風(fēng)電安裝船桁架式樁腿結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

成 昊，王麗錚

(武漢理工大學(xué) 船海與能源動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來，為了順應(yīng)綠色能源發(fā)展的號召，海上風(fēng)電行業(yè)蓬勃發(fā)展。隨著風(fēng)電安裝需求的不斷增加及對吊裝能力和高度要求的提升，風(fēng)電安裝船應(yīng)運而生。風(fēng)電安裝船是自升式平臺和船型的結(jié)合，基本結(jié)構(gòu)和自升式平臺相似，由主船體、樁腿和升降裝置組成。風(fēng)電安裝船彌補了自升式平臺不能自航的缺點，主船體為船型結(jié)構(gòu)，能夠不借助拖輪自行進行航行和就位。樁腿的結(jié)構(gòu)型式分為圓筒式和桁架式，桁架式樁腿相較圓筒式樁腿，波浪載荷小，結(jié)構(gòu)重量更輕[1]。

對于風(fēng)電安裝平臺圓筒式樁腿結(jié)構(gòu)，錢笠君等[2]研究了圓筒式樁腿結(jié)構(gòu)的繞樁吊式風(fēng)電安裝平臺，分析了作業(yè)、風(fēng)暴自存及預(yù)壓載工況，得出了主控工況仍為風(fēng)暴自存工況。但在作業(yè)工況特定的浪向角及主吊機作業(yè)角度時，在波流載荷、DAF 載荷、P-Delta 載荷及吊物產(chǎn)生的附加彎矩的聯(lián)合作用下，屈曲強度校核值與風(fēng)暴自存工況相似。夏天[3]在研究圓筒式自升式起重平臺的作業(yè)工況時也提出，在特定的吊臂角度和浪向角時，平臺的傾覆力矩更大，會存在一定的危險。風(fēng)電安裝船的作業(yè)工況與自升式平臺不同，自升式平臺廣泛用于鉆井作業(yè)，而風(fēng)電安裝船作業(yè)時其主船體載荷較大，受吊機工作情況及吊臂角度影響大，因而需要對風(fēng)電安裝船作業(yè)工況進行分析。

對于風(fēng)電安裝船桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的分析基于自升式平臺桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的分析之上，朱亞洲等[4]基于倒K 型樁腿結(jié)構(gòu)分析了拖航工況和風(fēng)暴自存工況時弦管間距和樁腿節(jié)距對平臺參數(shù)的影響，給出了最優(yōu)的樁腿結(jié)構(gòu)方案。蒙占彬等[5]基于K 型、逆K 型和X 型樁腿結(jié)構(gòu)，在風(fēng)暴自存工況下采用分層優(yōu)化的方法進行了樁腿選型的分析研究，得出了在其設(shè)定環(huán)境下，倒K 型和X 型是較為合理的樁腿型式。郭心月[6]在風(fēng)暴自存工況下，分析了幾種樁腿結(jié)構(gòu)型式總體性能隨水深的變化，推薦在深水使用倒K 型樁腿結(jié)構(gòu)型式。劉運祥等[7]在風(fēng)暴自存工況下對倒K 型、X 型、K 型樁腿結(jié)構(gòu)型式進行了動靜態(tài)及穩(wěn)定性分析，得出倒K 型更適合在122 m 及以上的深水作業(yè)。

研究普遍將風(fēng)暴自存工況作為自升式平臺最危險的工況[8-9]，本文基于某自航自升式風(fēng)電安裝船，結(jié)合倒K 型、X 型、K 型3 種樁腿結(jié)構(gòu)型式，分析風(fēng)暴自存工況及作業(yè)工況下樁腿結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟性，研究綜合性能更優(yōu)的樁腿選型方案。

