海上風(fēng)電單樁穩(wěn)樁平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全性評(píng)估

何韶東，張顯雄，何海群，胡振偉，邱 嶼，陳明勝*

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

0 引 言

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水深線以內(nèi)近海區(qū)域、海平面以上50 m高度內(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》[2]顯示：截至2017年底，中國(guó)以新增裝機(jī)容量約116.4萬(wàn)kW、累計(jì)裝機(jī)容量約278.8萬(wàn)kW位列世界第三；2018年，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)436臺(tái)，新增裝機(jī)容量約165.5萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)42.7%，累計(jì)裝機(jī)容量約444.5萬(wàn)kW[3]；2019年，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量約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)容量約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[4]。

隨著海上風(fēng)電迅速發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型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)型式主要有重力式、單樁、高樁承臺(tái)、三腳樁、導(dǎo)管架和負(fù)壓桶等[5]。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)型式[6-7]。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)[8-9]。穩(wěn)樁平臺(tái)的作用除了支撐平臺(tái)的全部質(zhì)量以外，還要經(jīng)受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用[10]。與陸地結(jié)構(gòu)相比，其所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，易受碰撞、火災(zāi)爆炸、落物等諸多不利因素的影響，影響平臺(tái)服役的安全性和耐久性，致使各種海損、海難事故不斷發(fā)生。這些災(zāi)難的發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，而且?guī)?lái)嚴(yán)重的社會(huì)影響，并給海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的海洋污染。因此，穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性對(duì)平臺(tái)安全較為重要，特別是在極端海況條件下，穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的安全性更值得研究。

為此，根據(jù)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的打樁作業(yè)要求，設(shè)計(jì)一種大直徑單樁穩(wěn)樁平臺(tái)(簡(jiǎn)稱“穩(wěn)樁平臺(tái)”)，用于樁基礎(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，用途廣泛，且擁有打樁能力。該平臺(tái)可滿足在作業(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的安全使用。

1 穩(wěn)樁平臺(tái)基本情況

1.1 方案設(shè)計(jì)

穩(wěn)樁平臺(tái)是為海上風(fēng)電場(chǎng)打樁作業(yè)而設(shè)計(jì)的鋼管樁下沉專用導(dǎo)向裝置。如圖1所示，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)具備如下功能：(1)工程樁的沉樁作業(yè)及樁身垂直度的調(diào)節(jié)功能；(2)平臺(tái)滿足在可作業(yè)天氣下受海洋風(fēng)、浪、流影響下的施工需求；(3)擁有3～5 m大直徑樁的打樁能力；(4)用途廣泛，能對(duì)3樁/4樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行打樁施工作業(yè)。

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

1.2 作業(yè)環(huán)境

穩(wěn)樁平臺(tái)作業(yè)位于近海海域，作業(yè)水深為27～32 m，最大浪、流速為2.5 m/s，最大工作風(fēng)速為13.8 m/s，非工作最大風(fēng)速6級(jí)以上。按照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范2016》[11](簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)，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)，所需校核工況如表1所示。

表1 穩(wěn)樁平臺(tái)實(shí)際工作狀態(tài)校核工況

工況1考慮穩(wěn)樁平臺(tái)剛放入海中，因其未打入輔助樁，處于最易滑移狀態(tài)，主要校核其抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性；工況2考慮穩(wěn)樁平臺(tái)剛放入海中，打入輔助樁，校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，并且與工況1進(jìn)行對(duì)比，突出輔助樁作用；工況3和工況4校核穩(wěn)樁平臺(tái)在極限海況下遷移和正常工作下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2 穩(wěn)樁平臺(tái)強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件進(jìn)行穩(wěn)樁平臺(tái)強(qiáng)度校核。平臺(tái)使用Q355B鋼，彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比v為0.3，質(zhì)量密度ρ為7.85×10-9t/mm3。模型主要采用殼單元Shell 181、管單元Pipe 59、梁?jiǎn)卧狟eam 188和三維非線性彈簧單元Combin 39進(jìn)行模擬。其中，輔助樁和平臺(tái)板結(jié)構(gòu)采用Shell 181單元，同時(shí)在輔助樁中心建立Pipe 59單元，用以計(jì)算波浪及海流的作用。通過(guò)迎浪方向與Shell 181節(jié)點(diǎn)耦合施加波浪載荷；水上部分梁式結(jié)構(gòu)采用Beam 188單元，通過(guò)節(jié)點(diǎn)力的形式施加風(fēng)載荷；輔助樁與土之間的相互作用通過(guò)建立Combin 39單元模擬，Combin 39單元的實(shí)常數(shù)通過(guò)土層的P-y曲線得到。

不同土層相關(guān)參數(shù)如表2所示，其中：0～4 m土層為軟黏土，對(duì)應(yīng)土層有效容重為6.7 kN/m3，不排水抗剪強(qiáng)度Cu為10.9 kPa。根據(jù)《規(guī)范》得到黏土與沙土的P-y曲線。將不同深度下的土壤P-y曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Combin 39單元的實(shí)常數(shù)參數(shù)，從而模擬樁與土的相互作用。樁土相互作用的P-y曲線法模擬如圖2所示。

表2 不同土層的相關(guān)參數(shù)

圖2 樁土相互作用的P-y曲線法模擬

2.2 載荷與邊界

2.2.1 風(fēng)載荷

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

P=0.612v2

(1)

F=ChCsAiP

(2)

式(1)和式(2)中：v為設(shè)計(jì)風(fēng)速；Ch為曝露在風(fēng)中構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為曝露在風(fēng)中構(gòu)件的形狀系數(shù)；Ai為受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。

