楊 超，張晨天

(中交三航(上海)新能源工程有限公司，上海 200137)

0 引 言

近年來海上風(fēng)電項(xiàng)目在我國(guó)沿海及近海區(qū)域建設(shè)規(guī)模越來越大，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量從3 MW、4 MW到5 MW、8 MW[1]及最近的10 MW[2]級(jí)別，風(fēng)機(jī)樁基基礎(chǔ)隨之由群樁到單樁。目前最大的單樁直徑達(dá)8.7 m，長(zhǎng)度達(dá)100 m，重量1 740 t[3]。面對(duì)超大、超長(zhǎng)、超重風(fēng)電基礎(chǔ)樁抬吊方案理論計(jì)算方法是否可靠、抬吊方案是否可行、是否存在安全隱患等問題需要從實(shí)踐中找到答案。筆者提出按比例縮小現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基礎(chǔ)樁尺寸、搭建實(shí)物試驗(yàn)?zāi)Ｐ头桨?，不僅是一種操作、省時(shí)、省力也是安全可行的方法之一，其研究與分析結(jié)果對(duì)抬吊方式選用、起重設(shè)備的起重能力、翻身鉗的承載能力選取及風(fēng)險(xiǎn)防控方案的制訂有參考意義。

1 抬吊試驗(yàn)方案

以海上風(fēng)電基礎(chǔ)單樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的主吊耳與翻身鉗抬吊形式[4]為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)物試驗(yàn)方案。

1.1 試驗(yàn)中關(guān)鍵器材

試驗(yàn)中試驗(yàn)鋼管選用長(zhǎng)1 999 mm、外徑200 mm、壁厚2 mm；主吊耳布置位置參考25#風(fēng)機(jī)(單樁)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，按試驗(yàn)鋼管長(zhǎng)度是25#風(fēng)機(jī)(單樁)基礎(chǔ)的0.028 5倍得到，試驗(yàn)中翻身鉗參考300 t規(guī)格翻身鉗，按試驗(yàn)鋼管內(nèi)半徑是25#風(fēng)機(jī)(單樁)基礎(chǔ)樁內(nèi)半徑(翻身鉗鉗口曲面半徑的0.017 5倍得到[5]；測(cè)力計(jì)選用電子顯示式、量程在30 kg、精度等級(jí)為0.05 kg；傾角儀選用電子顯示、精度為0.01°。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)鋼管和實(shí)際風(fēng)電基礎(chǔ)樁有樁頂較重、樁底較輕的特點(diǎn)，增加可在試驗(yàn)鋼管軸向調(diào)節(jié)、固定位置的圓環(huán)體型配重。

1.2 試驗(yàn)中關(guān)鍵參數(shù)

固定參數(shù)： 實(shí)際測(cè)得試驗(yàn)鋼管及主吊耳重7.25 kg、圓環(huán)體型配重重1.25 kg、翻身鉗重0.3 kg、主吊耳中心到樁頂?shù)木嚯x為340 mm、試驗(yàn)鋼管樁及主吊耳重心到樁頂距離為588 mm、圓環(huán)體型配重重心到試驗(yàn)鋼管及主吊耳重心的距離為120 mm。

變動(dòng)參數(shù)：試驗(yàn)鋼管與水平面夾角θ(°)、主吊吊重F1(kg)、輔吊吊重F2(kg)。

1.3 試驗(yàn)操作方法

試驗(yàn)中以龍門架作為試驗(yàn)鋼管抬吊支撐架，手拉葫蘆提供試驗(yàn)鋼管上升或下降的動(dòng)力[6]，測(cè)量力計(jì)測(cè)出主吊吊重、輔吊吊重，傾角儀測(cè)出試驗(yàn)鋼管與水平面夾角，擱架支撐試驗(yàn)鋼管。試驗(yàn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

1.3.1 主吊抬升輔吊配合抬吊試驗(yàn)工況

主吊抬升輔吊配合抬吊過程為：輔吊先小幅度抬升，主吊在抬升，在主吊和輔吊之間來回調(diào)整。當(dāng)試驗(yàn)鋼管離開擱架距離水平地面約為30 cm時(shí)，調(diào)整主吊、輔吊使傾角儀讀數(shù)顯示為零，記下傾斜儀顯示的角度及與之相對(duì)應(yīng)主吊吊重F11(kg)、輔吊吊重F12(kg)讀數(shù)。輔吊不動(dòng)，主吊抬升，記下傾斜儀顯示的角度及與之相對(duì)應(yīng)的主吊吊重F11(kg)、輔吊吊重F12(kg)讀數(shù)，繼續(xù)操作直到傾斜儀的讀數(shù)為90°時(shí)停止，并放置試驗(yàn)鋼管在擱架上。此抬升過程試驗(yàn)鋼管受力分析示意圖如圖2所示。

