海上風(fēng)電多樁穩(wěn)樁平臺(tái)的施工設(shè)計(jì)與安全性分析*

張智博 盧 浩 邱 嶼 左 某 陳明勝 諶 偉

(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司港航分公司 中山 528400； 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

我國(guó)擁有發(fā)展海上風(fēng)電的天然優(yōu)勢(shì)，可利用海域面積300多萬(wàn)km2，海上風(fēng)能資源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)5～25 m水深線以?xún)?nèi)近海區(qū)域、海平面以上50 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)電可裝機(jī)容量約2億 kW[1]。自2017年起，中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)量迅速增加。全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)發(fā)布的《2017年全球風(fēng)電報(bào)告》顯示，截至2017年底，中國(guó)以新增裝機(jī)116.4萬(wàn) kW、累計(jì)裝機(jī)278.8萬(wàn) kW位列世界第三；2018年，中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展提速，新增裝機(jī)436臺(tái)，新增裝機(jī)容量達(dá)到165.5萬(wàn) kW，同比增長(zhǎng)42.7%；累計(jì)裝機(jī)達(dá)到444.5萬(wàn) kW[2]；2019年，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量239.5萬(wàn) kW，同比增長(zhǎng)44.7%。截至2019年底，中國(guó)以累計(jì)裝機(jī)量683.8萬(wàn) kW位列世界第三?？梢?jiàn)，在節(jié)能減排、能源短缺、能源供應(yīng)安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的大形勢(shì)下，海上風(fēng)電作為典型清潔能源越來(lái)越受到重視[3]。

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式也在不斷推陳出新，固定式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、三腳樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和負(fù)壓桶基礎(chǔ)[4]。其中單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是目前主流的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式[5]。由于單樁基礎(chǔ)安裝質(zhì)量要求高，國(guó)內(nèi)采用工藝輔助樁穩(wěn)樁平臺(tái)的方法解決超大型單樁基礎(chǔ)的沉樁技術(shù)[6]。伴隨海上風(fēng)電機(jī)組尺寸與重量的不斷增大，樁基礎(chǔ)直徑也不斷增大，多樁穩(wěn)樁平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，但對(duì)于更為復(fù)雜的多樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)(如導(dǎo)管架基礎(chǔ))的定位和沉樁，有著更為嚴(yán)格的要求[7-8]。為此，本文根據(jù)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的打樁作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了1種多樁穩(wěn)樁平臺(tái)，用于4樁導(dǎo)管架的樁基礎(chǔ)的定位、導(dǎo)向和沉樁。穩(wěn)樁平臺(tái)自帶發(fā)供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，可獨(dú)立于輔助作業(yè)船舶施工。所設(shè)計(jì)的多樁穩(wěn)樁平臺(tái)具備工程樁的沉樁作業(yè)及樁身垂直度的調(diào)節(jié)功能，多用途性強(qiáng)，擁有大直徑樁的打樁能力，可為3樁、4樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行打樁施工作業(yè)。其次，該平臺(tái)可滿(mǎn)足在作業(yè)天氣下受海洋風(fēng)、浪、流影響下的施工需求，以及極端海況下(15級(jí)臺(tái)風(fēng))的安全使用。

1 多樁穩(wěn)樁平臺(tái)

1.1 方案和施工設(shè)計(jì)

多樁穩(wěn)樁平臺(tái)主要由上層平臺(tái)、導(dǎo)管、抱樁導(dǎo)管架、輔助樁、防沉板等組成，穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。上層平臺(tái)甲板距海平面高度為5 m，水面距離海底31 m，抱樁導(dǎo)管圓柱部分長(zhǎng)10 m，未插入輔助樁時(shí)整個(gè)平臺(tái)高42 m。輔助樁長(zhǎng)度70 m，入土深度15 m，伸出海平面高度18 m。風(fēng)電基礎(chǔ)樁直徑適用范圍為3.5，4.5，5 m；風(fēng)電基礎(chǔ)樁距適用范圍為28 m×28 m；抱樁導(dǎo)管架自帶輔助樁4根，抱樁導(dǎo)管架由自身的調(diào)平系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁抱樁系統(tǒng)兩部分組成。各部分構(gòu)件功能和尺寸設(shè)計(jì)如下。

