方自彪，孫志國(guó)

(1.惠生(南通)重工有限公司，江蘇 南通 226009；2.大連中交理工交通技術(shù)研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

0 引言

在我國(guó)向“雙碳”目標(biāo)邁進(jìn)的路上，風(fēng)電等新型清潔能源將扮演重要角色。隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)從近海走向深遠(yuǎn)海，離岸距離與水深不斷增加，浮式海上風(fēng)電是深遠(yuǎn)海風(fēng)電未來(lái)發(fā)展的必然選擇。三峽廣東浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目是中國(guó)首個(gè)浮式風(fēng)電示范性項(xiàng)目，位于廣東陽(yáng)江市附近海域，單機(jī)容量5 500 kW，應(yīng)用半潛式基礎(chǔ)平臺(tái)。該平臺(tái)在某舟山基地總裝下水。舟山海域常年風(fēng)力較大，為確保其在碼頭系泊舾裝試驗(yàn)期間的安全，須對(duì)其碼頭系泊力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，以得到合理安全的系泊布置方式。

系泊力和舾裝數(shù)規(guī)范計(jì)算法主要針對(duì)常規(guī)船舶。浮式風(fēng)電平臺(tái)主體是三立柱半潛式結(jié)構(gòu)，平臺(tái)系泊階段空載吃水小且重心高，上層建筑面積巨大，各個(gè)方向上都會(huì)受到很大的風(fēng)載荷，與普通船舶在外形、結(jié)構(gòu)、重心等方面均有很明顯區(qū)別。其系泊特點(diǎn)有些類(lèi)似半潛式和自升式石油鉆井平臺(tái)，規(guī)范計(jì)算法對(duì)此類(lèi)平臺(tái)系泊力計(jì)算已不適用，需要對(duì)其設(shè)計(jì)特定的系泊方案。

本文結(jié)合浮式風(fēng)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和碼頭系泊設(shè)施，制定初步碼頭系泊方案，然后采用STAAD Pro軟件建模，進(jìn)行風(fēng)、浪、流載荷等共同作用下的系泊力分析，逐步優(yōu)化碼頭系泊方案。

1 計(jì)算對(duì)象及靠泊條件

1.1 平臺(tái)參數(shù)

浮式風(fēng)電平臺(tái)平面形狀大致呈三角形，見(jiàn)圖1。其主要尺度為：總長(zhǎng)78.95 m，型寬91.16 m，型深32.0 m，設(shè)計(jì)吃水(錨泊狀態(tài))13.5 m，拖航吃水(不帶風(fēng)機(jī))3.5 m，下層浮體高度4.0 m，靠泊吃水(空載)3.0 m，靠泊吃水(傾斜試驗(yàn))6.375 m，排水量10 098 t。

圖1 浮式風(fēng)電平臺(tái)實(shí)物圖

為增加緩沖接觸面積和系泊纜繩長(zhǎng)度，減少纜繩張力，平臺(tái)與碼頭之間通過(guò)駁船靠泊。駁船尺度如下：總長(zhǎng)55.0 m，總寬34.0 m，型深4.0 m，停泊吃水可調(diào)。

1.2 靠泊條件

靠泊時(shí)間：2021年6月初至6月底。

風(fēng)：根據(jù)碼頭環(huán)境條件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平臺(tái)靠泊期間為非臺(tái)風(fēng)季節(jié)，可能遭遇的最大風(fēng)速為9級(jí)陣風(fēng)，因而取6～9級(jí)為設(shè)計(jì)風(fēng)速。

浪：浪高<1.0 m。

流：滿(mǎn)堂式順岸碼頭可不考慮海流影響。

水位：(根據(jù)1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面)最高潮位3.08 m，平均高潮位1.14 m，平均潮位0.17 m，平均低潮位-0.80 m，最低潮位-2.05 m。

1.3 平臺(tái)初始系泊方案

該平臺(tái)擬靠泊于某舟山基地海域碼頭。碼頭為沉箱重力式連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)的順岸碼頭，總長(zhǎng)225 m，系纜樁額定載荷為3個(gè)1 500 kN，9個(gè)2 000 kN；護(hù)舷型號(hào)為DF-SA500L3000和DF-SA500L1500兩種，壓縮55%時(shí)吸收能分別為231 kJ和116 kJ。風(fēng)電平臺(tái)上的現(xiàn)有系泊設(shè)施布置于下浮箱4 m甲板上和32 m高度主甲板處，供拖航和遠(yuǎn)海錨泊設(shè)計(jì)工況下系泊使用。由于其高度無(wú)法與碼頭進(jìn)行正常系纜，因此考慮在下浮箱甲板上方3個(gè)垂向立柱上設(shè)置臨時(shí)系泊眼板進(jìn)行系纜(眼板布置盡量考慮安裝在強(qiáng)構(gòu)件位置)。

