海上風電安裝平臺塢內頂升試驗砂箱理論設計分析和模擬試驗研究

王小路

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.019

摘 要：海上風電安裝平臺需要在船塢進行頂升試驗，由于樁靴與塢底直接接觸面積小，為了對樁靴本身和船塢塢底進行保護，擬在樁靴和塢底之間增加一個砂箱，以加大樁靴與塢底的受力面積，并通過有限元分析計算和砂箱模型試驗來確認砂箱強度，同時確定了砂層厚度較小時鋼圍壁變形會更小且砂子不會從砂箱中溢流的問題。

關鍵詞：風電 樁靴 塢底 砂箱

中圖分類號：TG24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0019-02

海上風電由于資源豐富、發電利用小時數高和不占用土地資源等多種優勢，目前在國內正在大面積被開發利用[1]，各船企都在爭相建造海上風電安裝平臺。該文論述的是國內某船廠目前正在建造的一艘自升式海上風電安裝平臺，為了將提升過程中遇到的問題在船塢內解決，需要在塢內完成初步的頂升試驗。此平臺共布置4條樁腿，空船重量約14 000 t，當在塢內進行頂升時單個樁靴下部的塢底承受壓力約3 500 t。由于樁靴與塢底直接接觸面積小，直接頂升塢底受力將達到108.5 t/m2，勢必會對塢底和樁靴造成破壞（該船塢設計壓力55 t/m2）。增加砂箱后的樁靴使塢底受力將減小到40 t/m2，根據受力情況進行了有限元分析的理論計算[2]，同時建造了1∶10的模型使用油壓機進行試驗，理論計算和試驗結果都表明砂箱強度滿足使用要求。

1 有限元分析

根據砂箱的結構圖，圍壁材料使用Q245普通鋼，板厚10 mm，因為砂箱使用時直接放在塢底，因此對砂箱底面進行約束，并據此條件建立模型。根據前文描述，增大后的樁靴使塢底受力將減小到40 t/m2，即樁靴底部壓強0.4 MPa。樁靴底部四周傾斜，船長方向傾斜10°，船寬方向傾斜12°。計算時取最大值12°，根據計算傾斜處的側向力為2 580 kN。有限元分析時取砂層高度1.54 m，面1、3受力的面積為18.48 m2，面2、4受力的面積為22.48 m2，因此分別在4面圍壁上施加壓強載荷，計算結果如圖1所示。砂箱圍壁受力集中在圍壁中心靠近底部的位置及4個角的靠上位置處，最大值在面1、3中心靠近底部的位置，應力為109 MPa，小于使用鋼材的許用值235 MPa，安全系數為2.15，滿足結構強度要求。

2 砂箱模型試驗

根據該平臺樁靴和砂箱的形狀，設計建造了1∶10的模型，使用油壓機進行模擬試驗，以確定砂箱結構的強度滿足使用要求。試驗中模擬了不同壓力、不同砂層高度等幾種情況。砂箱模型，試驗結果如圖2所示。

（1）第一次試驗，砂層厚度980 mm，試驗壓力根據未來樁靴對塢底造成的最大壓力40 t/m2進行計算，即：

F=1 300 mm×1 040 mm×40 t/m2=54 t

試驗中緩慢逐步增加壓力至54 t，砂箱和砂子無明顯變形，砂子中間有略微下陷。

（2）第二次試驗，砂層厚度980 mm，試驗壓力最大值200 t，試驗中緩慢逐步增加壓力，當壓力增到到160 t時，砂箱鋼圍壁出現明顯鼓脹，試驗壓力增大到200 t時停止，砂子中間有明顯下陷，砂子無明顯變化，砂子四周上升約20 mm。

（3）第三次試驗，砂層厚度540 mm，試驗壓力最大值270 t，試驗中緩慢逐步增加壓力，當壓力增到到250 t時，砂箱鋼圍壁出現略微鼓脹，試驗壓力增大到270 t時停止，砂子中間有明顯下陷，砂子無明顯變化，砂子四周上升約30 mm。

3 結語

（1）試驗表明砂層在上述試驗狀況下，在密實且有側限的情況下承載力可提升較多，可滿足荷載要求。

（2）因試驗時砂箱內的砂子未做密實處理，特別是表層較松散，加載時初設沉降較大，周邊砂上升現象明顯，隨著沉降量加大，砂密實度提高，砂承載力明顯增大。建議實際施工砂箱內裝砂時，盡量保證砂層密實，減少沉降，加載時應逐級加載，使砂密實。

（3）砂箱側壁壓力較大，砂箱設計時充分考慮側壁剛度、變形量，減少因側壁變形引起的砂層沉降；

（4）通過有限元理論分析計算和試驗結果表明這種結構的砂箱可以滿足此重量和樁靴面積的平臺塢內提升站樁使用，同時也為其他自升式平臺的不同大小的樁靴和不同重量的船舶提供了參考方案和試驗方法。

參考文獻

[1] 郭宇星.我國海上風電的發展現狀及對策建議[J].產業與科技論壇，2014（9）：15-16.

[2] 白勇輝，張吉，馮昌寧.自升式平臺樁靴砂箱設計研究[J].中國海洋平臺，2014（4）：9-13.