1 研究對象

本文的研究對象為桁架式風(fēng)電安裝船，采用四樁腿桁架式結(jié)構(gòu)，由主弦桿（含齒條）、斜腹桿、水平腹桿和水平內(nèi)撐組成，最大作業(yè)水深60 m。樁腿長114.4 m，主弦桿間距7 m，水平腹桿間距5 m。樁腿以原倒K 型樁腿結(jié)構(gòu)型式為基礎(chǔ)，結(jié)合K 型 、X 型2 種典型的樁腿型式，樁腿結(jié)構(gòu)如圖1 所示，研究不同樁腿構(gòu)型在危險工況下的安全性。

圖1 桁架式樁腿型式Fig. 1 Trussed leg type

2 計算模型

2.1 工況參數(shù)

作業(yè)工況分為吊機工作和吊機不工作2 種狀態(tài)，吊機工作預(yù)設(shè)的吊臂角度為90°，結(jié)合風(fēng)暴自存工況，本文假設(shè)風(fēng)浪流的方向一致，從0°開始，選取16 個角度進行計算。具體工況參數(shù)如表1 所示。

表1 工況參數(shù)Tab. 1 Working condition

2.2 載荷確定

2.2.1 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷主要考慮作用在主船體及水面以上的樁腿部分，根據(jù)規(guī)范[10]，作用在風(fēng)電安裝船的風(fēng)力F公式為：

式中：Ch為根據(jù)結(jié)構(gòu)高度確定的的高度系數(shù)，CS為形狀系數(shù)，S為正投影面積，P為基本風(fēng)壓。

為了保證計算的安全，選取不同方向的風(fēng)載荷計算得出的最大值用于后續(xù)的計算。

2.2.2 波浪載荷

波浪載荷是影響風(fēng)電安裝船安全性的主要環(huán)境載荷之一，本文采用設(shè)計波法，通過分析準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，結(jié)合目前廣泛使用的Stokes 五階波浪理論，對樁腿結(jié)構(gòu)型式進行評估。

對于桁架式的風(fēng)電安裝船樁腿，一般采用Morison 方法計算波浪載荷。波浪載荷由拖曳力和慣性力組成，其單位長度的波浪載荷表示為：

式中：CD為 拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；U為垂直構(gòu)件軸線方向的水質(zhì)點速度； ρ為垂直于構(gòu)件軸線方向上的水質(zhì)點加速度；D為構(gòu)件截面半徑；A為構(gòu)件截面面積。

本文通過Sesam 軟件內(nèi)置的程序，基于Stokes 五階波浪公式，計算得出不同高度的水質(zhì)點速度及加速度，通過WAJAC 模塊得出波浪載荷。

2.2.3 海流載荷

海流載荷包括潮海流和風(fēng)海流，一般不考慮渦激升力，在垂直方向上海流載荷呈梯度分布，海面位置為最大設(shè)計流速，泥面線性下降為0。

單位長度的海流載荷表示為：

波浪和海流同時作用時，通過計算海流速度與水質(zhì)點速度在垂直于構(gòu)件方向上的速度和，得出在波流載荷下的水動力載荷。

2.2.4 動態(tài)放大效應(yīng)

當(dāng)風(fēng)電安裝船的固有周期與波浪周期接近時，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，將對風(fēng)電安裝船產(chǎn)生破壞。從風(fēng)電安裝船安全性的角度考慮，有必要對動態(tài)放大效應(yīng)DAF（dynamic amplification factor，DAF）進行研究。

動態(tài)放大效應(yīng)DAF 是動態(tài)過程與靜態(tài)過程達到的最大數(shù)值的比值，體現(xiàn)了動態(tài)響應(yīng)相較于靜態(tài)響應(yīng)的增幅。本文采用單自由度法，將風(fēng)電安裝船簡化為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，這種方法能粗略評估一階固有頻率，雖具有一定誤差，但是方便簡單，結(jié)果又能給工程實際提供相對可靠的參考性，所以廣泛應(yīng)用于DAF 的計算中。DAF 的計算公式為：