風(fēng)電平臺(tái)系靠于碼頭中間實(shí)體部分?？紤]平臺(tái)整體構(gòu)造為“三頭”形式，靠泊方案需能有效約束浮體“三頭”，因此選帶風(fēng)機(jī)筒結(jié)構(gòu)一端下浮箱端平面(寬度約32 m)作為類(lèi)似船舶平行中體與碼頭靠泊。平臺(tái)與碼頭墊駁船以增加接觸面積和纜繩長(zhǎng)度。駁船與平臺(tái)之間利用橡膠輪胎緩沖，并分別在下浮箱甲板上方2 m和4 m位置的3個(gè)垂向立柱上增設(shè)12套系泊眼板，額定載荷為850 kN，系泊纜繩直徑為65 mm,理論破斷力為480 kN(現(xiàn)有纜繩)；遠(yuǎn)端2個(gè)立柱各設(shè)系纜繩4根，靠碼頭側(cè)風(fēng)機(jī)端立柱系纜繩4根，總計(jì)12根纜繩。初始系泊方案見(jiàn)圖2。

圖2 初始系泊方案示意圖

2 平臺(tái)系泊載荷計(jì)算

2.1 風(fēng)載荷

(1)基本風(fēng)壓

平臺(tái)為非臺(tái)風(fēng)季節(jié)短期靠泊?？紤]安全性，風(fēng)載荷按照6～9級(jí)分別計(jì)算。根據(jù)《港口工程載荷規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)，基本風(fēng)壓按下式計(jì)算：

式中：為基本風(fēng)壓，kPa；為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基本風(fēng)壓計(jì)算

(2)風(fēng)壓力

垂直于建筑物表面上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)《規(guī)范》應(yīng)按下式計(jì)算：

=

式中：為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；為高度處的風(fēng)振系數(shù)，取1.0；為風(fēng)載荷體型系數(shù)，取1.0；為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。根據(jù)距離平均水面高度5、10、15、20、30 m分別取1.17、1.38、1.52、1.63、1.80。

2.2 平臺(tái)系泊載荷

(1)撞擊力

根據(jù)《規(guī)范》，浮式平臺(tái)靠岸時(shí)的有效撞擊能量可按下式計(jì)算：

式中：為浮式平臺(tái)靠岸時(shí)的有效撞擊能量，kJ；為有效動(dòng)能系數(shù)；為浮式平臺(tái)質(zhì)量，t，按滿(mǎn)載排水量計(jì)算；為浮式平臺(tái)靠岸法向速度，m/s。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 平臺(tái)靠岸時(shí)的有效撞擊能量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，靠岸時(shí)平臺(tái)即使僅與一組護(hù)舷發(fā)生作用，碼頭護(hù)舷吸收能可滿(mǎn)足要求。

(2)系纜力

根據(jù)《規(guī)范》，一般船舶系纜力按下式計(jì)算：

式中：為系纜力標(biāo)準(zhǔn)值；Σ、Σ分別為可能同時(shí)出現(xiàn)的風(fēng)和水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的橫向風(fēng)力總和及縱向風(fēng)力總和；為系纜樁受力分布不均勻系數(shù)；為計(jì)算船舶同時(shí)受力的系纜樁數(shù)量；為系船纜的水平投影與碼頭前沿線所成的夾角，=30°；為系船纜與水平面之間的夾角，=15°。

規(guī)范計(jì)算法針對(duì)常規(guī)船舶，并且以橫向吹開(kāi)風(fēng)控制。對(duì)于本項(xiàng)目不規(guī)則的“三頭式”浮式風(fēng)電平臺(tái)，規(guī)范計(jì)算法并不適用，因此本文采用STAAD Pro軟件，對(duì)浮式風(fēng)電平臺(tái)系實(shí)際系纜狀態(tài)進(jìn)行建模仿真計(jì)算分析。該軟件是結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，適用于各種材料構(gòu)成的框架、懸索等各種結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行線性、非線性靜力、反應(yīng)譜及時(shí)程反應(yīng)分析，也適用于系泊計(jì)算。采用STAAD Pro建模分析時(shí)進(jìn)行如下設(shè)定：

(1)考慮浮式風(fēng)電平臺(tái)自身為剛體。

(2)僅考慮浮式風(fēng)電平臺(tái)所受的豎向位移約束和所受橡膠護(hù)舷的水平彈性支撐。

(3)纜繩僅受拉力作用。纜繩材料為尼龍纜(所有纜繩材質(zhì)相同的情況下材料性質(zhì)僅影響浮式風(fēng)電平臺(tái)位移，對(duì)纜繩內(nèi)力無(wú)影響)。

(4)浮式平臺(tái)空船狀態(tài)下水時(shí)，吃水較小(約3 m)，受風(fēng)面積較大，為系纜力計(jì)算時(shí)的吃水控制工況。另外，傾斜試驗(yàn)時(shí)系泊狀態(tài)下吃水最大(6.375 m)也作為一種計(jì)算工況供參考。

