大型潮流電站基礎桁架式吊運系統設計及測試研究

傅一帆，李曉舟

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海200032）

大型潮流電站基礎桁架式吊運系統設計及測試研究

傅一帆，李曉舟

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海200032）

針對大型潮流電站基礎施工中吊件自重大且起重船起吊能力不足的情況，設計了桁架式吊運系統。文中論述了桁架式吊運系統的設計過程，對吊運系統結構進行有限元驗算，并在基礎施工時對吊運系統進行應力測試。有限元驗算結果和基礎海上吊裝過程中的測試數據表明，在吊運系統可設計重量較小的情況下，采用桁架式吊運系統具有可行性和合理性。

大型潮流電站基礎；海上吊裝；桁架式吊運系統

0 引言

海洋能源主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等。潮流能作為清潔的可再生能源，其開發應用一直受到關注。

潮流發電無需建設攔海堤壩，直接利用潮水水流沖擊葉輪等機械裝置發電，降低了建設投資，具有良好的經濟性，對水文和生態環境的影響較小[1]。我國潮流能資源儲量極為豐富，理論平均功率為13 948.2 MW，以浙江省沿岸最多（37個水道，7 090.28 MW），占全國一半以上[2]。

潮流能發電站主要由基礎結構、獲能裝置、發電機、電能變換與控制系統、電力傳輸與負載系統等5個子系統組成。潮流能發電站的基礎結構主要分為固定式和漂浮式兩種結構形式，其中固定式又可細分為樁基式和重力坐底式。樁基式基礎包括樁基和鋼結構基礎兩部分結構，樁基打入海底地基進行固定[3]。

大型潮流能發電站一般建設于水流流速較快的巖質地基海域，工程條件惡劣，施工難度大，潮流能發電站基礎結構難以在工程現場進行拼裝，往往采用陸上拼裝海上整體吊裝的方式進行安裝施工。海上吊裝大型鋼結構往往成為大型潮流能發電系統施工的難點和重點。

以往海上吊裝施工設計大型吊運系統時，常采用分體式結構吊運系統，用分體式吊運系統的上方橫梁來平衡吊件的水平力，降低起重船吊鉤把桿的水平力。分體式吊運系統的自重一般占吊件自重的10%～20%，要求起重船起吊能力有較高的富余量。而在吊件自重較大，起重船起吊能力不足的情況下，需要設計自重更輕的吊運系統。

1 工程概況

LHD林東模塊化大型海洋潮流能發電機組是我國自主研發生產的裝機容量最大的潮流能發電機組，其基礎結構采用多樁基礎形式，樁基采用4根斜嵌巖樁和20根直嵌巖樁，基礎采用一體化總成鋼平臺。基礎平臺長59.28 m，寬22.7 m，高度為13.05～24.55 m，總重2 253 t，采用鋼桁架結構，安裝施工需進行海上整體吊裝，基礎平臺及吊點布置見圖1。

圖1 基礎平臺及吊點布置圖Fig.1Foundation platform and distribution of hanging points

本工程基礎平臺安裝位置位于舟山市岱山縣秀山島的東南海域，地處青山島與稻桶山島之間，兩島相距約140 m。該處海床東西縱向剖面為V字形，最深處超過25 m，海底地面為裸露基巖，水流速度2～4 m/s[4]。

基礎平臺海上吊裝采用東海工7號起重船進行整體吊裝。東海工7號起重船共4個吊鉤，在吊臂角度大于65°時每個吊鉤額定吊重650 t，總額定吊重2 600 t，吊鉤成一字形布置。

基礎平臺安裝位置地質條件為海底基巖，水流流速大，船只在該處無法正常下錨。基礎平臺安裝時，需東海工7號起重船在海上起吊基礎平臺并且拖航約3.2 n mile至安裝位置附近后下水安裝。

