海上風(fēng)電大直徑單樁穩(wěn)樁平臺(tái)翻身施工技術(shù)

◎ 劉永平 韓天星 唐子昭 保利長大工程有限公司

在海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)施工中，由于水文、地質(zhì)、氣象等環(huán)境因素多變，為保證單樁沉樁質(zhì)量，需要采用穩(wěn)樁平臺(tái)來輔助單樁基礎(chǔ)沉樁。

國內(nèi)常用的穩(wěn)樁結(jié)構(gòu)，主要有船載抱樁器，四樁支撐的獨(dú)立式穩(wěn)樁平臺(tái)和自升式支腿船穩(wěn)樁平臺(tái)[1]。其中四樁支撐的獨(dú)立式穩(wěn)樁平臺(tái)因其海域適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，造價(jià)便宜被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)風(fēng)電場施工，但又因其首次現(xiàn)場安裝工藝復(fù)雜困難的缺點(diǎn)給施工造成一定難度[2]。下面結(jié)合具體工程實(shí)例，來探討穩(wěn)樁平臺(tái)安裝施工技術(shù)。

1.工程概況

某科研示范項(xiàng)目場址位于廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮(zhèn)附近海域。場址水深范圍27m～32m，中心離岸距離約31km。本工程單樁基礎(chǔ)數(shù)量為43臺(tái)，樁徑為7.5～9.0m，樁頂標(biāo)高為+18.00m，樁長96.68～104.7m，樁重1429.38～1713t。

穩(wěn)樁平臺(tái)重約800 t，平臺(tái)高51.2m（平臺(tái)模型詳見圖1）。抱樁器設(shè)計(jì)為上下兩層，間距為15m。抱樁器抱樁適用范圍：Φ7m-Φ10m。每層抱樁器上布置四個(gè)油缸，推力200t，每個(gè)油缸行程1500mm。輔助樁與導(dǎo)管架架體通過焊接連接板與輔助樁固定在一起[3]，底部設(shè)置防塵板與浮力筒來調(diào)整重心，保證架體穩(wěn)定。

圖1 穩(wěn)樁平臺(tái)模型圖

2.穩(wěn)樁平臺(tái)翻身方案比選

由于穩(wěn)樁平臺(tái)豎直運(yùn)輸重心較高，海上運(yùn)輸時(shí)要經(jīng)過某些大橋，考慮其橋面凈高可能不夠，為降低運(yùn)輸中的風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)樁平臺(tái)采取趟運(yùn)方式運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，在現(xiàn)場翻身的方式完成穩(wěn)樁平臺(tái)豎直。穩(wěn)樁平臺(tái)運(yùn)輸前需在加工廠內(nèi)掛設(shè)翻身鋼絲繩。根據(jù)吊耳設(shè)計(jì)位置在穩(wěn)樁平臺(tái)頂部掛4根主鋼絲繩，在防沉板浮筒底部位置掛2根翻身鋼絲繩。

2.1 方案一：一艘全回轉(zhuǎn)起重船翻身

穩(wěn)樁平臺(tái)裝船時(shí)頂部靠近運(yùn)輸船船艏放置，防沉板放置在靠近駕駛臺(tái)的一側(cè)（如圖2所示）。起重船船尾與運(yùn)輸船船艏靠泊，運(yùn)輸船船艏與起重船帶纜連接，船尾拋錨。起重船主鉤掛4根鋼絲繩，副鉤掛2根翻樁鋼絲繩。翻樁過程中，首先采取同時(shí)水平抬吊的方式將穩(wěn)樁平臺(tái)提升至一定高度后，運(yùn)輸船離駁。然后主鉤上升，副鉤下降的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)樁平臺(tái)豎轉(zhuǎn)。

圖2 穩(wěn)樁平臺(tái)方案一翻身模擬圖

2.2 方案二：一艘全回轉(zhuǎn)起重船+一艘固定臂架起重船

穩(wěn)樁平臺(tái)裝船時(shí)頂部靠近運(yùn)輸船駕駛臺(tái)的一側(cè)防沉板放置在靠近船艏放置（如圖3所示）。到現(xiàn)場后起重船在機(jī)位處就位，運(yùn)輸船船尾與起重船船艏并靠。運(yùn)輸船不拋錨通過纜繩與起重船連接，最后固定臂架起重船進(jìn)位拋8個(gè)錨固定。船舶具體位置如圖3所示。

圖3 穩(wěn)樁平臺(tái)方案二翻身模擬圖

使用全回轉(zhuǎn)起重船主鉤掛4根主鋼絲繩，固定臂架起重船掛2根翻身鋼絲繩。翻身時(shí)全回轉(zhuǎn)起重船順時(shí)針旋轉(zhuǎn)臂架，同時(shí)主鉤上升，翻身鋼絲繩下降，完成穩(wěn)樁平臺(tái)豎轉(zhuǎn)。