(5)考慮風(fēng)向?yàn)闄M向風(fēng)、兩側(cè)縱向風(fēng)和兩側(cè)斜向風(fēng)(45°吹離岸)5種風(fēng)向工況。

計(jì)算模型及風(fēng)向約定見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 橫向風(fēng)受力示意圖

圖4 向右縱向風(fēng)受力示意圖

圖5 向左縱向風(fēng)受力示意圖

圖6 風(fēng)向約定示意圖

根據(jù)上述假定建立計(jì)算模型，輸出系泊方案各工況下系纜力的計(jì)算結(jié)果。

3 系泊力分析及系泊方案優(yōu)化

3.1 初始系泊方案纜繩受力分析

初始系泊纜繩布置見(jiàn)圖7。根據(jù)STAAD Pro模型對(duì)輸出初始系泊方案下的各纜繩受力進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果顯示：

空載3 m吃水7級(jí)風(fēng)時(shí)纜繩最大受力349 kN，是縱向(平行于碼頭前沿線)風(fēng)引起的，未超出纜繩破斷力；但8級(jí)風(fēng)時(shí)，纜繩最大受力達(dá)到511 kN；9級(jí)風(fēng)時(shí)，纜繩受力更是達(dá)到710 kN，遠(yuǎn)超出纜繩破斷力480 kN。因此，需調(diào)整優(yōu)化系纜布置。

①～—纜繩編號(hào)；1號(hào)～12號(hào)—碼頭纜樁編號(hào)。

從纜繩受力特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，纜繩越短，應(yīng)變?cè)酱?，受力就越大；纜繩破斷順序與纜繩長(zhǎng)度密切相關(guān)，在風(fēng)浪流的來(lái)襲方向，最先破斷的纜繩基本是長(zhǎng)度最短的纜繩。因此，應(yīng)增加近端纜繩數(shù)量，適當(dāng)減少遠(yuǎn)端纜繩數(shù)量。

3.2 優(yōu)化后系泊方案纜繩受力分析

系泊方案將近端立柱纜繩由4根調(diào)整為6根，并盡量對(duì)稱(chēng)布置，遠(yuǎn)端2個(gè)立柱各減少1根纜繩。由于碼頭纜樁承載力高，可允許2根纜繩系于1個(gè)纜樁上。

優(yōu)化后的系泊方案見(jiàn)圖8。在空載工況吃水3 m情況下，各纜繩受力計(jì)算結(jié)果顯示：

在空載吃水9級(jí)風(fēng)工況下，優(yōu)化后的系泊方案的纜繩最大受力從初始方案的710 kN降到344 kN，降幅明顯，未超出纜繩破斷力480 kN。

①～—纜繩編號(hào)；1號(hào)～12號(hào)—碼頭纜樁編號(hào)。

優(yōu)化后的系泊方案在傾斜試驗(yàn)工況時(shí)(吃水6.375 m)，各纜繩受力計(jì)算結(jié)果顯示：

在9級(jí)風(fēng)情況下，纜繩最大受力為286 kN，未超出纜繩破斷力。

4 結(jié)論

本文采用STAAD Pro有限元軟件結(jié)合碼頭設(shè)施狀況對(duì)國(guó)內(nèi)首制三立柱浮式風(fēng)電平臺(tái)進(jìn)行系泊張力計(jì)算分析，得出如下結(jié)論和建議：

(1)在纜繩規(guī)格、數(shù)量及風(fēng)力載荷不變的情況下，優(yōu)化前系泊方案的纜繩最大張力達(dá)到710 kN，而優(yōu)化后系泊方案的纜繩最大張力大幅度減小，僅為344 kN，未超出纜繩破斷載荷。

(2)系泊纜繩纜張力受平臺(tái)上纜繩系固點(diǎn)與碼頭間距影響，越短的纜繩受力越大，因此平臺(tái)與碼頭之間墊駁船增加間距可以使各纜繩受力差異減小。

(3)根據(jù)STAAD Pro軟件系泊力計(jì)算分析結(jié)果，平臺(tái)靠碼頭近端纜繩系固點(diǎn)受力大，纜繩數(shù)量原則上比遠(yuǎn)端的要增加。

(4)經(jīng)計(jì)算及實(shí)際工程項(xiàng)目檢驗(yàn)，優(yōu)化后系泊方案滿(mǎn)足平臺(tái)系泊安全要求，得到了可用于實(shí)際施工的工程解決方案。

(5)平臺(tái)所受風(fēng)載荷根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算。由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且系統(tǒng)受力按靜力模型計(jì)算，故計(jì)算結(jié)果可能較實(shí)際情況有所偏差，大風(fēng)天氣時(shí)應(yīng)密切關(guān)注系纜設(shè)施穩(wěn)定性。