賈 森 劉鵬飛 劉安琴

1煙臺(tái)理工學(xué)院 煙臺(tái) 264000 2煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司 煙臺(tái) 264012

0 引言

隨著全球環(huán)境污染及能源緊缺問題的日趨嚴(yán)重，人類對(duì)能源需求量的日益增加陸地能源的日漸枯竭,世界各國對(duì)海洋資源越來越重視，加緊了對(duì)海洋資源的開發(fā)利用[1]。風(fēng)能作為一種可再生無污染能源，其發(fā)展越來越受到重視。在各種海洋平臺(tái)中，自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)適用于淺海海區(qū)，具有用鋼量少、造價(jià)低、在各種海況下幾乎都能持續(xù)工作且效率較高等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而，自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)樁腿長(zhǎng)度有限，使其工作水深受到限制。最大工作水深約550 ft，超過此水深樁腿質(zhì)量增加很快，水下受到波浪相應(yīng)也會(huì)增大，同時(shí)拖航時(shí)樁腿升起很高，對(duì)樁腿強(qiáng)度和平臺(tái)穩(wěn)性很不利。本文通過系列的計(jì)算，總結(jié)出樁腿各構(gòu)件對(duì)樁腿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)規(guī)律，從而為樁腿優(yōu)化設(shè)計(jì)起到一定指導(dǎo)意義。

1 自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)

自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)按樁腿數(shù)量分有3腿、4腿、5腿[3]。3腿自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)具有更加優(yōu)越的穩(wěn)性，目前全球的3腿自升式鉆井平臺(tái)占全部自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)總量的80%以上。按樁腿的形式自生式風(fēng)電安裝平臺(tái)常見的樁腿結(jié)構(gòu)形式分為殼體式和桁架式2種，殼體式樁腿制造簡(jiǎn)單，以插銷式為主，插銷式殼體無需焊接齒條，但其鋼結(jié)構(gòu)利用率低，經(jīng)濟(jì)性能不好，波浪載荷大，同等承載能力下需要更多的鋼結(jié)構(gòu)，且僅適用于淺水域。一般工作水深在250 ft以下，再深則需增大樁腿尺寸，由此會(huì)導(dǎo)致更大的波浪載荷，結(jié)構(gòu)質(zhì)量也會(huì)增加。桁架式樁腿鋼結(jié)構(gòu)利用率高，波浪載荷小，可適用于較深海域，但制作要求高，尤其齒條的焊接和安裝難度較大，故250～550 ft水深的自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)一般采用桁架式結(jié)構(gòu)。綜合2種樁腿優(yōu)缺點(diǎn)，采用插銷桁架式樁腿，主弦管同截面設(shè)置2個(gè)插銷孔。

桁架式樁腿按照弦桿數(shù)量分有3弦桿和4弦桿式，典型的3弦桿桁架式樁腿結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型樁腿結(jié)構(gòu)圖

桁架式樁腿由主弦桿、斜撐桿、水平撐桿、內(nèi)水平撐等組成，在弦桿上有插銷空，供插銷式液壓升降機(jī)構(gòu)把平臺(tái)主體進(jìn)行升降。

2 不同結(jié)構(gòu)形式樁腿的等效幾何性質(zhì)

自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主船體的剛度比樁腿的剛度要大得多，且由樁腿受力情況可知，樁腿為壓彎構(gòu)件，其強(qiáng)度相對(duì)于船體而言是薄弱構(gòu)件[4]，故樁腿整體強(qiáng)度計(jì)算是必不可少的。

由于插銷桁架式樁腿被理想化為相當(dāng)桿件，應(yīng)先要求得其相當(dāng)桿件的截面幾何性質(zhì)。常見的樁腿側(cè)面形式如圖2所示。

圖2中3種形式的桁架式樁腿的側(cè)面等效剪切面積AQ分別為

圖2 不同形式樁腿等效剪切面積示意圖

整個(gè)桁架式樁腿的截面幾何性質(zhì)計(jì)算為

式中：A為樁腿截面面積；AQy、AQz為樁腿在y、z方向的等效剪切面積，即樁腿抗剪切能力；Iy、Iz為樁腿對(duì)y、z軸的慣性矩，即樁腿抗彎能力；IT為樁腿截面扭轉(zhuǎn)慣性矩，即樁腿抗扭能力；ν為材料泊松比。

