杜宇，王晨旭

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.天津大學(xué)，天津 300072）

0 引言

全球范圍內(nèi)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的主流形式是單樁基礎(chǔ)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]，單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)數(shù)量在歐洲已達(dá)到裝機(jī)總數(shù)的3/4。然而，由于環(huán)境條件和船機(jī)裝備的區(qū)別，我國海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的施工采用了與歐洲有所區(qū)別的技術(shù)路線[2]。在歐洲，單樁基礎(chǔ)的施工主要依靠船載抱樁器，而我國發(fā)展出了一種抱樁器與施工船分離的穩(wěn)樁平臺(tái)單樁基礎(chǔ)施工方法，目前該工藝在我國的海上風(fēng)電施工領(lǐng)域占據(jù)著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。

采用穩(wěn)樁平臺(tái)單樁施工的總體工藝可以分為2個(gè)步驟，首先是完成穩(wěn)樁平臺(tái)的安裝，之后將單樁豎立放入穩(wěn)樁平臺(tái)抱樁器的龍口之中。穩(wěn)樁平臺(tái)的抱樁器設(shè)有液壓頂升裝置，用于水平推頂單樁，以調(diào)節(jié)單樁的垂直度。目前國內(nèi)穩(wěn)樁平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式百花齊放，但作為一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)，往往結(jié)構(gòu)尺寸較小、重量較輕以方便吊裝，因此穩(wěn)樁平臺(tái)的剛度較小，在運(yùn)輸時(shí)往往不能躺運(yùn)或濕拖，而采用運(yùn)輸船豎立運(yùn)輸。隨著我國海上風(fēng)電逐步向深水大浪海域發(fā)展，穩(wěn)樁平臺(tái)的豎立運(yùn)輸將面臨更惡劣海況所帶來的挑戰(zhàn)。本文以廣東某在建海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為背景，對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)豎立運(yùn)輸過程中的一系列技術(shù)問題進(jìn)行研究，總結(jié)穩(wěn)樁平臺(tái)豎立運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

1 項(xiàng)目背景及運(yùn)輸需求

廣東海域海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)穩(wěn)樁平臺(tái)由陽江海域運(yùn)至南澳島海域。航行距離約350 n mile，采用“博茂號(hào)”甲板貨船運(yùn)輸，船長(zhǎng)133 m，型寬32 m，型深7.6 m，設(shè)計(jì)吃水5.3 m，航速約為8 kn，不間斷航行時(shí)間為44 h，小于3 d。穩(wěn)樁平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)為4根材質(zhì)為Q345B、直徑2 400 mm、壁厚24 mm的圓管腿柱，腿柱之間由材質(zhì)Q345B、直徑630 mm、壁厚14 mm的圓管撐桿支撐，見圖1。穩(wěn)樁平臺(tái)的總高度為60 m，總重量約1 500 t，重心垂直位置距平臺(tái)底基線33.34 m。

圖1 穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the bottom-founded gripper

穩(wěn)樁平臺(tái)在海上運(yùn)輸過程中無攬風(fēng)繩參與系固，這樣可大大提高作業(yè)效率，避免裝船和卸船過程中的高空作業(yè)。穩(wěn)樁平臺(tái)的系固僅為腿柱底部通過肘板的焊接連接，且肘板背面無法進(jìn)行加強(qiáng)，因此穩(wěn)樁平臺(tái)的豎立運(yùn)輸存在較大的挑戰(zhàn)性。

2 運(yùn)輸分析

2.1 運(yùn)輸船舶選擇

所選取的船舶需要具備在預(yù)定航路完成穩(wěn)樁平臺(tái)運(yùn)輸?shù)哪芰ΑＪ紫劝ù胺€(wěn)性和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，這部分內(nèi)容可首先根據(jù)船舶裝載手冊(cè)進(jìn)行判斷，指導(dǎo)船舶的初步選擇。與運(yùn)輸大型構(gòu)件不同[3]，穩(wěn)樁平臺(tái)由于重量較小，對(duì)運(yùn)輸船舶穩(wěn)性和強(qiáng)度的要求都不高，因此不作為本文的分析重點(diǎn)。

