海上風(fēng)電安裝平臺(tái)塢內(nèi)頂升試驗(yàn)砂箱理論設(shè)計(jì)分析和模擬試驗(yàn)研究

王小路

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.019

摘 要：海上風(fēng)電安裝平臺(tái)需要在船塢進(jìn)行頂升試驗(yàn)，由于樁靴與塢底直接接觸面積小，為了對(duì)樁靴本身和船塢塢底進(jìn)行保護(hù)，擬在樁靴和塢底之間增加一個(gè)砂箱，以加大樁靴與塢底的受力面積，并通過有限元分析計(jì)算和砂箱模型試驗(yàn)來確認(rèn)砂箱強(qiáng)度，同時(shí)確定了砂層厚度較小時(shí)鋼圍壁變形會(huì)更小且砂子不會(huì)從砂箱中溢流的問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電 樁靴 塢底 砂箱

中圖分類號(hào)：TG24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（c）-0019-02

海上風(fēng)電由于資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高和不占用土地資源等多種優(yōu)勢，目前在國內(nèi)正在大面積被開發(fā)利用[1]，各船企都在爭相建造海上風(fēng)電安裝平臺(tái)。該文論述的是國內(nèi)某船廠目前正在建造的一艘自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，為了將提升過程中遇到的問題在船塢內(nèi)解決，需要在塢內(nèi)完成初步的頂升試驗(yàn)。此平臺(tái)共布置4條樁腿，空船重量約14 000 t，當(dāng)在塢內(nèi)進(jìn)行頂升時(shí)單個(gè)樁靴下部的塢底承受壓力約3 500 t。由于樁靴與塢底直接接觸面積小，直接頂升塢底受力將達(dá)到108.5 t/m2，勢必會(huì)對(duì)塢底和樁靴造成破壞（該船塢設(shè)計(jì)壓力55 t/m2）。增加砂箱后的樁靴使塢底受力將減小到40 t/m2，根據(jù)受力情況進(jìn)行了有限元分析的理論計(jì)算[2]，同時(shí)建造了1∶10的模型使用油壓機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果都表明砂箱強(qiáng)度滿足使用要求。

1 有限元分析

根據(jù)砂箱的結(jié)構(gòu)圖，圍壁材料使用Q245普通鋼，板厚10 mm，因?yàn)樯跋涫褂脮r(shí)直接放在塢底，因此對(duì)砂箱底面進(jìn)行約束，并據(jù)此條件建立模型。根據(jù)前文描述，增大后的樁靴使塢底受力將減小到40 t/m2，即樁靴底部壓強(qiáng)0.4 MPa。樁靴底部四周傾斜，船長方向傾斜10°，船寬方向傾斜12°。計(jì)算時(shí)取最大值12°，根據(jù)計(jì)算傾斜處的側(cè)向力為2 580 kN。有限元分析時(shí)取砂層高度1.54 m，面1、3受力的面積為18.48 m2，面2、4受力的面積為22.48 m2，因此分別在4面圍壁上施加壓強(qiáng)載荷，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。砂箱圍壁受力集中在圍壁中心靠近底部的位置及4個(gè)角的靠上位置處，最大值在面1、3中心靠近底部的位置，應(yīng)力為109 MPa，小于使用鋼材的許用值235 MPa，安全系數(shù)為2.15，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2 砂箱模型試驗(yàn)

根據(jù)該平臺(tái)樁靴和砂箱的形狀，設(shè)計(jì)建造了1∶10的模型，使用油壓機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以確定砂箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足使用要求。試驗(yàn)中模擬了不同壓力、不同砂層高度等幾種情況。砂箱模型，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

（1）第一次試驗(yàn)，砂層厚度980 mm，試驗(yàn)壓力根據(jù)未來樁靴對(duì)塢底造成的最大壓力40 t/m2進(jìn)行計(jì)算，即：

F=1 300 mm×1 040 mm×40 t/m2=54 t

試驗(yàn)中緩慢逐步增加壓力至54 t，砂箱和砂子無明顯變形，砂子中間有略微下陷。

（2）第二次試驗(yàn)，砂層厚度980 mm，試驗(yàn)壓力最大值200 t，試驗(yàn)中緩慢逐步增加壓力，當(dāng)壓力增到到160 t時(shí)，砂箱鋼圍壁出現(xiàn)明顯鼓脹，試驗(yàn)壓力增大到200 t時(shí)停止，砂子中間有明顯下陷，砂子無明顯變化，砂子四周上升約20 mm。

（3）第三次試驗(yàn)，砂層厚度540 mm，試驗(yàn)壓力最大值270 t，試驗(yàn)中緩慢逐步增加壓力，當(dāng)壓力增到到250 t時(shí)，砂箱鋼圍壁出現(xiàn)略微鼓脹，試驗(yàn)壓力增大到270 t時(shí)停止，砂子中間有明顯下陷，砂子無明顯變化，砂子四周上升約30 mm。

3 結(jié)語

（1）試驗(yàn)表明砂層在上述試驗(yàn)狀況下，在密實(shí)且有側(cè)限的情況下承載力可提升較多，可滿足荷載要求。

（2）因試驗(yàn)時(shí)砂箱內(nèi)的砂子未做密實(shí)處理，特別是表層較松散，加載時(shí)初設(shè)沉降較大，周邊砂上升現(xiàn)象明顯，隨著沉降量加大，砂密實(shí)度提高，砂承載力明顯增大。建議實(shí)際施工砂箱內(nèi)裝砂時(shí)，盡量保證砂層密實(shí)，減少沉降，加載時(shí)應(yīng)逐級(jí)加載，使砂密實(shí)。

（3）砂箱側(cè)壁壓力較大，砂箱設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮側(cè)壁剛度、變形量，減少因側(cè)壁變形引起的砂層沉降；

（4）通過有限元理論分析計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)的砂箱可以滿足此重量和樁靴面積的平臺(tái)塢內(nèi)提升站樁使用，同時(shí)也為其他自升式平臺(tái)的不同大小的樁靴和不同重量的船舶提供了參考方案和試驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭宇星.我國海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策建議[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（9）：15-16.

[2] 白勇輝，張吉，馮昌寧.自升式平臺(tái)樁靴砂箱設(shè)計(jì)研究[J].中國海洋平臺(tái)，2014（4）：9-13.