由于基礎平臺自重已達起重船起吊能力的87%，基礎平臺吊運系統可設計重量有限，而且在施工中要求在海上起吊基礎平臺后進行長距離拖航。這對于基礎平臺吊運系統的自身結構提出了較高的要求，增加了吊運系統設計的難度。

2 桁架式吊運系統設計

2.1 荷載安全系數

吊運系統荷載按短暫狀況作用效應組合，變形按正常使用極限狀態組合考慮，結構重要性系數γ0=1.0。

吊運系統在吊運過程中主要受到下部吊件荷載自重作用，在起吊時按沖切動力荷載考慮，根據規范裝卸重物的動力系數取1.1～1.3[7]。起重船額定起吊能力為2 600 t，吊件重2 253 t，吊運系統可設計重量非常有限。經過綜合考慮，梁體結構強度計算按綜合動力系數1.5考慮。

2.2 吊運系統整體布置

吊運系統主要由上部鋼絲繩，分配梁、下部鋼絲繩及連接件組成。

為了減小基礎平臺在吊裝過程中的應力，使基礎平臺與分配梁之間的鋼絲繩保持豎直狀態起吊。因此在布置分配梁下部吊點時，采取了與基礎平臺上部吊點一一對應原則布置分配梁下部吊點。

分配梁上部吊點的位置根據起重船的要求進行考慮。起重船要求吊索按等角度布置，同時兼顧起重船各鉤豎向力均勻分布，各吊索合力與吊鉤垂直線角度小于5°。起重船山字鉤中心位置與基礎平臺重心位置保持一致，每個鉤掛2根鋼絲繩連接4個上部吊點。

吊點位置整體偏向平臺重端，設置于吊運系統分配梁節點位置，鋼絲繩相對于吊鉤接近等角度布置。

2.3 桁架式分配梁結構設計

由于基礎平臺自身重量大，吊運系統可設計重量不足，因此分配梁設計為一體化型鋼桁架結構形式。分配梁長39.7 m，寬3.84～12.7 m，高5 m。桁架結構由Q345B牌號的HN型鋼和工字鋼焊接而成，總重119 t。

吊運系統結構及吊點布置見圖2。

圖2 吊運系統結構及吊點布置圖Fig.2Hanger system structure and distribution of hanging points

3 吊運系統結構計算

3.1 計算模型

潮流電站基礎平臺吊運系統采用有限元軟件Midas/Civil按鋼桁架結構梁建模計算。分配梁桁架結構采用梁單元模擬，16根上部吊索采用索單元模擬，于吊索末端吊鉤位置設置位移約束。基礎平臺重量荷載施加于分配梁下部吊點位置，荷載大小根據基礎平臺結構實際質量分配進行計算。

3.2 計算結果及分析

分配梁主要構件計算結果見表1，最大應力為291.8 MPa，滿足規范要求。應力較大區域主要集中在荷載較大的上下吊點主縱梁連接位置，設計時在這些節點位置額外增加了與豎桿連接的加強肋板，改善節點受力。另外局部豎桿和斜桿受到壓力較大，設計時增加了側向支撐，保證其壓桿穩定性。

表1 主要構件計算結果Table 1Calculation results of main components

4 海上吊裝過程中吊運系統應力測試

采用桁架式吊運系統進行海上大型鋼結構吊裝的難度大，安全風險高。為了保證大型潮流發電機組基礎結構海上吊裝施工的安全，并驗證吊運系統設計計算結果，在基礎平臺吊運拖航過程中對分配梁體關鍵部位應力進行測試。

