴自存兩種設(shè)計條件。

吊耳局部結(jié)構(gòu)強度評估基于載荷與抗力因數(shù)設(shè)計(Load and Resistance Factor Design，LRFD)方法，考慮承載能力極限狀態(tài)(Ultimate Limit State，ULS)工況。

2.4 吊裝載荷因數(shù)

根據(jù)吊裝作業(yè)方案，穩(wěn)樁平臺和定位樁整體吊裝采用單起重機吊裝作業(yè)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6]規(guī)定，吊裝載荷因數(shù)、載荷因數(shù)和重要性因數(shù)分別如下：質(zhì)量裕度因數(shù)γWeight為1.05，重心不精確性因數(shù)γCOG為1.05，動力放大因數(shù)γDAF為1.15，偏心載荷因數(shù)γSKL為1.10?；贚RFD方法，對于ULS工況，載荷因數(shù)γf為1.30，材料因數(shù)γm為1.15，重要性因數(shù)γc為1.30，則吊耳結(jié)構(gòu)累積安全因數(shù)=γWeight×γCOG×γDAF×γSKL×γf×γm×γc=2.71。

2.5 組合工況

基于上述基本載荷工況、設(shè)計方法和吊裝載荷因數(shù)，考慮結(jié)構(gòu)對稱性，沿水平面每45°方向，分別對基本載荷工況進行組合。組合工況如表2所示，其中：“-1.00”表示某一組合工況所含基本工況載荷因數(shù)為1.00，但與基本工況所定義的載荷方向相反。

表2 組合工況

2.6 評判準則

穩(wěn)樁平臺主體結(jié)構(gòu)校核基于相關(guān)規(guī)范[7]，桿件有效長度系數(shù)均為1.00。WSDa和WSDb工況基本利用因數(shù)(Usage Factor，UF)值分別為0.60和0.80，對應(yīng)的材料因數(shù)分別為1.00/0.60=1.67和1.00/0.80=1.25。

在吊裝計算和吊耳局部模型中，為方便對比結(jié)構(gòu)在同一載荷工況條件下不同安全裕量所對應(yīng)的應(yīng)力情況，累積安全因數(shù)均在材料許用應(yīng)力中考慮，即載荷因數(shù)為1.00，許用UF值為1.00/2.71=0.37。

屈服強度校核基于von Mises等效應(yīng)力進行評估。在板厚t≤16 mm時，Q355高強度鋼最小屈服應(yīng)力為355.00 MPa[8]。以基本UF值為0.60為例，許用應(yīng)力如表3所示。

表3 許用應(yīng)力

2.7 計算結(jié)果分析

基于上述模型和載荷條件進行計算分析，計算結(jié)果如表4所示。桿件校核UF值如圖4所示。von Mises等效應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

表4 計算結(jié)果

圖5 von Mises等效應(yīng)力結(jié)果

在所有工況中，最大UF值略大于許用值1.00，考慮詳細的UF值分布及其對應(yīng)的板殼單元應(yīng)力，校核計算結(jié)果可接受。WSDa工況應(yīng)力最大值出現(xiàn)于頂部U字形導(dǎo)向載荷施加處，WSDb工況和風暴自存工況最大應(yīng)力均出現(xiàn)于工程樁導(dǎo)向筒底部支撐結(jié)構(gòu)肘板趾端。吊裝工況整體模型應(yīng)力最大值出現(xiàn)于鄰近吊點的水平圓管與腿柱連接處，吊耳局部模型最大應(yīng)力出現(xiàn)于軸孔處。WSDb工況、風暴自存工況和吊裝工況高應(yīng)力的原因在于結(jié)構(gòu)幾何突變應(yīng)力集中導(dǎo)致的局部峰值應(yīng)力；WSDa工況和吊耳局部模型高應(yīng)力的原因在于處于載荷施加位置?；趩卧骄鶓?yīng)力進行評判，根據(jù)應(yīng)力超標區(qū)域范圍大小進行判斷，考慮高應(yīng)力區(qū)域周圍網(wǎng)格應(yīng)力水平均在許用范圍內(nèi)，實際高應(yīng)力趨于重新分布，計算結(jié)果可接受。

3 結(jié) 論

針對海上風機導(dǎo)管架基礎(chǔ)鋼管樁施工工藝，提出采用導(dǎo)管架型式的穩(wěn)樁平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。根據(jù)施工作業(yè)方案，結(jié)合所處海域環(huán)境條件，基于相關(guān)規(guī)范，分別對穩(wěn)樁平臺整體結(jié)構(gòu)強度和吊耳局部結(jié)構(gòu)強度進行計算分析，得出如下結(jié)論：

(1)與作業(yè)工況相比，風暴自存工況構(gòu)件UF值明顯較大，對結(jié)構(gòu)較為不利；在實際作業(yè)時若遭遇超出風暴自存環(huán)境條件的惡劣海況，建議采取避風措施。

(2)與風暴自存工況相比，吊裝作業(yè)工況構(gòu)件UF值和最大應(yīng)力均較小，但由于吊點結(jié)構(gòu)強度安全儲備要求較高，因此應(yīng)特別注意吊裝姿態(tài)變化，避免出現(xiàn)較大偏斜，確保吊裝作業(yè)安全。

(3)由于支撐結(jié)構(gòu)與定位樁導(dǎo)向筒連接處肘板趾端和頂部吊點水平圓管與腿柱連接處存在結(jié)構(gòu)幾何突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中，因此在設(shè)計時應(yīng)注意將類似肘板做成軟趾端結(jié)構(gòu)型式、焊縫形狀做成圓弧過渡，減小局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。