劉璐，王俊杰，黃艷紅，張成芹

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上風(fēng)電場主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為高樁承臺基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)，其中單樁基礎(chǔ)是最為主流的基礎(chǔ)形式，目前國內(nèi)建成的900 余座風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中有500 余座采用單樁基礎(chǔ)[1]。風(fēng)機(jī)安裝方式主要有兩種，一種是分體安裝，采用自升式風(fēng)電安裝平臺通過抬升使船體離開水面形成一個(gè)穩(wěn)定的作業(yè)面，或者坐底平臺下潛坐在海床上形成一個(gè)穩(wěn)定的工作面，分部件或組件進(jìn)行安裝。另一種是整體安裝，通過陸域基地將風(fēng)機(jī)拼裝成整體，專用運(yùn)輸駁整體運(yùn)輸至現(xiàn)場，采用雙臂架起重船整體起吊安裝。兩種安裝方式比較見表1。

表1 整體式與分體式安裝方式比較Table 1 Comparison of integral and split installation methods

相較于分體式安裝，整體式安裝特別適用于規(guī)模大的風(fēng)場建設(shè)，具有施工安全、效率高等特點(diǎn)。自東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目首次使用整體式安裝技術(shù)，風(fēng)機(jī)整體安裝技術(shù)先后在三峽響水、上海臨港、國電普陀和珠海桂山等項(xiàng)目應(yīng)用。適用基礎(chǔ)形式有高樁承臺基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)，而對于單樁基礎(chǔ)上的風(fēng)機(jī)整體安裝國內(nèi)外尚無先例。

1 工程概況

本文依托國華東臺四期海上風(fēng)電場項(xiàng)目，以16 號風(fēng)機(jī)機(jī)位為研究對象。16 號風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用無過渡段單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，單樁直徑5.5 m，樁頂高程+11.0 m[2]。風(fēng)機(jī)采用上海電氣4.0 MW 風(fēng)機(jī)，葉片長63.5 m，葉輪直徑130.0 m，輪轂中心高度90 m（平均海平面起算），分3 節(jié)塔筒，風(fēng)機(jī)總重474 t[3]。

2 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)整體安裝技術(shù)方案

2.1 總體工藝

單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體安裝施工采用“陸上基地整機(jī)拼裝、海上整機(jī)運(yùn)輸、海上整機(jī)吊裝、兼有軟著陸及定位功能吊裝體系緩沖著陸定位安裝”的技術(shù)路線[4]，主要施工工藝流程見圖1。

圖1 施工總體工藝流程Fig.1 General construction process

2.2 軟著陸及定位功能吊裝體系

風(fēng)機(jī)整體安裝需要控制風(fēng)機(jī)下降加速度小于0.25g，安裝精度1.5 mm，因此需要依賴一套軟著陸及定位功能吊裝體系來保證安裝的平穩(wěn)和精度[5]。軟著陸及定位功能吊裝體系由平衡梁及索具系統(tǒng)、上部吊架系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)、下部就位系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)組成（如圖2 所示）[6]。其中平衡梁及索具系統(tǒng)、上部吊架系統(tǒng)用于完成海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的陸上組拼、海上運(yùn)輸及吊裝；上部吊架系統(tǒng)和下部就位系統(tǒng)共同作用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在海上的安裝，用于完成塔筒對接的導(dǎo)向、緩沖、同步升降以及精定位自動(dòng)對中，使風(fēng)機(jī)順利地安裝于海上單樁筒體上；控制系統(tǒng)則通過監(jiān)測和控制來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)整體安裝的自動(dòng)化。

圖2 軟著陸及定位功能吊裝體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of hoisting system with soft landing and positioning function

2.3 軟著陸及定位功能吊裝體系支撐方式

由于軟著陸及定位功能吊裝體系的下部就位系統(tǒng)需要事先設(shè)置在基礎(chǔ)上，在安裝時(shí)用來承接風(fēng)機(jī)荷載，因此需在單樁上設(shè)置支承結(jié)構(gòu)，用以安裝固定下部就位系統(tǒng)。

單樁上設(shè)置環(huán)形牛腿，距離法蘭頂面3.0 m，環(huán)形牛腿寬100 mm，牛腿采用DH36 型材，屈服強(qiáng)度355 MPa，端面承壓400 MPa，如圖3 所示。下部就位系統(tǒng)下方擱置在環(huán)形牛腿上，上方通過環(huán)梁抱緊單樁，上下形成牢固的三角形結(jié)構(gòu)，保持穩(wěn)定。

圖3 環(huán)形牛腿支承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the ring bracket support structure