圖1 穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案(單位：mm)

1) 輔助樁。輔助樁由長(zhǎng)度70 m的直徑×壁厚=2 000 mm×18 mm的鋼管組成。

2) 抱樁導(dǎo)管架。抱樁導(dǎo)管架由HN692×300×13×20的型鋼和4個(gè)主體結(jié)構(gòu)高度10 m、內(nèi)徑5 000 mm的抱樁導(dǎo)管組成，抱樁導(dǎo)管由24，20，16 mm 3種厚度的鋼板焊接而成。

3) 防沉板。防沉板平面由厚度12 mm的鋼板及依附與鋼板上的強(qiáng)弱骨材構(gòu)成，其中，弱骨材型號(hào)L100×63×8的角鋼，強(qiáng)骨材型號(hào)T700×300×10×14和型號(hào)T700×300×14×16的2種T形材。

4) U形喂樁槽。U形喂樁槽及上層平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)主要對(duì)上部施工機(jī)械及工程樁提供支撐作用，由厚度12，14，18，20，24 mm的鋼板焊接而成。

1.2 作業(yè)環(huán)境

多樁穩(wěn)樁平臺(tái)作業(yè)位于近海海域，作業(yè)水深28～33 m，最大浪、流速2.5 m/s，最大工作風(fēng)速20 m/s，非工作最大風(fēng)速為55 m/s。按照《海洋移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》(2016)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)[9]的規(guī)定，計(jì)算工況包括船側(cè)支架支撐工況、打樁作業(yè)工況、遭遇臺(tái)風(fēng)工況，以及拖航工況。根據(jù)穩(wěn)樁平臺(tái)實(shí)際工作狀態(tài)，本文對(duì)3個(gè)危險(xiǎn)工況進(jìn)行了計(jì)算，所需校核工況見(jiàn)表1。

表1 校核工況

2 多樁穩(wěn)樁平臺(tái)強(qiáng)度校核

2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件對(duì)該穩(wěn)樁平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度校核。平臺(tái)使用Q355B鋼，彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比υ為0.3，密度ρ為7.85×10-9t/mm3。

模型主要采用殼單元Shell181、管單元Pipe59、梁?jiǎn)卧狟eam188和三維非線性彈簧單元Combin39進(jìn)行模擬。

不同土層的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，根據(jù)《規(guī)范》，計(jì)算得到黏土與沙土的p-y曲線見(jiàn)圖2、圖3。通過(guò)將不同深度下的土壤p-y曲線數(shù)據(jù)對(duì)作為相應(yīng)位置Combin39單元的F-D實(shí)常數(shù)輸入，實(shí)現(xiàn)樁土的相互作用。

圖2 黏土p-y曲線數(shù)據(jù)圖

圖3 砂土p-y曲線數(shù)據(jù)圖

表2 不同土層的相關(guān)參數(shù)

平臺(tái)整體有限元模型見(jiàn)圖4、其中p-y曲線法彈簧及設(shè)置示意見(jiàn)圖5。

圖4 穩(wěn)樁平臺(tái)有限元模型

圖5 p-y曲線法彈簧設(shè)置

2.2 載荷與邊界

2.2.1風(fēng)載荷

根據(jù)《規(guī)范》中規(guī)定，風(fēng)壓pw和作用于構(gòu)件上的風(fēng)力F的計(jì)算公式為

pw=0.613×v2

(1)

F=Ch×Cs×S×pw

(2)