3 樁腿各構(gòu)件對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響

3.1 有限元模型

該自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的主體為三角形箱形結(jié)構(gòu)，有3條插銷式桁架式樁腿，樁腿為K形結(jié)構(gòu)，每條腿有3根主弦桿，根據(jù)平臺(tái)特點(diǎn)，平臺(tái)主體和樁腿均用桿單元進(jìn)行模擬[5]。計(jì)算模型如圖3所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于前樁靴基線與樁腿軸線交點(diǎn)處，X軸正向指向平臺(tái)艏部，Y軸正向指向平臺(tái)左舷，Z軸正向豎直向上。

圖3 計(jì)算模型

在圖3中，模型A根據(jù)ABS規(guī)范將樁腿簡(jiǎn)化為一根等效梁[6]，建立不同節(jié)距高度及不同弦桿間距的模型，來計(jì)算樁腿的整體強(qiáng)度，不同節(jié)距高度和弦桿間距的等效梁尺寸如表1、表2所示。

表1 不同節(jié)距高度的等效梁尺寸

表2 不同水平撐長(zhǎng)度的等效梁尺寸

模型B平臺(tái)主體和樁腿上的桿件都用桿單元模擬，建立一系列不同弦桿、斜撐和水平撐桿壁厚的模型，計(jì)算樁腿的強(qiáng)度，不同斜撐、水平撐和弦桿壁厚尺寸如表3、表4所示。

表3 不同斜撐和水平撐的尺寸 mm

表4 不同弦桿的尺寸 mm

在樁腿的強(qiáng)度計(jì)算中，每個(gè)樁腿主弦管上插入的圓柱銷共同承擔(dān)載荷。圓柱銷插入主弦管如圖4所示。

圖4 插銷插入主弦管示意圖

3.2 邊界條件

自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)在風(fēng)暴自存工況下樁腿所受的外力要比正常工作時(shí)大，故以風(fēng)暴自存工況進(jìn)行計(jì)算。邊界條件按照ABS規(guī)范，取海底泥面下3 m處簡(jiǎn)支[7]。

3.3 載荷施加

風(fēng)電安裝平臺(tái)船體被樁腿支撐在海面之上時(shí)，船體上的甲板載荷和風(fēng)載將通過樁腿傳到海底，這時(shí)樁腿受到風(fēng)力、波浪力、潮流力、平臺(tái)的重力及功能性載荷、慣性力和P -Δ二次彎矩等的影響。在風(fēng)暴自存工況下，平臺(tái)一般處于不工作狀態(tài)，這時(shí)壓載艙會(huì)打入壓載，作業(yè)機(jī)構(gòu)收回。這時(shí)的重力載荷包括空船質(zhì)量、可變載荷、固定載荷，這些載荷都會(huì)以點(diǎn)載荷方式施加在平臺(tái)主體梁上，由靜力等效原理，風(fēng)載、慣性載荷、P -Δ載荷均可轉(zhuǎn)化為力與彎矩之和，以力和彎矩的形式施加。環(huán)境載荷包括風(fēng)、浪、流引起的載荷。

3.4 樁腿強(qiáng)度校核

對(duì)于承受軸向壓縮和彎曲載荷共同作用的構(gòu)件，ABS規(guī)范給出其壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足

當(dāng)fa/Fa≤0.15時(shí)，壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力應(yīng)該滿足

式中：fa為計(jì)算軸向壓應(yīng)力，F(xiàn)a為計(jì)算軸向臨界應(yīng)力，Cmx、Cmy為x軸、y軸的修正系數(shù)，fbx、fby為x軸、y軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，F(xiàn)bx、Fby為x軸、y軸的許用彎曲應(yīng)力，F(xiàn)＇ex、F＇ey為x軸、y軸的歐拉應(yīng)力。

3.5 樁腿各構(gòu)件對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響規(guī)律

根據(jù)風(fēng)暴自存工況下平臺(tái)所受載荷，計(jì)算平臺(tái)的強(qiáng)度依據(jù)AISC規(guī)范對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，計(jì)算結(jié)果如圖5所示，平臺(tái)樁腿受到的彎矩剪力如圖6所示[8]。

圖5 風(fēng)暴自存工況下平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

圖6 風(fēng)暴自存工況下平臺(tái)樁腿剪力和彎矩圖

由圖5、圖6可知，樁腿最大的UC值出現(xiàn)在圍井區(qū)域，向下至樁腿底部逐漸減小。由于斜撐桿是傳遞水平載荷和彎矩的，使樁腿上弦桿的應(yīng)力趨于平衡，故其承受了很大的剪切力和彎矩[9]。水平撐桿相對(duì)的弱于弦桿，主要承受橫向載荷。弦桿的主要作用是抵抗壓力和彎矩，根據(jù)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的受力特征，平臺(tái)樁腿所受彎矩從樁腿底部到平臺(tái)主體位置逐漸增加，所以弦桿UC值也是從下到上逐步增加，至圍井區(qū)域位置達(dá)到最大。

