大型潮流電站基礎(chǔ)桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計及測試研究

傅一帆，李曉舟

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海200032）

大型潮流電站基礎(chǔ)桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計及測試研究

傅一帆，李曉舟

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海200032）

針對大型潮流電站基礎(chǔ)施工中吊件自重大且起重船起吊能力不足的情況，設(shè)計了桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)。文中論述了桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計過程，對吊運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元驗算，并在基礎(chǔ)施工時對吊運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力測試。有限元驗算結(jié)果和基礎(chǔ)海上吊裝過程中的測試數(shù)據(jù)表明，在吊運(yùn)系統(tǒng)可設(shè)計重量較小的情況下，采用桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)具有可行性和合理性。

大型潮流電站基礎(chǔ)；海上吊裝；桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)

0 引言

海洋能源主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等。潮流能作為清潔的可再生能源，其開發(fā)應(yīng)用一直受到關(guān)注。

潮流發(fā)電無需建設(shè)攔海堤壩，直接利用潮水水流沖擊葉輪等機(jī)械裝置發(fā)電，降低了建設(shè)投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，對水文和生態(tài)環(huán)境的影響較小[1]。我國潮流能資源儲量極為豐富，理論平均功率為13 948.2 MW，以浙江省沿岸最多（37個水道，7 090.28 MW），占全國一半以上[2]。

潮流能發(fā)電站主要由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、獲能裝置、發(fā)電機(jī)、電能變換與控制系統(tǒng)、電力傳輸與負(fù)載系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)組成。潮流能發(fā)電站的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為固定式和漂浮式兩種結(jié)構(gòu)形式，其中固定式又可細(xì)分為樁基式和重力坐底式。樁基式基礎(chǔ)包括樁基和鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)兩部分結(jié)構(gòu)，樁基打入海底地基進(jìn)行固定[3]。

大型潮流能發(fā)電站一般建設(shè)于水流流速較快的巖質(zhì)地基海域，工程條件惡劣，施工難度大，潮流能發(fā)電站基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)難以在工程現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，往往采用陸上拼裝海上整體吊裝的方式進(jìn)行安裝施工。海上吊裝大型鋼結(jié)構(gòu)往往成為大型潮流能發(fā)電系統(tǒng)施工的難點和重點。

以往海上吊裝施工設(shè)計大型吊運(yùn)系統(tǒng)時，常采用分體式結(jié)構(gòu)吊運(yùn)系統(tǒng)，用分體式吊運(yùn)系統(tǒng)的上方橫梁來平衡吊件的水平力，降低起重船吊鉤把桿的水平力。分體式吊運(yùn)系統(tǒng)的自重一般占吊件自重的10%～20%，要求起重船起吊能力有較高的富余量。而在吊件自重較大，起重船起吊能力不足的情況下，需要設(shè)計自重更輕的吊運(yùn)系統(tǒng)。

1 工程概況

LHD林東模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組是我國自主研發(fā)生產(chǎn)的裝機(jī)容量最大的潮流能發(fā)電機(jī)組，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用多樁基礎(chǔ)形式，樁基采用4根斜嵌巖樁和20根直嵌巖樁，基礎(chǔ)采用一體化總成鋼平臺?；A(chǔ)平臺長59.28 m，寬22.7 m，高度為13.05～24.55 m，總重2 253 t，采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，安裝施工需進(jìn)行海上整體吊裝，基礎(chǔ)平臺及吊點布置見圖1。

圖1 基礎(chǔ)平臺及吊點布置圖Fig.1Foundation platform and distribution of hanging points

本工程基礎(chǔ)平臺安裝位置位于舟山市岱山縣秀山島的東南海域，地處青山島與稻桶山島之間，兩島相距約140 m。該處海床東西縱向剖面為V字形，最深處超過25 m，海底地面為裸露基巖，水流速度2～4 m/s[4]。

基礎(chǔ)平臺海上吊裝采用東海工7號起重船進(jìn)行整體吊裝。東海工7號起重船共4個吊鉤，在吊臂角度大于65°時每個吊鉤額定吊重650 t，總額定吊重2 600 t，吊鉤成一字形布置。

基礎(chǔ)平臺安裝位置地質(zhì)條件為海底基巖，水流流速大，船只在該處無法正常下錨?；A(chǔ)平臺安裝時，需東海工7號起重船在海上起吊基礎(chǔ)平臺并且拖航約3.2 n mile至安裝位置附近后下水安裝。