式中：v為設(shè)計(jì)風(fēng)速；Ch為暴露在風(fēng)中構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為暴露在風(fēng)中構(gòu)件的形狀系數(shù)；S為受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果

2.2.2波浪和海流荷載

單根樁腿單位長(zhǎng)度所受的波浪載荷按Morison公式計(jì)算。

FB=FD+FI

(3)

式中：FB為小尺度構(gòu)件垂直于其軸線方向單位長(zhǎng)度上的波浪力；FD為拖曳力；FI為慣性力。

其中FD和FI分別為

FD=1/2ρwCDA|u-x′|(u-x′)

FI=ρwCAV(u′-x″)+ρwVu′=ρwV(CMu″-CAx″)

式中：ρw為海水密度，取ρw=1.025×103kg/m3；A為單位長(zhǎng)度構(gòu)件在垂直于矢量(u-x′)方向上的投影面積；CD和CA為曳力和附連質(zhì)量系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)，CM=CA+1；V為單位長(zhǎng)度構(gòu)件體積；u和u′為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度分量；x′和x″為垂直于構(gòu)件軸線的構(gòu)件速度和加速度分量。

CD和CM為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)圓形構(gòu)件，可取CD=0.6～1.2，Cm=1.3～2.0，且許用的系數(shù)值不小于上述范圍的下限值見(jiàn)(《規(guī)范》)。

當(dāng)只考慮海流作用時(shí)，作用在平臺(tái)水下部分構(gòu)件的海流載荷可按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：vL為設(shè)計(jì)流速。

2.2.3邊界條件

對(duì)上層平臺(tái)施加風(fēng)載荷，對(duì)抱樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)施加波浪和海流載荷，對(duì)輔助樁底部節(jié)點(diǎn)和彈簧單元節(jié)點(diǎn)施加固定約束。穩(wěn)樁平臺(tái)的載荷及邊界條件見(jiàn)圖6。

圖6 穩(wěn)樁平臺(tái)荷載及邊界條件

2.3 強(qiáng)度校核

根據(jù)《規(guī)范》的規(guī)定，參與結(jié)構(gòu)分析的平臺(tái)主體框架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按規(guī)定確定其許用應(yīng)力值[σ]，其計(jì)算方法見(jiàn)式(5)。

[σ]=σs/S0

(5)

式中：σs為材料的屈服強(qiáng)度，N/mm2；S0為安全系數(shù)，計(jì)算軸向或彎曲應(yīng)力時(shí)取1.25，計(jì)算剪切應(yīng)力時(shí)取1.88。

各工況下構(gòu)件的強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 強(qiáng)度校核

15級(jí)臺(tái)風(fēng)，打入輔助樁工況(工況三)下穩(wěn)樁平臺(tái)的相當(dāng)應(yīng)力及位移結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，平臺(tái)最大應(yīng)力為von Mises 255.58 MPa，最大位移為137.95 mm，位于臨時(shí)樁頂部；輔助樁的最大軸向應(yīng)力為-216.27 MPa，位于輔助樁底部；均滿(mǎn)足規(guī)范的許用值284 MPa。

圖7 15級(jí)臺(tái)風(fēng)，打入輔助樁工況下穩(wěn)樁平臺(tái)的強(qiáng)度校核

3 多樁穩(wěn)樁平臺(tái)穩(wěn)定性分析

3.1 抗傾覆穩(wěn)定性

根據(jù)規(guī)范[9]，抗傾覆穩(wěn)定性由抗傾覆安全系數(shù)(FOS-OT)表示，其計(jì)算方法見(jiàn)式(6)。

(6)

式中：Fz為平臺(tái)自重，kN；d為重心到傾覆點(diǎn)水平距離，m，M0為外力彎矩，kN·m。

傾覆力矩M0為

M0=Fwhw+F1h1+F2h2+F3h3+F4h4

(7)