計(jì)算不同節(jié)距高度和不同弦桿距離系列模型的強(qiáng)度，取圍井區(qū)樁腿同一位置構(gòu)件在各工況下的最大值，分別得出等效樁腿整體強(qiáng)度的UC值隨節(jié)距高度和弦桿距離變化的曲線如圖7、圖8所示。

圖7 UC值隨樁腿節(jié)距高度變化曲線圖

圖8 UC值隨樁腿弦桿距離變化曲線圖

由圖7可知，當(dāng)斜撐桿和水平撐桿尺寸不變時(shí)，隨樁腿節(jié)距的增加等效樁腿的UC值先快速下降，在節(jié)距高度為15 ft時(shí)UC值達(dá)到最小值，之后再緩慢上升，說明等效樁腿強(qiáng)度在節(jié)距高度為15 ft時(shí)最大。由圖8中可知，當(dāng)樁腿節(jié)距高度不變時(shí)，隨著弦桿距離的增加等效樁腿的UC值呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的二次曲線形式，先下降并當(dāng)水平撐桿長(zhǎng)度在25 ft時(shí)UC值達(dá)到最小值，而后上升，說明等效樁腿強(qiáng)度在水平撐桿長(zhǎng)度為25 ft時(shí)最大。

計(jì)算不同撐桿和弦桿壁厚的系列模型的強(qiáng)度，取圍井區(qū)樁腿同一位置構(gòu)件在各工況下的最大值，分別得出樁腿的UC值隨節(jié)距高度和弦桿距離變化的變化規(guī)律。

當(dāng)斜撐和水平撐管厚的增加而其他桿件尺寸不變時(shí)，隨著斜撐和水平撐管厚的增加，弦桿的UC值有所減小，但變化不大。由此，從計(jì)算結(jié)果中可知，當(dāng)樁腿強(qiáng)度不夠需要修改時(shí)，增大撐桿尺寸對(duì)弦管強(qiáng)度影響不大。當(dāng)弦桿壁厚增加而其他桿件尺寸不變時(shí)，隨著弦桿管厚度的增加，斜撐和水平撐的UC值無顯著變化，而弦桿的UC值呈線性下降，但下降斜率不是太大。因此，當(dāng)樁腿強(qiáng)度不夠需要修改時(shí)，增大弦桿尺寸對(duì)斜撐桿和水平撐桿強(qiáng)度無較大影響，但樁腿質(zhì)量會(huì)增加很多。

4 結(jié)論

對(duì)某自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)，按照ABS船籍社的規(guī)范要求，計(jì)算了4種不同形式的樁腿抗彎、抗扭、抗剪的利用率，研究了樁腿的不同結(jié)構(gòu)尺寸在風(fēng)暴自存工況下的綜合強(qiáng)度，得出以下結(jié)論：

1）隨著樁腿節(jié)距的高度和弦桿間距變化，樁腿形式B的抗扭、抗剪能力都明顯優(yōu)于其他3種，形式A的次之,形式D的最差，4種形式抗彎能力相差不大。

2）在風(fēng)暴自存工況下，樁腿最大的UC值出現(xiàn)在圍井區(qū)域，向下至樁腿底部逐漸減小。水平撐桿相對(duì)的弱于弦桿，其主要是承受橫向載荷。平臺(tái)樁腿所受彎矩從樁腿底部到平臺(tái)主體位置逐漸增加，所以弦桿UC值也是從下到上逐步增加，至平臺(tái)圍井區(qū)域位置達(dá)到最大。

3）當(dāng)斜撐桿和水平撐桿尺寸不變時(shí)，隨著樁腿節(jié)距的增加，等效樁腿的UC值先快速下降，當(dāng)節(jié)距高度為15 ft時(shí)UC值達(dá)到最小值，后再緩慢上升，當(dāng)樁腿節(jié)距高度不變時(shí)，隨著水平撐桿長(zhǎng)度的增加，等效樁腿的UC值呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的二次曲線形式，先下降并當(dāng)水平撐桿長(zhǎng)度在25 ft時(shí)UC值達(dá)到最小值，而后上升。

4）增大撐桿壁厚對(duì)弦管強(qiáng)度影響不大，增大弦桿尺寸對(duì)斜撐桿和水平撐桿強(qiáng)度沒有太大影響，但樁腿質(zhì)量會(huì)增加很多。