由于基礎(chǔ)平臺自重已達(dá)起重船起吊能力的87%，基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)系統(tǒng)可設(shè)計重量有限，而且在施工中要求在海上起吊基礎(chǔ)平臺后進(jìn)行長距離拖航。這對于基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)系統(tǒng)的自身結(jié)構(gòu)提出了較高的要求，增加了吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計的難度。

2 桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 荷載安全系數(shù)

吊運(yùn)系統(tǒng)荷載按短暫狀況作用效應(yīng)組合，變形按正常使用極限狀態(tài)組合考慮，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。

吊運(yùn)系統(tǒng)在吊運(yùn)過程中主要受到下部吊件荷載自重作用，在起吊時按沖切動力荷載考慮，根據(jù)規(guī)范裝卸重物的動力系數(shù)取1.1～1.3[7]。起重船額定起吊能力為2 600 t，吊件重2 253 t，吊運(yùn)系統(tǒng)可設(shè)計重量非常有限。經(jīng)過綜合考慮，梁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算按綜合動力系數(shù)1.5考慮。

2.2 吊運(yùn)系統(tǒng)整體布置

吊運(yùn)系統(tǒng)主要由上部鋼絲繩，分配梁、下部鋼絲繩及連接件組成。

為了減小基礎(chǔ)平臺在吊裝過程中的應(yīng)力，使基礎(chǔ)平臺與分配梁之間的鋼絲繩保持豎直狀態(tài)起吊。因此在布置分配梁下部吊點時，采取了與基礎(chǔ)平臺上部吊點一一對應(yīng)原則布置分配梁下部吊點。

分配梁上部吊點的位置根據(jù)起重船的要求進(jìn)行考慮。起重船要求吊索按等角度布置，同時兼顧起重船各鉤豎向力均勻分布，各吊索合力與吊鉤垂直線角度小于5°。起重船山字鉤中心位置與基礎(chǔ)平臺重心位置保持一致，每個鉤掛2根鋼絲繩連接4個上部吊點。

吊點位置整體偏向平臺重端，設(shè)置于吊運(yùn)系統(tǒng)分配梁節(jié)點位置，鋼絲繩相對于吊鉤接近等角度布置。

2.3 桁架式分配梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于基礎(chǔ)平臺自身重量大，吊運(yùn)系統(tǒng)可設(shè)計重量不足，因此分配梁設(shè)計為一體化型鋼桁架結(jié)構(gòu)形式。分配梁長39.7 m，寬3.84～12.7 m，高5 m。桁架結(jié)構(gòu)由Q345B牌號的HN型鋼和工字鋼焊接而成，總重119 t。

吊運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及吊點布置見圖2。

圖2 吊運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及吊點布置圖Fig.2Hanger system structure and distribution of hanging points

3 吊運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算

3.1 計算模型

潮流電站基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)系統(tǒng)采用有限元軟件Midas/Civil按鋼桁架結(jié)構(gòu)梁建模計算。分配梁桁架結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，16根上部吊索采用索單元模擬，于吊索末端吊鉤位置設(shè)置位移約束?；A(chǔ)平臺重量荷載施加于分配梁下部吊點位置，荷載大小根據(jù)基礎(chǔ)平臺結(jié)構(gòu)實際質(zhì)量分配進(jìn)行計算。

3.2 計算結(jié)果及分析

分配梁主要構(gòu)件計算結(jié)果見表1，最大應(yīng)力為291.8 MPa，滿足規(guī)范要求。應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在荷載較大的上下吊點主縱梁連接位置，設(shè)計時在這些節(jié)點位置額外增加了與豎桿連接的加強(qiáng)肋板，改善節(jié)點受力。另外局部豎桿和斜桿受到壓力較大，設(shè)計時增加了側(cè)向支撐，保證其壓桿穩(wěn)定性。

表1 主要構(gòu)件計算結(jié)果Table 1Calculation results of main components

4 海上吊裝過程中吊運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)力測試

采用桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行海上大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝的難度大，安全風(fēng)險高。為了保證大型潮流發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海上吊裝施工的安全，并驗證吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計計算結(jié)果，在基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)拖航過程中對分配梁體關(guān)鍵部位應(yīng)力進(jìn)行測試。

