繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺樁腿總強(qiáng)度設(shè)計(jì)

錢笠君趙夕濱

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240； 2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺樁腿總強(qiáng)度設(shè)計(jì)

錢笠君1趙夕濱2

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240； 2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺較以往的風(fēng)電安裝平臺具有吊幅大的特點(diǎn)，而樁腿強(qiáng)度對于自升式平臺又至關(guān)重要。文章基于結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論和船級社具體規(guī)范規(guī)則要求，借助三維有限元分析方法，對某型繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺樁腿強(qiáng)度進(jìn)行屈服及屈曲校核，對于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對樁腿設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，為日后類似風(fēng)電安裝平臺的樁腿設(shè)計(jì)提供參考。

繞樁吊；風(fēng)電安裝平臺；樁腿強(qiáng)度

引 言

近年來，隨著清潔能源概念的提出，風(fēng)電已受到國家及社會的廣泛關(guān)注。我國海域面積遼闊，是世界上風(fēng)能資源最為豐富的國家，海上風(fēng)力發(fā)電在日后將占據(jù)越來越重要的地位。

風(fēng)電安裝平臺作為一種移動式平臺承擔(dān)著安裝海上風(fēng)機(jī)的任務(wù)。從船型特點(diǎn)來看，可歸為自升式平臺的一種。風(fēng)電安裝平臺主要由主船體、升樁機(jī)構(gòu)室、樁腿和主起重機(jī)構(gòu)成。以往風(fēng)電安裝平臺主起重機(jī)一般布置在尾部樁腿之間，這樣布置對于樁腿系統(tǒng)及主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為有利，但對于安裝操作而言，在一定程度上浪費(fèi)了起重機(jī)的起重能力，而繞樁吊式安裝平臺是將主起重機(jī)布置在某個升降機(jī)構(gòu)室之上。這種布置可以較為充分利用起重機(jī)的起吊能力，但是對于樁腿，升降機(jī)構(gòu)及主船體的設(shè)計(jì)要求比較高。

本文從基本構(gòu)件尺寸要求出發(fā)，結(jié)合規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，借助三維有限元分析技術(shù)對某型繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺樁腿總強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析；進(jìn)而對繞樁吊式平臺樁腿特殊的幾何截面形式、受載荷特點(diǎn)進(jìn)行分析，并為該形式樁腿設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

1 結(jié)構(gòu)型式

本平臺為四邊形單甲板單殼船體，局部設(shè)置雙層底。平臺總長約86 m、型寬約40 m、型深約7 m，共4根樁腿，樁腿長度約80 m，最大作業(yè)水深約45 m，起重機(jī)最大起吊能力為800 t。

本平臺樁腿為方形截面，尺寸約3.8 m×3.8 m，四角為導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)并設(shè)置插銷孔以供升降機(jī)構(gòu)升降和緊固（見圖1）。

圖1 樁腿橫剖面圖

根據(jù)規(guī)范，桿件橫截面分緊湊截面和非緊湊截面。緊湊截面系指桿件橫截面上所有受壓結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足緊湊截面的準(zhǔn)則要求。對于緊湊截面，由于屈服發(fā)生于屈曲之前，故可忽略局部屈曲模式的校核。非緊湊截面系指桿件橫截面上某一或全部受壓結(jié)構(gòu)部件不滿足緊湊截面準(zhǔn)則。對于非緊湊截面，應(yīng)校核桿件腹板和/或翼板等結(jié)構(gòu)部件的局部屈曲強(qiáng)度。

表1 樁腿剖面特性

對于本樁腿橫截面構(gòu)件的局部屈曲校核，需按照板格長細(xì)比和板格屈曲校核的相關(guān)要求進(jìn)行，但不考慮非彈性屈曲的工作模式［1-3］。

對于樁腿總體屈曲強(qiáng)度而言，當(dāng)構(gòu)件同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用時，其計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求［4］：