式中：Tn為平臺固有周期；T為波浪周期； ζ為系統(tǒng)阻尼比，風(fēng)電安裝船可為0.07。

慣性力載荷可以通過SDOF 方法求得，公式如下：

式中：Fi為慣性力載荷；Fmax、Fmin分別為波浪和海流共同的作用力。

2.2.5 P-Delta 效應(yīng)載荷

風(fēng)電安裝船樁腿在深水作業(yè)時，與主船體結(jié)構(gòu)相比，側(cè)向剛度小，屬于柔性構(gòu)件，因而需要考慮PDelta 效應(yīng)。樁腿在風(fēng)浪流的作用下，會產(chǎn)生較大的水平位移，樁靴提供的支反力的作用線不再通過樁腿的質(zhì)心，產(chǎn)生附加彎矩，較準(zhǔn)靜態(tài)分析產(chǎn)生的彎矩結(jié)果更大，屬于非線性問題。而本文采用的Sesam 軟件GeniE，是在線彈性理論的基礎(chǔ)下進行的結(jié)構(gòu)分析。因此需要通過下面的計算公式考慮P-Delta 效應(yīng)：

式中： δ為主船體線彈性一階位移；P為單條樁腿的平均軸向載荷；Pe為單條樁腿的歐拉屈曲載荷。

等效彎矩計算公式為：

等效力的計算公式為：

式中，H為等效力至泥面的高度。

2.3 有限元模型

本文基于SEASM 軟件GeniE 模塊進行的有限元建模，對于主船體部分，模擬出全船的基本結(jié)構(gòu)，通過施加質(zhì)量點調(diào)整主船體的質(zhì)量和重心，吊機的工作也通過質(zhì)量點的調(diào)整模擬。對于樁腿部分，主弦桿帶有齒條結(jié)構(gòu)，采用等效的方法，將弦管等效為梁單元，對于腹桿和內(nèi)撐，用實際尺寸進行模擬。在樁腿與主船體相連部分，鎖緊裝置約束樁腿的豎直位移，上下導(dǎo)塊約束樁腿的水平位移。根據(jù)規(guī)范，在樁腿入泥3 m 深處設(shè)置鉸支約束。計算出風(fēng)載荷、慣性力載荷和P-Delta 等效力，以附加載荷的形式施加到結(jié)構(gòu)上。風(fēng)電安裝船載荷示意圖如圖2 所示。

圖2 風(fēng)電安裝船載荷示意圖Fig. 2 Load diagram of wind power installation ship

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 樁腿重量

由表2 可以看出，樁腿節(jié)距相同時，樁腿重量X 型<倒K 型

表2 樁腿重量Tab. 2 Working condition

3.2 樁腿最大位移

不同工況下不同樁腿型式樁腿最大位移如圖3 所示。在工況一定時，倒K 型和X 型樁腿結(jié)構(gòu)的最大位移量相近，較優(yōu)于K 型樁腿結(jié)構(gòu)，這是由于K 型樁腿結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，受風(fēng)和波流面積大，會承受更大的風(fēng)載和波流載荷，因而產(chǎn)生更大的位移。在樁腿結(jié)構(gòu)型式一定時，LC2 樁腿產(chǎn)生更大偏移，這說明惡劣的環(huán)境條件和為了防止甲板上浪而提升的主船體高度是影響樁腿位移的因素。在風(fēng)暴來臨之前，航行到較淺的海域，降低主船體的高度，能夠有效的減少樁腿的最大位移。

圖3 樁腿最大位移Fig. 3 Maximum displacement of pile legs

3.3 樁腿屈服與屈曲校核

UC值為外界影響與結(jié)構(gòu)承載力的比值，用于表征構(gòu)件的安全性能，同時也在體現(xiàn)了材料強度的利用率。因此，樁腿承受環(huán)境載荷的能力用樁腿屈服與屈曲強度的聯(lián)合校核UC值表示，UC值小于1 表示結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)過計算，3 種工況的UC值均滿足安全性要求，為了研究風(fēng)浪流入射角對風(fēng)電安裝船安全的影響，選取較為危險的LC2 與LC3 工況進行分析研究。圖4 和圖5 為LC2 和LC3 工況下，3 種樁腿結(jié)構(gòu)型式的主弦桿和斜腹桿隨風(fēng)浪流入射角度變化的UC值曲線。