2.3 方案三：兩艘全回轉(zhuǎn)起重船

穩(wěn)樁平臺(tái)裝船方式與方案一相同（如圖4所示）。到現(xiàn)場后主起重船在機(jī)位處拋錨就位，輔助起重船并靠泊主起重船左舷，通過帶纜與主起重船固定。穩(wěn)樁平臺(tái)頂部靠主起重船，防沉板一側(cè)靠輔助起重船，運(yùn)輸船通過纜繩固定到兩船上。主起重船掛4根主鋼絲繩，輔助起重船掛2根翻身鋼絲繩。穩(wěn)樁平臺(tái)水平抬吊后，運(yùn)輸船在拖輪拖帶下離開施工水域。然后兩艘起重船主吊相向旋轉(zhuǎn)，主吊機(jī)上升，輔助吊機(jī)下降，完成穩(wěn)樁平臺(tái)豎轉(zhuǎn)。

圖4 穩(wěn)樁平臺(tái)方案三翻身模擬圖

2.4 方案選擇

如表1對比分析所示，方案三雖然經(jīng)濟(jì)成本較高，但是施工準(zhǔn)備時(shí)間短，操作工序少，施工工效高，實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)較低。經(jīng)過三維模擬工況對比分析，此方案較為可行。故選擇第三種方案進(jìn)行施工。

表1 方案對比表

3.穩(wěn)樁平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)算

為了保證穩(wěn)樁平臺(tái)在翻身過程中自身結(jié)構(gòu)及鋼絲繩受力安全，采用Midas Civil建模對其翻身過程中的不同工況進(jìn)行計(jì)算分析。模型建?？紤]如下：

①穩(wěn)樁平臺(tái)的立柱、橫撐、斜撐和平臺(tái)橫梁采用梁單元建立；

②非主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件包括防沉板、欄桿和扶梯、抱臂、加勁板和浮力桶建立為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；

③立柱等開口板件的浮力按結(jié)構(gòu)體力建模；

④斜撐、橫梁和浮力桶的浮力按閉口桿件的排水計(jì)算然后作為單元線荷載加載；

⑤鋼絲繩采用索單元模擬：導(dǎo)管架上部吊點(diǎn)采用的鋼絲繩為Φ210mm的無接頭鋼絲繩，下部吊點(diǎn)采用Φ156mm的無接頭鋼絲繩。鋼絲繩根據(jù)其截面、材料特性和初始長度進(jìn)行建模，建模圖如圖5所示。

圖5 Midas Civil建模示意圖

吊裝控制在低風(fēng)速情況下完成，計(jì)算分析中主要考慮重力的作用。在開敞無掩護(hù)的海上吊裝，對吊點(diǎn)和直接與吊點(diǎn)連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，應(yīng)取最小為2.0的荷載系數(shù)去乘所得的靜荷載。因此，在分析中重力取2.0的系數(shù)。

為了準(zhǔn)確模擬導(dǎo)管架上的吊點(diǎn)位置，在吊點(diǎn)位置建立節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用剛臂與相近立柱節(jié)點(diǎn)連接，上下吊點(diǎn)位置如圖6和圖7所示。

圖6 穩(wěn)樁平臺(tái)頂部吊點(diǎn)

圖7 穩(wěn)樁平臺(tái)底部吊點(diǎn)

通過建模，模擬翻身過程中幾個(gè)受力工況，分析穩(wěn)樁平臺(tái)及鋼絲繩的受力變化。具體工況及受力情況見表2所示。

表2 穩(wěn)樁起吊過程中受力變化表

經(jīng)過計(jì)算分析不同工況下的穩(wěn)樁平臺(tái)翻身過程，下吊點(diǎn)鋼絲繩的最大受力為4224kN，出現(xiàn)在翻身的初始階段；上吊點(diǎn)鋼絲繩最大受力為4384kN，出現(xiàn)在翻身完成后。且翻身過程中，下吊點(diǎn)鋼絲繩受力逐漸減小，上吊點(diǎn)鋼絲繩受力逐漸增大。穩(wěn)樁平臺(tái)的最大應(yīng)力為164MPa，出現(xiàn)在翻身初階段，為上層平臺(tái)梁的拉應(yīng)力。以上分析結(jié)果顯示：采用雙吊機(jī)翻身工程中，吊鉤和鋼絲繩的受力滿足結(jié)構(gòu)自身和鋼絲繩的承載力要求。

4.總結(jié)

根據(jù)穩(wěn)樁平臺(tái)的出運(yùn)方式，考慮了三種翻身施工的施工工況，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況比選出雙回轉(zhuǎn)船抬吊為最優(yōu)施工方案，通過對此種工況進(jìn)行吊點(diǎn)建模模擬，計(jì)算分析出最不利情況下的平臺(tái)最大應(yīng)力，保證現(xiàn)場實(shí)際施工的安全與高效。此種多工況對比方法為以后類似的施工項(xiàng)目提供了一種良好的借鑒思路，希望對以后的海上風(fēng)電工程起到相關(guān)參考作用，進(jìn)一步提高我國海上風(fēng)電工程的建設(shè)水平。