當(dāng)fa/ Fa＞0.15時

當(dāng)fa/ Fa≤0.15時

式中：fa為計(jì)算軸向壓縮應(yīng)力，N/mm2； fbx和fby分別為構(gòu)件關(guān)于橫截面x軸和y軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，N/mm2；Fa為構(gòu)件許用壓縮應(yīng)力，N/mm2；Fbx和Fby分別為構(gòu)件關(guān)于橫截面x軸和y軸的許用彎曲應(yīng)力，N/mm2；和分別為構(gòu)件關(guān)于橫截面x軸和y軸的折減歐拉應(yīng)力，N/mm2，表達(dá)式為E為彈性模量，N/mm2；lx和ly分別為構(gòu)件關(guān)于橫剖面x軸和y軸的平面內(nèi)無支撐長度，m；rx和ry分別為構(gòu)件對應(yīng)于lx和ly的橫剖面回轉(zhuǎn)慣性半徑，cm；Kx和Ky分別為根據(jù)計(jì)算長度 lx端，ly端的支持情況而確定的構(gòu)件的有效長度系數(shù)；Cmx和Cmy分別為對應(yīng)計(jì)算彎矩平面內(nèi)屈曲時的等效彎矩系數(shù)。

2 強(qiáng)度校核

本平臺樁腿鋼材主要采用CCSE500、CCSA420和CCSD420高強(qiáng)度船用結(jié)構(gòu)鋼，以減輕樁腿自重并控制總體結(jié)構(gòu)重量；樁腿強(qiáng)度的設(shè)計(jì)除了要滿足最為基本的構(gòu)件尺寸計(jì)算，還需滿足規(guī)范關(guān)于樁腿在各站立狀態(tài)下的總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度要求。本平臺樁腿總強(qiáng)度校核借助三維有限元方法完成［5-6］，整體有限元模型見圖2。

圖2 整體有限元模型

模型的總體坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在船尾垂線和基線相交處：

（1）X軸方向?yàn)榇L方向，指向船首；

（2）Y軸方向?yàn)榇瑢挿较?，自中縱剖面指向左舷；

（3）Z軸方向?yàn)樾蜕罘较?，自基線指向甲板。

計(jì)算工況選取平臺主要站立狀態(tài)，計(jì)算中考慮波流載荷、慣性載荷、P-Δ載荷、風(fēng)載荷和可變載荷，共計(jì)考慮以下三種工況：

（1）作業(yè)工況；

（2）風(fēng)暴自存工況；

（3）預(yù)壓載工況。

根據(jù)本平臺特點(diǎn)，計(jì)算來流方向選擇迎浪、隨浪、橫浪和樁腿對角線方向共八組方向（見圖3），其中繞樁吊位于2號樁腿。

圖3 浪向示意圖

經(jīng)計(jì)算，本平臺屈曲強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均滿足船級社規(guī)范要求，由數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知：

（1）對于屈服強(qiáng)度，本平臺在三個工況下，風(fēng)暴自存工況的屈服應(yīng)力最高，其次分別是作業(yè)工況和預(yù)壓載工況，不同浪向計(jì)算工況下的樁腿屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布見圖4。

圖4 樁腿屈服強(qiáng)度UC示意圖

（2）對于屈曲強(qiáng)度，主控工況發(fā)生在風(fēng)暴自存工況，且樁腿在橫浪及斜浪狀態(tài)下對于屈曲強(qiáng)度要求較高，不同浪向計(jì)算工況下的樁腿屈曲強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布見圖5。

圖5 樁腿屈曲強(qiáng)度UC示意圖

而作業(yè)工況極值發(fā)生在繞樁吊樁腿（2號樁腿）在800 t主吊機(jī)90°舷外作業(yè)狀態(tài)，在212°、270°（與起重機(jī)吊臂方向同向）和328°三個浪向接近風(fēng)暴自存工況。這一狀態(tài)既有波流載荷、DAF載荷及P-Δ載荷，同時還有主吊機(jī)由于800 t重產(chǎn)生的附加彎矩。預(yù)壓載工況由于環(huán)境載荷較小，載荷變化范圍不大，所以屈曲強(qiáng)度變化幅度較為均勻。

（3）由于樁腿在預(yù)壓載工況時采用對角預(yù)壓載，所以樁腿支反力在預(yù)壓載工況下最大，其次是作業(yè)工況，風(fēng)暴自存工況下最小。

（4）本平臺挑選4個不同的校核點(diǎn)（見圖6）。

圖6 樁腿校核點(diǎn)示意圖

由于樁腿所受彎矩有的沿x軸，有的沿y軸；所以此處應(yīng)考慮雙向彎矩造成的彎曲應(yīng)力同向的極端情況。其中對于沿x軸的彎矩，點(diǎn)4的彎曲應(yīng)力要比點(diǎn)1、點(diǎn)2和點(diǎn)3都大，而對于沿y軸的彎矩，點(diǎn)1由于板厚差距，所以彎曲應(yīng)力略大于點(diǎn)2和點(diǎn)4，遠(yuǎn)大于點(diǎn)3。這樣對于屈曲及屈服強(qiáng)度UC而言，點(diǎn)1與點(diǎn)4普遍大于點(diǎn)2，而點(diǎn)2普遍大于點(diǎn)3。