圖4 LC2 樁腿屈服與屈曲校核（UC 值）Fig. 4 LC2 Pile leg yielding and buckling check (UC value)

圖5 LC3 樁腿屈服與屈曲校核（UC 值）Fig. 5 LC3 Pile leg yielding and buckling check (UC value)

通過分析圖4 和圖5 中UC值隨風(fēng)浪流入射角的變化趨勢，得出如下結(jié)論：

1）在相同的工況下，3 種結(jié)構(gòu)型式的樁腿主要構(gòu)件的UC值隨波浪入射角的變化趨勢大致相同，在60°和300°時均有一個明顯的峰值。因此，各工況可優(yōu)先考慮在風(fēng)浪流入射角為60°和300°時加載，以提高計算的效率。

2）主弦桿結(jié)構(gòu)強度最大，且是樁腿所有構(gòu)件中UC值最大的部分，說明主弦桿是最主要的受力構(gòu)件。LC2 和LC3 工況主弦桿UC值的峰值都達到0.90，即使在安全范圍內(nèi)，但都應(yīng)該作為風(fēng)電安裝船重點考慮的工況。

3）在相同的風(fēng)浪流入射角度時，主弦桿UC值沒有明顯變化，LC3 較LC2 工況斜腹桿UC值有明顯增加，說明斜腹桿能起到抵抗側(cè)向載荷的作用。

3.4 抗傾覆能力

平臺的抗傾覆能力是由抗傾力矩和載荷彎矩的比值來評估的，抗傾力矩是定載和50%變載之和與抗傾力臂的乘積，載荷彎矩是風(fēng)電安裝船自身重量引起的彎矩、風(fēng)浪流引起的彎矩，并且充分考慮動態(tài)放大效應(yīng)DAF 及P-Delta 效應(yīng)引起彎矩的和。

由圖6 可以看出，3 種結(jié)構(gòu)型式的樁腿均能夠滿足抗傾要求，并且有著充分的安全裕度。X 型樁腿由于其水下部分截面小，引起的彎矩小，有著更佳的抗傾覆能力。LC3 相較其他工況，由于作業(yè)水深較淺，上部樁腿承受較大的風(fēng)載，容易產(chǎn)生更大的側(cè)向彎矩，因此比值相較其余2 種工況較小。

圖6 抗傾覆能力Fig. 6 Anti-overturning ability

4 結(jié) 語

本文對風(fēng)電安裝船樁腿結(jié)構(gòu)型式進行比選，采用有限元方法分析在風(fēng)暴自存和作業(yè)工況下3 種樁腿結(jié)構(gòu)型式，得出結(jié)論如下：

1）對于主控工況的選擇，因為作業(yè)工況會出現(xiàn)接近風(fēng)暴自存工況的樁腿最大應(yīng)力，因此在將風(fēng)暴自存工況設(shè)為主控工況的基礎(chǔ)上，需要注意對作業(yè)工況的研究。

2）對于樁腿結(jié)構(gòu)型式的選擇，倒K 型、X 型和K 型樁腿型式在不改變節(jié)距和尺寸大小的情況下，均能滿足風(fēng)電安裝船的強度及穩(wěn)性要求。在作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況下，倒K 型與X 型樁腿結(jié)構(gòu)對比K 型樁腿，綜合性能更好。同時，X 型樁腿其管節(jié)點少，焊接工作量小，建造成本更低，具備更好的經(jīng)濟性，為當(dāng)前更優(yōu)的設(shè)計方案，具有一定的工程參考意義。

未來風(fēng)電向遠海發(fā)展，需要適應(yīng)更惡劣的環(huán)境條件，風(fēng)電安裝船的樁腿長度也會隨著作業(yè)水深的增加而增加，未來更優(yōu)的設(shè)計方案還需要進一步研究與討論。