單樁樁徑5.5 m，泥面以上壁厚均為60～65 mm，計(jì)算采用ANSYS 建模，泥面以上樁體和牛腿采用solid45 單元，泥面以下樁采用pipe16 單元，樁土作用采用p-y 曲線[7]。牛腿采用環(huán)形設(shè)計(jì)，距離法蘭頂面3.0 m，環(huán)寬100 mm。牛腿采用DH36 型材，屈服強(qiáng)度355 MPa，端面承壓400 MPa。

1）計(jì)算工況

工況1：極端工況，牛腿環(huán)表面承受8.92 MPa均布壓力。

工況2：風(fēng)機(jī)載荷極限工況。

工況3：疲勞工況，按照單樁等效疲勞載荷，牛腿表面不受力。

工況4：牛腿偏心受壓，計(jì)算模擬采用全截面均布壓力30 MPa。

工況5：打樁工況，從GRWEAP 軟件中提取打樁時(shí)樁頂受到的豎向力，評估打樁過程對牛腿產(chǎn)生的應(yīng)力。

2）計(jì)算結(jié)果

工況1：牛腿應(yīng)力78.6 MPa，小于屈服強(qiáng)度和端面承壓能力。

工況2：風(fēng)機(jī)載荷為風(fēng)機(jī)廠家提供極限載荷，波浪力為SACS 提取，施加于樁頂，按照極端工況計(jì)算。樁身應(yīng)力149 MPa，牛腿應(yīng)力135 MPa，小于屈服強(qiáng)度和端面承壓能力。

工況3：等效疲勞計(jì)算參照DNV-GL-RPC203-2016-04 執(zhí)行[8]。計(jì)算得到最大損傷為0.66，小于1.0，位于牛腿上底面與鋼管樁焊接位置；單樁牛腿上表面應(yīng)力為186 MPa，小于屈服強(qiáng)度和端面承壓能力；單樁牛腿面以上疲勞損傷為0.26，小于1.0。

工況4：牛腿應(yīng)力257 MPa，小于屈服強(qiáng)度和端面承壓能力，整體變形8 mm，相對變形較小。

工況5：采用GRWEAP 打樁軟件提取打樁時(shí)樁身受到的最大豎向力為164.5 MN，計(jì)算得到牛腿表面應(yīng)力為208 MPa，位于焊縫頂端。

根據(jù)以上各工況計(jì)算結(jié)果，牛腿結(jié)構(gòu)均滿足要求。

2.4 附屬構(gòu)件方案

在分體安裝時(shí)，單樁基礎(chǔ)采用整體式附屬構(gòu)件，在沉樁完成安裝附屬構(gòu)件后進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝，由于整體安裝的工藝特點(diǎn)，對附屬構(gòu)件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為“1+2”式的模塊化結(jié)構(gòu)，如圖4所示。即將下半部分設(shè)計(jì)為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在沉樁完成后直接安裝套入單樁中；上半部分設(shè)計(jì)為對拆結(jié)構(gòu)，便于風(fēng)機(jī)整體吊裝完畢后安裝。

圖4 附屬構(gòu)件方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of accessory components

3 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)整體安裝工程應(yīng)用

國華東臺四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場項(xiàng)目于2019 年8 月17 日實(shí)施了全球首例單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)整體安裝技術(shù)工程應(yīng)用，施工實(shí)景如圖5 所示。

圖5 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)整體安裝Fig.5 Integral installation of a single pile foundation wind turbine

工程選取16 號機(jī)位作為風(fēng)機(jī)整體安裝的機(jī)位。2019 年7 月28 日開始進(jìn)行整機(jī)碼頭預(yù)組裝，期間自8 月7 日至8 月13 日共7 d 受臺風(fēng)利奇馬影響，16 號風(fēng)機(jī)拼裝和海上16 號機(jī)位拼裝前的準(zhǔn)備工作受到較大影響；2019 年8 月14 日完成16 號風(fēng)機(jī)預(yù)拼裝工作；8 月16 日16 號風(fēng)機(jī)運(yùn)輸至現(xiàn)場；8 月17 日16 號風(fēng)機(jī)整體吊裝開始并于當(dāng)天完成。

4 結(jié)語

本文針對江蘇國華東臺四期（H2）300 MW 海上風(fēng)電場工程單樁基礎(chǔ)，對風(fēng)機(jī)整體式安裝技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得系列研究成果，實(shí)施了全球首例單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)整體安裝，填補(bǔ)了整體安裝技術(shù)的應(yīng)用空白。

單樁基礎(chǔ)應(yīng)用風(fēng)機(jī)整體式安裝不僅具備技術(shù)可行性，施工工效、經(jīng)濟(jì)性、安全性等均具備一定優(yōu)勢，可提高工程建設(shè)的安全、質(zhì)量等綜合效益，為工程創(chuàng)優(yōu)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)整體式安裝技術(shù)的形成，能夠豐富我國海上風(fēng)電安裝施工技術(shù)方法，為深遠(yuǎn)海風(fēng)機(jī)安裝提供了新的安裝思路和途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。