3 結(jié) 論

本文著重解決了繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺特有的樁腿設(shè)計(jì)問題：

（1）本平臺樁腿強(qiáng)度由屈曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度組成。根據(jù)計(jì)算結(jié)果來看，本平臺樁腿主控強(qiáng)度是屈曲強(qiáng)度。在屈曲強(qiáng)度較為薄弱的區(qū)域增加板厚，適當(dāng)考慮多設(shè)置抗屈曲加強(qiáng)筋。

（2）由于本樁腿橫剖面為非緊湊截面，所以在樁腿設(shè)計(jì)時既考慮局部屈曲的影響，又使用屈曲加強(qiáng)筋及沿垂向設(shè)置橫向強(qiáng)框架的方法來增強(qiáng)樁腿局部屈曲強(qiáng)度，此手段看來較為有效，樁腿局部屈曲強(qiáng)度滿足要求。

（3）對于樁腿橫剖面的設(shè)計(jì)而言，軸向應(yīng)力雖然一致，但由于本平臺樁腿的特點(diǎn)，所以樁腿各處的彎曲應(yīng)力有所差別，這樣對于屈曲及屈服強(qiáng)度的要求也并不一致。在樁腿橫剖面角隅處設(shè)置厚板，板厚沿邊長逐漸減薄，這樣對于減小彎曲應(yīng)力的貢獻(xiàn)較大，對于樁腿強(qiáng)度較為有利。

（4）對于作業(yè)狀態(tài)的選擇，應(yīng)事先進(jìn)行勘探和調(diào)查，如果作業(yè)環(huán)境存在一個主浪向，應(yīng)該盡量是風(fēng)電安裝平臺處于迎浪和隨浪狀態(tài)，這樣對于樁腿的受力情況最為理想。如果不存在主浪向，則盡量找出最大波浪的來流方向，使平臺對于該方向處于迎浪和隨浪狀態(tài)。長期使平臺處于受橫浪及沿樁腿對角線浪向的狀態(tài)較為不利。

（5）對于繞樁吊平臺樁腿，由于較多樁腿的屈曲強(qiáng)度都是由繞樁吊樁腿控制，所以對于平臺布置如果可采取一些相應(yīng)措施來緩解該樁腿所受的壓力，比如在船體布置時應(yīng)盡可能將重型設(shè)備向主吊另一舷布置，這樣在最惡劣的情況下，船體重心所產(chǎn)生的附加彎矩可抵消起重機(jī)產(chǎn)生的部分附加彎矩，有利于樁腿屈曲強(qiáng)度。

［1］ 中國船級社. 海上移動平臺入級規(guī)范［S］. 北京：人民交通出版社，2012.

［2］ ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［3］ API. Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design［S］. 2005.

［4］ AISC. ASD Manual 9th Edition［S］. 1990.

［5］ 李彬，覃干景，孫青松，等.海上風(fēng)電作業(yè)平臺總體強(qiáng)度有限元分析［J］. 船舶，2013（4）：13-19.

［6］ 孫雪榮，程維杰.自升式平臺的自由振動計(jì)算方法研究［J］. 船舶，2013（1）：45-48.

Global strength design of pile legs for wind turbine installation platform equipped with leg encircling crane

QIAN Li-jun1ZHAO Xi-bin2
(1. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The wind turbine installation platform equipped with a leg encircling crane has the advantage of the bigger lifting range than the former wind turbine installation platforms. The strength of the pile legs are most important for the self-elevating platform. Based on the basic structural mechanics and the specifi c rules of the classifi cation societies, the yield and buckling strength of the wind turbine installation platform equipped with the leg encircling crane are calculated and verifi ed by the three-dimensional fi nite element analysis. The calculation results are analyzed to summarize the design of the pile legs, which can provide reference for the design of the pile legs on the similar wind turbine installation platforms.

leg encircling crane; wind turbine installation platform; pile leg strength

U661.43

A

1001-9855（2017）02-0050-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.050

2016-09-22；

2016-10-21

錢笠君（1987-），男，工程碩士。研究方向：船舶與海洋工程。趙夕濱（1987-），男，碩士，工程師。研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。