2.2 運(yùn)輸船舶誘導(dǎo)加速度計(jì)算

穩(wěn)樁平臺(tái)在運(yùn)輸過程中受到的船舶誘導(dǎo)加速度所產(chǎn)生的慣性力是其在運(yùn)輸過程中受到的主要荷載之一。目前計(jì)算重大件運(yùn)輸?shù)拇罢T導(dǎo)加速度主要有兩種方法，一種是直接計(jì)算船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[4-5]，另一種是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶任意位置的誘導(dǎo)加速度[6-7]。很顯然，采用直接計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的方法更加合理，該方法可首先采用基于邊界元法的水動(dòng)力軟件計(jì)算出船舶運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子RAO，之后采用頻域的方法快速計(jì)算出設(shè)計(jì)海況條件下的船舶誘導(dǎo)加速度極值。

由于航行時(shí)間小于3 d，因此采用1 a一遇波浪條件進(jìn)行分析評(píng)估[4]。根據(jù)目前收集的實(shí)測(cè)海洋數(shù)據(jù)，運(yùn)輸路線所途徑海域的1 a重現(xiàn)期波浪條件的最大有義波高為6.361 m。當(dāng)前國際普遍采用的水動(dòng)力軟件如WAMIT是基于零航速條件的水動(dòng)力分析軟件，無法直接計(jì)算有航速條件下的水動(dòng)力分析，因此常采用的方法是將波浪周期進(jìn)行航速修正（式（1））[5]：

式中：Tp為譜峰周期；Hs為有義波高；θ為運(yùn)輸船與波浪的夾角；V為航速。之后采用基于零航速水動(dòng)力分析軟件計(jì)算對(duì)應(yīng)不同航速條件下的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其方法是根據(jù)給定的Hs和Tp生成不規(guī)則波浪譜SW（ω），根據(jù)海洋工程手冊(cè)[8]，對(duì)于西太平洋海域和重現(xiàn)期為1 a一遇的波浪條件，可采用PM譜作為不規(guī)則波浪譜的譜型?？赏ㄟ^式（2）計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜：

式中：α為超越概率，計(jì)算3 h極值時(shí)：

式中：Tz為平均跨零周期。計(jì)算得到運(yùn)輸船在各海況條件下，穩(wěn)樁平臺(tái)重心處的橫向加速度為9.79 m/s2，縱向加速度為0.84 m/s2，垂向附加加速度為3.14 m/s2。其中橫向加速度較高，按照此加速度所產(chǎn)生的慣性力，可能會(huì)對(duì)船舶甲板造成損傷，需要將橫向加速度降低至6.53 m/s2。因此，可采用限制波浪條件的做法，將航行過程中的限制航行波浪條件降低至3.8 m有效波高。由于不間斷航行時(shí)間小于3 d，因此采用該方法是可行的[4]。

2.3 系固支撐計(jì)算

穩(wěn)樁平臺(tái)在運(yùn)輸過程中不設(shè)攬風(fēng)繩，全部依靠在腿柱底部與船舶的焊接來固定穩(wěn)樁平臺(tái)。在穩(wěn)樁平臺(tái)的腿柱底部和船舶甲板之間采用支墩作為過渡，見圖2，有效地分散作用給甲板的荷載。支墩長(zhǎng)寬均為4.1 m，高為0.716 m，由10根T型材焊接組成，在水平兩個(gè)方向上各布置5根，T型材的腹板和面板均為12 mm，材料為Q345B。且支墩的筋板結(jié)構(gòu)與甲板骨材和桁材的布置相對(duì)應(yīng)，以提供背后加強(qiáng)。

圖2 穩(wěn)樁平臺(tái)腿柱與船舶甲板連接示意圖Fig.2 Connection between the corner columns of bottom-founded gripper and the barge deck

根據(jù)規(guī)范[9]中對(duì)支承件的強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)橫向滑動(dòng)、橫向翻轉(zhuǎn)、縱向滑動(dòng)3個(gè)工況下的系固支撐分別進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于橫向滑動(dòng)和縱向滑動(dòng)，計(jì)算連接結(jié)構(gòu)對(duì)橫向和縱向的水平力的抵抗能力。結(jié)合穩(wěn)樁平臺(tái)腿柱底部焊接系固的特點(diǎn)，底部連接需要分別滿足：

式中：Fx和Fy分別為橫向滑移力和縱向滑移力；Asi為穩(wěn)樁平臺(tái)腿柱底部第i個(gè)連接件的連接面積；b為橫向滑移力繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心翻轉(zhuǎn)的力臂；di為穩(wěn)樁平臺(tái)底部第i個(gè)連接件連接面積形心至轉(zhuǎn)動(dòng)中心翻轉(zhuǎn)的力臂。需要注意的是，式（5）和式（6）不僅需要針對(duì)底部連接件結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行校核，也需要對(duì)連接件與支墩的焊接進(jìn)行校核。