圖2 主吊抬升輔吊配合抬吊試驗(yàn)鋼管受力分析示意圖

1.3.2 輔吊抬升擱架配合抬吊試驗(yàn)工況

輔吊抬升擱架配合抬吊試驗(yàn)過程為：擱架保持不動(dòng)，輔吊剛受力且傾角儀顯示讀數(shù)為0°時(shí)，記下傾角儀顯示讀數(shù)及輔吊吊重F22(kg)讀數(shù)。輔吊繼續(xù)抬升，記下傾斜儀顯示讀數(shù)及對(duì)應(yīng)的輔吊吊重F22(kg)讀數(shù)，直到試驗(yàn)鋼管從輔吊的翻身鉗鉗口中滑落時(shí)停止輔吊抬升，并放置試驗(yàn)鋼管在擱架上。此抬升過程試驗(yàn)鋼管受力分析示意圖如圖3所示。

圖3 輔吊抬升擱架配合抬吊試驗(yàn)鋼管受力分析示意圖

1.3.3 輔吊抬升主吊配合抬吊試驗(yàn)工況

輔吊抬升主吊配合抬吊試驗(yàn)過程為：輔吊先小幅度抬升，主吊在抬升，當(dāng)試驗(yàn)鋼管離開擱架距離水平地面約為30 cm時(shí)，調(diào)整主吊或輔吊使傾角儀讀數(shù)為0°，記下傾角儀讀數(shù)及與之相對(duì)應(yīng)的主吊吊重F31(kg)、輔吊吊重F32(kg)讀數(shù)。主吊不動(dòng)，輔吊抬升，記下傾斜儀顯示讀數(shù)及與之相對(duì)應(yīng)的主吊吊重F31(kg)、輔吊吊重F32(kg)讀數(shù)，直到試驗(yàn)鋼管從輔吊的翻身鉗鉗口中滑落時(shí)停止抬升，放置試驗(yàn)鋼管在擱架上。此抬升過程試驗(yàn)鋼管受力分析示意圖如圖4所示。

圖4 輔吊抬升主吊配合抬吊試驗(yàn)工況試驗(yàn)鋼管受力分析示意圖

2 試驗(yàn)中主吊吊重、輔吊吊重理論計(jì)算

2.1 試驗(yàn)理論計(jì)算基本原理

因試驗(yàn)鋼管在主吊(或擱架)、輔吊、自重及圓環(huán)型體配重共同作用下，試驗(yàn)鋼管每個(gè)傾斜角度都處于平衡狀態(tài)?？衫昧Φ钠胶庠?即作用在試驗(yàn)鋼管上所有力的合力為零)和力矩平衡原理(即對(duì)試驗(yàn)鋼管重心處作用的合力矩)，計(jì)算出試驗(yàn)鋼管在對(duì)應(yīng)傾斜角度下主吊吊重(或擱架支持力)、輔吊吊重。

2.2 不同工況下的理論計(jì)算

2.2.1 主吊抬升輔吊配合抬吊試驗(yàn)工況下理論計(jì)算

在主吊抬升輔吊配合抬吊狀態(tài)下受力分析示意圖，如圖5所示。

圖5 主吊抬升輔吊配合抬吊試驗(yàn)鋼管所受力矩分析示意圖

根據(jù)圖 5利用力平衡原理及力矩平衡原理計(jì)算該工況下主吊吊重理論值為：

F11=

輔吊吊重理論值為：

2.2.2 輔吊抬升擱架配合抬吊試驗(yàn)工況

在輔吊抬升擱架配合抬吊試驗(yàn)工況下受力分析示意圖，如圖6所示。

圖6 輔吊抬升擱架配合抬吊試驗(yàn)鋼管所受力矩分析示意圖

根據(jù)圖 6利用力平衡原理及力矩平衡原理計(jì)算該工況下輔吊吊重理論值為：

2.2.3 輔吊抬升主吊配合抬吊試驗(yàn)工況

在輔吊抬升主吊配合抬吊試驗(yàn)工況下受力分析示意圖，如圖7所示。

圖7 輔吊抬升主吊配合抬吊試驗(yàn)鋼管所受力矩分析示意圖

根據(jù)圖 7利用力平衡原理及力矩平衡原理計(jì)算該工況下輔吊吊重理論值為：

F31=

輔吊吊重理論值為：

3 試驗(yàn)鋼管抬升試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

經(jīng)粗略分析輔吊抬升擱架配合抬吊工況、輔吊抬升主吊配合抬吊工況理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)變化趨勢(shì)相反，為了方便比較理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，以主吊抬升輔吊配合抬吊工況理論計(jì)算為基礎(chǔ)，分別把該工況下主吊吊重理論計(jì)算值與鋼管抬吊試驗(yàn)在不同工況下實(shí)測(cè)主吊吊重值放在一起、輔吊吊重理論計(jì)算值與鋼管抬吊試驗(yàn)在不同工況下實(shí)測(cè)輔吊吊重值放在一起進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 主吊吊重實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比分析