式中：Fw、hw分別為風(fēng)力和力臂；F1、F2、F3、F4分別為4根樁腿受到的水平外力，kN；h1、h2、h3、h4分別為4根樁腿受到的水平力的力臂，m。

多樁平臺(tái)的整體穩(wěn)定性校核結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 整體穩(wěn)定性校核

3.2 抗滑移穩(wěn)定性

導(dǎo)管架在海床上是否移動(dòng)主要看自身受到的水平力FH與防沉板、泥面之間的最小抗剪力Fh。抗滑移穩(wěn)定性由抗滑移安全系數(shù)(FOS-SD)表示，其計(jì)算方法見(jiàn)式(8)。

(8)

式中：FH=c′A+Qtanφ，為保守計(jì)算，砂土c′取值為0；A為防沉板面積，m2；Q=qu×A，其中：qu=23.49Sr×B為海床能承受的極限壓應(yīng)力，MPa；B為防沉板的寬度，m；Sr為形狀因子；φ為土壤的內(nèi)摩擦角，根據(jù)實(shí)際的土壤資料來(lái)獲得，土壤資料見(jiàn)表2。

工況一未打入輔助樁，為最易滑移狀態(tài)，根據(jù)有限元計(jì)算，可得平臺(tái)抗滑移安全系數(shù)為6.41，大于規(guī)范規(guī)定的1.5，平臺(tái)的抗滑移穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

3.3 單樁穩(wěn)定性

3.4 單樁壓彎強(qiáng)度

根據(jù)《規(guī)范》要求，對(duì)于同時(shí)承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構(gòu)件，采用如下方法進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算。

(9)

(10)

式中：σa為計(jì)算軸向壓縮應(yīng)力；σby、σbz為構(gòu)件關(guān)于橫截面y和z軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，MPa，取絕對(duì)值；[σa]為構(gòu)件許用軸向壓縮應(yīng)力,MPa；[σby]、[σbz]構(gòu)件關(guān)于橫截面y和z軸的許用彎曲壓縮應(yīng)力，MPa。 [σey′]為構(gòu)件關(guān)于橫截面y軸的折減歐拉應(yīng)力，MPa；[σez′]為構(gòu)件關(guān)于橫截面z軸的折減歐拉應(yīng)力，MPa；Cmy為XOY平面內(nèi)屈曲時(shí)的等效彎矩系數(shù)；Cmz為XOZ平面內(nèi)屈曲時(shí)的等效彎矩系數(shù)。

由于本文中所有樁腿均為圓管，故式(10)可簡(jiǎn)化為[10]

(11)

表6 單樁壓彎強(qiáng)度校核

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電多樁穩(wěn)樁平臺(tái)具備工程樁的沉樁作業(yè)及樁身垂直度的調(diào)節(jié)功能，多用途性強(qiáng)，擁有施打大直徑樁的能力，可為三樁、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行打樁施工作業(yè)。根據(jù)《規(guī)范》，本文對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)從入水到拖航過(guò)程中的3個(gè)較危險(xiǎn)工況進(jìn)行了校核，根據(jù)校核結(jié)果，3種工況下平臺(tái)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿(mǎn)足規(guī)范的要求，其中：工況一未打入輔助樁，易產(chǎn)生整體滑移，根據(jù)計(jì)算得到的滑移安全系數(shù)為6.41，對(duì)于規(guī)范要求的1.5，此外，工況一下平臺(tái)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為13.76，大于規(guī)范要求的1.5；工況二為正常工作狀況(打入輔助樁后)，平臺(tái)的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)為17.21，相較于工況一提升了25.1%；工況三為考慮極端海況時(shí)，在這種海況下，平臺(tái)上桿系的最大軸向應(yīng)力為127.27 MPa，臨時(shí)樁上的最大軸向應(yīng)力為-216.27 MPa，均較接近許用值，同時(shí)抗傾覆安全系數(shù)僅為2.03，證明極端海況對(duì)平臺(tái)的影響較大。