對(duì)于全焊透結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為焊接面積與結(jié)構(gòu)剖面相同；而對(duì)于角焊縫則焊接連接面積為焊縫長(zhǎng)度與焊喉的乘積，需要進(jìn)行抗沖剪和抗拉壓的驗(yàn)算。本次穩(wěn)樁平臺(tái)的焊接系固為每個(gè)腿柱設(shè)18支肘板進(jìn)行連接。由于采用焊接連接，可認(rèn)為4個(gè)腿柱的18支肘板（共72支）全部參與抗剪和抗拉壓。焊接采用深熔焊，焊喉14 mm，有效焊縫長(zhǎng)度為260 mm，肘板尺寸和焊接均滿足系固連接的要求。

2.4 穩(wěn)樁平臺(tái)模態(tài)分析

在評(píng)價(jià)穩(wěn)樁平臺(tái)自身在運(yùn)輸過程中的強(qiáng)度問題之前，需要進(jìn)行模態(tài)分析，以辨識(shí)穩(wěn)樁平臺(tái)的固有頻率和外界激勵(lì)頻率之間的關(guān)系。如外界激勵(lì)頻率接近平臺(tái)固有頻率，則應(yīng)該采用動(dòng)力分析方法進(jìn)行平臺(tái)的強(qiáng)度計(jì)算，或考慮通過增加附加質(zhì)量等方式改變平臺(tái)的固有頻率。

表1展示了穩(wěn)樁平臺(tái)固定在支墩上的前6階模態(tài)，由于船體質(zhì)量和剛度遠(yuǎn)大于穩(wěn)樁平臺(tái)，在計(jì)算時(shí)假設(shè)船體是剛體。圖3同時(shí)展示了穩(wěn)樁平臺(tái)對(duì)應(yīng)1階模態(tài)的變形。穩(wěn)樁平臺(tái)的1階頻率為1.580 1 Hz，遠(yuǎn)大于波浪的激勵(lì)頻率，因此穩(wěn)樁平臺(tái)在受到波浪激勵(lì)時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)不明顯，因此進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)采用準(zhǔn)靜力的方法計(jì)算是合理的。

圖3 穩(wěn)樁平臺(tái)1階模態(tài)變形圖Fig.3 The deformation of the bottom-founded gripper for mode 1

表1 穩(wěn)樁平臺(tái)各階模態(tài)頻率Table 1 The natural frequency of the bottom-founded gripper for different mode

2.5 穩(wěn)樁平臺(tái)強(qiáng)度分析

采用準(zhǔn)靜力的方法對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)海上運(yùn)輸時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型中，穩(wěn)樁平臺(tái)腿柱底部固定支撐約束，通過設(shè)置集中質(zhì)量的方式來處理各種附件。荷載為重力加速度、船舶運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的慣性力以及風(fēng)荷載和甲板上浪，慣性力的施加主要采用將穩(wěn)樁平臺(tái)重心位置的水平向加速度轉(zhuǎn)換為角加速度，并施加給穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)?？紤]轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于船舶水線位置，此時(shí)橫向加速度6.53 m/s2將轉(zhuǎn)化為角加速度0.183 2 rad/s2，并同時(shí)考慮20°最大橫搖角情況下由重力施加給結(jié)構(gòu)的水平分力的作用，根據(jù)規(guī)范要求，橫搖慣性加速度和最大橫搖角的影響應(yīng)進(jìn)行保守的線性疊加[6]。風(fēng)荷載[9]為穩(wěn)樁平臺(tái)投影面積乘以1 kN/m2，甲板上浪[9]僅考慮干舷甲板高度2 m以下部分的貨物的側(cè)投影面積乘以1 kN/m2。

計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示各構(gòu)件的受力特點(diǎn)是以軸向力為主。之后采用API-RP-2A WSD對(duì)于圓管型桿件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核[10]，并分別對(duì)桿件軸向壓縮、拉伸、彎曲和局部屈曲進(jìn)行校核。校核結(jié)果顯示穩(wěn)樁平臺(tái)在運(yùn)輸階段的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