2.2.2 波浪和流載荷

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。

式(3)中，F(xiàn)D和FI分別為

(4)

(5)

CD和CM為經(jīng)驗(yàn)因數(shù)，對(duì)于圓形構(gòu)件，可取CD=0.6～1.2，CM=1.3～2.0，且許用因數(shù)值不小于上述范圍的下限值[11]。

當(dāng)只考慮海流作用時(shí)，作用在平臺(tái)水下部分構(gòu)件的流載荷按下式計(jì)算：

(6)

式中：vL為設(shè)計(jì)流速。

在有限元分析中，波浪和流載荷通過(guò)Pipe 59單元定義材料屬性中的Watertable(水位表)：選擇Stokes 5階波理論，輸入海水密度、海水深度、波高、周期、海流表層和中層及底層流速、波流入射角及相位角，便可利用ANSYS軟件Morison公式自動(dòng)計(jì)算波浪、流載荷，考慮最危險(xiǎn)工況——波浪和流載荷方向相同，并通過(guò)耦合Pipe 59單元節(jié)點(diǎn)和輔助樁Shell 181單元節(jié)點(diǎn)的6個(gè)方向自由度將波流力傳遞給輔助樁。Pipe 59單元是一種可承受拉、壓、彎作用,并能夠模擬海洋波浪和水流的單軸單元。單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即沿x、y、z方向的線位移及繞x、y、z軸的角位移。

2.2.3 邊界條件

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。

2.3 強(qiáng)度校核

2.3.1 《規(guī)范》許用

根據(jù)《規(guī)范》，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)按如下規(guī)定確定其許用應(yīng)力值[σ]：

[σ]=σs/S

(7)

式中：σs為材料的屈服強(qiáng)度；S為安全因數(shù)，軸向或彎曲應(yīng)力取值為1.25，剪切應(yīng)力下取值為1.88。

工況校核具體數(shù)值要求如表3所示。

表3 工況校核具體數(shù)值要求

2.3.2 校核結(jié)果

圖3給出極端海況下穩(wěn)樁平臺(tái)正常工作，打入輔助樁工況(工況4)下穩(wěn)樁平臺(tái)的相當(dāng)應(yīng)力及位移結(jié)果。平臺(tái)最大von Mises應(yīng)力為80.58 MPa，最大位移為37.31 mm，位于抱樁器前緣；輔助樁的最大軸向應(yīng)力為-84.35 MPa，位于輔助樁底部：均滿足《規(guī)范》要求的許用值284 MPa。

圖3 工況4穩(wěn)樁平臺(tái)的強(qiáng)度校核

3 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》，抗傾覆穩(wěn)定性由抗傾覆安全因數(shù)SFOS-OT表示：

(8)

式中：Fz為平臺(tái)自重；d為重心至傾覆點(diǎn)水平距離；M0為外力彎矩。

M0可用下式計(jì)算：

M0=Fwhw+F1h1+F2h2+F3h3+F4h4

(9)

式中：Fw為風(fēng)力；hw為力臂；F1、F2、F3、F4分別為4根樁腿受到的水平外力；h1、h2、h3、h4分別為4根樁腿受到的水平力力臂。

穩(wěn)樁平臺(tái)整體穩(wěn)定性校核結(jié)果如表4所示。

表4 穩(wěn)樁平臺(tái)整體穩(wěn)定性校核結(jié)果

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的比值?？够品€(wěn)定性由抗滑移安全因數(shù)SFOS-SD[10]表示：

(10)

(11)

式中：為保守計(jì)算，砂土c′取值為0；As為防沉板面積；Q為防沉板所受壓力，Q=quAs，其中qu為海床能承受的極限壓應(yīng)力,qu=23.49SrB，Sr為形狀因子，B為防沉板寬度；φ為土壤的內(nèi)摩擦角，可根據(jù)實(shí)際的土壤類型獲得(見(jiàn)表2)。

工況1和工況3未打入輔助樁，為最易滑移狀態(tài)。根據(jù)有限元計(jì)算，可得工況1平臺(tái)抗滑移安全因數(shù)為20.7，工況3抗滑移安全因數(shù)為9.1，均大于《規(guī)范》規(guī)定的1.5，平臺(tái)的抗滑移穩(wěn)定性滿足要求。

3.3 輔助樁穩(wěn)定性

3.4 輔助樁壓彎強(qiáng)度

根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)于同時(shí)承受軸向壓縮和彎矩組合作用的構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性計(jì)算如下：

(12)

(13)

所有樁腿均為圓管，式(12)可簡(jiǎn)化為

(14)

根據(jù)有限元分析結(jié)果校核輔助樁壓彎強(qiáng)度，如表5所示。

表5 輔助樁壓彎強(qiáng)度校核

4 結(jié) 論

所設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電大直徑單樁穩(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，用途廣泛，擁有大直徑樁打樁能力。根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)穩(wěn)樁平臺(tái)從入水到拖航過(guò)程中的4個(gè)較危險(xiǎn)工況進(jìn)行校核。根據(jù)校核結(jié)果，4種工況的平臺(tái)強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足《規(guī)范》要求。其中：工況3未打入輔助樁，易產(chǎn)生整體滑移，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，穩(wěn)樁平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗滑移安全；工況2為正常工作狀況(打入輔助樁后)，平臺(tái)的抗傾覆穩(wěn)定性安全因數(shù)為30.30，相較于工況1提升28.6%；工況4為極端海況，單根輔助樁所受的壓應(yīng)力最大，達(dá)-59.23 MPa，同時(shí)抗傾覆安全因數(shù)下降為11.1，說(shuō)明極端海況對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性影響較大。