4.1 分配梁應(yīng)力測試方法

分配梁應(yīng)力測試中，吊件與船頭甲板水平距離長，受風(fēng)浪影響很大，線纜無法有效保護(hù)，采用無線測試方案。

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，在分配梁計算應(yīng)力較大構(gòu)件位置安裝應(yīng)力傳感器，傳感器與船上接收器之間采用無線通訊，測試數(shù)據(jù)能實時傳輸給船上的測試人員。

4.2 傳感器布置

根據(jù)分配梁應(yīng)力計算結(jié)果，對應(yīng)力較大的上下主縱梁，加強(qiáng)斜撐及未加強(qiáng)斜撐布置傳感器進(jìn)行測試。應(yīng)力傳感器布置位置見圖3，共計布置16組應(yīng)變計。

圖3 應(yīng)力傳感器布置位置Fig.3Distribution of stress sensor

4.3 測試結(jié)果

在潮流電站基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)安裝過程中，對潮流電站基礎(chǔ)吊運(yùn)系統(tǒng)分配梁進(jìn)行應(yīng)力測試。部分測點應(yīng)力曲線見圖4。

基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)安裝全過程數(shù)據(jù)表明，各測點應(yīng)力在基礎(chǔ)平臺起吊階段有較大幅度增加；在基礎(chǔ)平臺拖航過程中，測點應(yīng)力變化幅度較小；基礎(chǔ)平臺入水前進(jìn)行調(diào)平作業(yè)階段，測點應(yīng)力有一定波動；基礎(chǔ)平臺入水后各測點應(yīng)力逐漸減小至零。測試結(jié)果與基礎(chǔ)平臺下沉安裝施工情況基本一致。

基礎(chǔ)平臺吊運(yùn)安裝過程中各測點應(yīng)力極值見表2。拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在測點9位置，為102.55 MPa；壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在測點5位置，為136.07 MPa。

表2中最大應(yīng)力數(shù)據(jù)表明，分配梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力實際分布情況與計算結(jié)果基本一致。主縱梁上測點1、2、5、6位置，HN型鋼上存在彎矩，并不完全是二類桿件。主縱梁上測點3、4、7、8位置，其中測點3、4位置型鋼為受拉段，測點7、8位置型鋼為受壓段，此斷面位置分配梁彎矩較大，分配梁存在整體受彎趨勢。

圖4 吊運(yùn)安裝過程中吊運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)力曲線Fig.4Stress curve of hanger system in the hanging and installation process

表2 吊運(yùn)安裝過程中各測點應(yīng)力極值Table 2Stress extremum of measuring point in the hanging and installation process

測試中分配梁應(yīng)力最大值小于計算結(jié)果，這是由于桁架式分配梁的節(jié)點位置均進(jìn)行了節(jié)點加強(qiáng)，同時桁架式分配梁結(jié)構(gòu)驗算時采用的安全系數(shù)較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏安全。

5 結(jié)語

本文依據(jù)實際工程，論述了大型潮流能電站的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)吊運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計過程，對采用桁架式結(jié)構(gòu)的吊運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了有限元計算，并對潮流電站基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海上吊裝過程中吊運(yùn)系統(tǒng)的應(yīng)力進(jìn)行了測試。潮流電站基礎(chǔ)海上吊裝的順利進(jìn)行，表明應(yīng)用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計大型海上吊裝施工的吊運(yùn)系統(tǒng)具有可行性。在起重船起吊能力不足，吊運(yùn)系統(tǒng)可設(shè)計重量較小的情況下，使用桁架式吊運(yùn)系統(tǒng)是一種較為合理的方案選擇。

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Design and test of truss hanger system for large tidal current power station foundation

FU Yi-fan,LI Xiao-zhou
（CCCC Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

In the foundation construction of large tidal current power station,the truss hanger system is designed to solve the problem that the weight of crane is large and the lifting capacity of cranes is insufficient.The design process of the truss hanger system is discussed.The finite element calculation of the truss hanger system is carried out.The stress test is carried out during the foundation construction.The result of finite element calculation and stress test in the process of foundation construction show that it is feasible and rational to adopt truss hanger system when the lifting system can be designed with small weight.

large tidal current power station foundation;offshore overall lifting installation;truss hanger system

U653.92

A

2095-7874（2017）06-0044-04

10.7640/zggwjs201706010

2016-11-01

2017-01-12

傅一帆（1985—），男，福建莆田人，碩士，工程師，國家勘察設(shè)計注冊土木工程師，交通工程專業(yè)。E-mail：fuyifan1985@qq.com