2.6 肘板局部強(qiáng)度分析

由于穩(wěn)樁平臺(tái)性能的需要，系固的肘板在腿柱上無背后加強(qiáng)，因此存在局部破壞的可能。為研究肘板及其連接的腿柱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，采用基于超細(xì)網(wǎng)格實(shí)體單元的有限元分析。為克服實(shí)體單元有限元分析所帶來的計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的缺點(diǎn)，僅在穩(wěn)樁平臺(tái)腿柱底部3 m高度范圍內(nèi)采用實(shí)體單元建模，其余腿柱結(jié)構(gòu)依然采用梁?jiǎn)卧M，在梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元腿柱的交界面上采用多點(diǎn)剛性耦合連接（MPC）的方式將兩部分連接，這種方法可以有效地傳遞荷載。

肘板區(qū)域采用超細(xì)網(wǎng)格劃分，在肘板板厚方向設(shè)4層網(wǎng)格，網(wǎng)格采用四面體單元，此類網(wǎng)格適合復(fù)雜幾何的網(wǎng)格劃分，具有較好的適應(yīng)性，雖然屬于1階單元，但網(wǎng)格足夠細(xì)，計(jì)算結(jié)果依然可靠。

本次計(jì)算的載荷與2.5節(jié)計(jì)算相同，計(jì)算得到實(shí)體單元的等效應(yīng)力（von-Mises應(yīng)力）。最大等效應(yīng)力約349 MPa，但很明顯位于肘板與腿柱連接處的趾端位置，屬于典型的由非圓形尖銳轉(zhuǎn)角而引起的應(yīng)力集中，在有限元分析中會(huì)隨著網(wǎng)格的不斷細(xì)分而增大，而在實(shí)際結(jié)構(gòu)中此處會(huì)存在焊接并進(jìn)行光滑打磨，實(shí)際應(yīng)力會(huì)大幅下降。在強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，可借鑒HCSR規(guī)范的細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力衡準(zhǔn)指標(biāo)[11]，考慮細(xì)化網(wǎng)格的屈服利用因子，在焊縫處等效應(yīng)力不大于1.5倍的屈服極限，本次采用的穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)和肘板結(jié)構(gòu)均采用Q345B材質(zhì)，屈服極限為345 MPa，因此許用應(yīng)力為517.5 MPa，可認(rèn)為肘板趾端的應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語

本文針對(duì)用于海上風(fēng)電機(jī)組大直徑單樁基礎(chǔ)施工的穩(wěn)樁平臺(tái)的海上無攬風(fēng)豎立運(yùn)輸，提出了一整套的分析方法和流程。

針對(duì)運(yùn)輸船舶的選型，主要從船舶裝載和穩(wěn)性方面進(jìn)行適航性的判斷。給出了基于航行線路環(huán)境條件的航行設(shè)計(jì)波浪條件的選取方法和原則，并通過頻域計(jì)算的方法得到運(yùn)輸船舶在航行過程中的誘導(dǎo)加速度。當(dāng)船舶誘導(dǎo)加速度過大時(shí)，可根據(jù)不間斷航行時(shí)間調(diào)整航行策略，針對(duì)不間斷航行行程不超過3 d的特點(diǎn)，可采用限制運(yùn)輸波浪條件的方法降低荷載。借鑒相關(guān)規(guī)范，引入了一套評(píng)價(jià)抗滑移力和抗翻轉(zhuǎn)力矩的系固支撐結(jié)構(gòu)和焊接連接的強(qiáng)度評(píng)價(jià)衡準(zhǔn)。并通過模態(tài)分析，確定后續(xù)強(qiáng)度計(jì)算所采用的準(zhǔn)靜力方法的合理性。采用準(zhǔn)靜力方法進(jìn)行穩(wěn)樁平臺(tái)的總體強(qiáng)度計(jì)算，并采用API規(guī)范對(duì)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。對(duì)于肘板局部強(qiáng)度分析，采用基于超細(xì)實(shí)體單元的有限元分析計(jì)算等效應(yīng)力，并借鑒HCSR規(guī)范，對(duì)超細(xì)網(wǎng)格有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

以廣東某海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目為背景，對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)豎立運(yùn)輸過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，由于穩(wěn)樁平臺(tái)重量較小航行穩(wěn)性容易滿足，系固支撐滿足強(qiáng)度要求，雖然平臺(tái)結(jié)構(gòu)較柔但其一階模態(tài)依然遠(yuǎn)離航行過程中的波浪頻率，在航行過程中穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其連接肘板的完整性可以保證。在研究過程中總結(jié)了穩(wěn)樁平臺(tái)豎立運(yùn)輸分析的關(guān)鍵技術(shù)，可作為后續(xù)類似工程的參考。