以試驗(yàn)鋼管同水平面夾角θ為橫坐標(biāo)，把主吊抬升輔吊配合抬吊理論計(jì)算的主吊吊重值同試驗(yàn)中主吊抬升輔吊配合抬吊及輔吊抬升主吊配合抬吊工況下實(shí)測(cè)主吊吊重值繪制在同一圖中，如圖8所示。

圖8 主吊吊重實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比分析圖

圖8反映出在主吊抬升輔吊配合抬吊工況下主吊吊重理論計(jì)算和實(shí)測(cè)值趨勢(shì)相一致，結(jié)果相近似；主吊抬升輔吊配合抬吊工況下主吊吊重理論計(jì)算值比輔吊抬升主吊配合抬吊工況下實(shí)測(cè)值大；當(dāng)θ=90°時(shí)，主吊抬升輔吊配合抬吊工況下主吊最大吊重為試驗(yàn)鋼管及配重總重。

3.2 輔吊吊重實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比分析

以試驗(yàn)鋼管同水平面夾角θ為橫坐標(biāo)，把主吊抬升輔吊配合抬吊理論計(jì)算的主吊吊重值同試驗(yàn)中主吊抬升輔吊配合抬吊、輔吊抬升擱架配合抬吊及輔吊抬升主吊配合抬吊工況下實(shí)測(cè)輔吊吊重值繪制在同一圖中，如圖9所示。

圖9 輔吊吊重實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比分析圖

圖9反映出主吊抬升輔吊配合抬吊工況下輔吊吊重理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值趨勢(shì)相一致，結(jié)果相近似；輔吊抬升擱架配合抬吊工況和輔吊抬升主吊配合抬吊工況下實(shí)測(cè)輔吊吊重值比主吊抬升輔吊配合抬吊工況下理論計(jì)算的輔吊吊重值都要大些。試驗(yàn)中當(dāng)θ>10°，在輔吊抬升擱架配合抬吊工況和輔吊抬升主吊配合抬吊工況下，翻身鉗與鋼管間發(fā)生滑移，隨后鋼管從翻身鉗鉗口滑落。

4 總 結(jié)

在主吊抬升輔吊配合抬吊工況下理論計(jì)算主吊吊重、輔吊吊重與試驗(yàn)實(shí)測(cè)主吊吊重、輔吊吊重值相近，隨試驗(yàn)鋼管與水平面夾角θ變化而變化的趨勢(shì)相同； 輔吊抬升擱架配合抬吊工況和輔吊抬升主吊配合抬吊工況下試驗(yàn)實(shí)測(cè)輔吊重值與理論計(jì)算輔吊吊重值隨試驗(yàn)鋼管與水平面夾角θ變化而變化的趨勢(shì)相反，同時(shí)都大于主吊抬升輔吊配合抬吊工況下試驗(yàn)實(shí)測(cè)輔吊吊重值；輔吊抬升時(shí)鋼管有從翻身鉗鉗口滑落的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語

在主吊和翻身鉗參與風(fēng)電基礎(chǔ)單樁抬吊吊裝方案中，主吊抬升輔吊配合抬吊的吊裝方式有利于風(fēng)電基礎(chǔ)單樁立樁(豎樁)，同時(shí)可以根據(jù)理論計(jì)算得到和實(shí)際相近的主吊吊重值、輔吊吊重值為起重設(shè)備、翻身鉗、工索具等選用提供參考。為防止已選用翻身鉗所受載荷超過其極限值，及風(fēng)電基礎(chǔ)單樁從翻身鉗鉗口滑落，翻身鉗抬升幅度應(yīng)控制小一些。此試驗(yàn)研究可為今后大直徑、超長(zhǎng)、超重海上風(fēng)電基礎(chǔ)單樁抬吊吊裝方案在選用經(jīng)濟(jì)型吊裝方式、吊裝機(jī)具參數(shù)方面提供參考，同時(shí)也可為抬吊過程中降低安全風(fēng)險(xiǎn)因素、提高安全保障方面提供參考。