4.1 分配梁應力測試方法

分配梁應力測試中，吊件與船頭甲板水平距離長，受風浪影響很大，線纜無法有效保護，采用無線測試方案。

根據結構計算結果，在分配梁計算應力較大構件位置安裝應力傳感器，傳感器與船上接收器之間采用無線通訊，測試數據能實時傳輸給船上的測試人員。

4.2 傳感器布置

根據分配梁應力計算結果，對應力較大的上下主縱梁，加強斜撐及未加強斜撐布置傳感器進行測試。應力傳感器布置位置見圖3，共計布置16組應變計。

圖3 應力傳感器布置位置Fig.3Distribution of stress sensor

4.3 測試結果

在潮流電站基礎平臺吊運安裝過程中，對潮流電站基礎吊運系統分配梁進行應力測試。部分測點應力曲線見圖4。

基礎平臺吊運安裝全過程數據表明，各測點應力在基礎平臺起吊階段有較大幅度增加；在基礎平臺拖航過程中，測點應力變化幅度較小；基礎平臺入水前進行調平作業階段，測點應力有一定波動；基礎平臺入水后各測點應力逐漸減小至零。測試結果與基礎平臺下沉安裝施工情況基本一致。

基礎平臺吊運安裝過程中各測點應力極值見表2。拉應力最大值出現在測點9位置，為102.55 MPa；壓應力最大值出現在測點5位置，為136.07 MPa。

表2中最大應力數據表明，分配梁結構應力實際分布情況與計算結果基本一致。主縱梁上測點1、2、5、6位置，HN型鋼上存在彎矩，并不完全是二類桿件。主縱梁上測點3、4、7、8位置，其中測點3、4位置型鋼為受拉段，測點7、8位置型鋼為受壓段，此斷面位置分配梁彎矩較大，分配梁存在整體受彎趨勢。

圖4 吊運安裝過程中吊運系統應力曲線Fig.4Stress curve of hanger system in the hanging and installation process

表2 吊運安裝過程中各測點應力極值Table 2Stress extremum of measuring point in the hanging and installation process

測試中分配梁應力最大值小于計算結果，這是由于桁架式分配梁的節點位置均進行了節點加強，同時桁架式分配梁結構驗算時采用的安全系數較高，結構設計偏安全。

5 結語

本文依據實際工程，論述了大型潮流能電站的基礎結構吊運系統的設計過程，對采用桁架式結構的吊運系統進行了有限元計算，并對潮流電站基礎結構海上吊裝過程中吊運系統的應力進行了測試。潮流電站基礎海上吊裝的順利進行，表明應用桁架式結構設計大型海上吊裝施工的吊運系統具有可行性。在起重船起吊能力不足，吊運系統可設計重量較小的情況下，使用桁架式吊運系統是一種較為合理的方案選擇。

[1]張勇，崔蓓蓓，邱宇晨.潮流發電——一種開發潮汐能的新方法[J].能源技術，2009，30（4）：223-227.

ZHANG Yong,CUI Bei-bei,QIU Yu-chen.Tidal stream power generation:a new approach to tidal energy[J].Energy Technology, 2009,30(4):223-227.

[2]戴慶忠.潮流能發電及潮流能發電裝置[J].東方電機，2010（2）：51-66.

DAI Qing-zhong.Tidal power generation and tidal energy generating devices[J].Dongfang Electric Machinery,2010(2):51-66.

[3]張亮，李新仲，耿敬，等.潮流能研究現狀2013[J].新能源進展，2013，1（1）：53-68.

ZHANG Liang,LI Xin-zhong,GENG Jing,et al.Tidal current energy update 2013[J].Advances in New and Renewable Energy, 2013,1(1):53-68.

[4]李允武.海洋能源開發[M].北京：海洋出版社，2008：101-138.

LI Yun-wu.Ocean energy development[M].Beijing:China Ocean Press,2008:101-138.

[5]JO C H,KIM D Y,RHO Y H,et al.FSI analysis of deformation along offshore pile structure for tidal current power[J].Renewable Energy,2013,54(6):248-252.

[6]KYOZUKA Yusaku.Present status of research and development of tidal current power generation[J].Journal of the Japan Institute of Energy,2009,88(7):539-545.

[7]GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S]. GB 50009—2012,Load code for the design of building structures [S].

[8]JTS 152—2012，水運工程鋼結構設計規范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].

Design and test of truss hanger system for large tidal current power station foundation

FU Yi-fan,LI Xiao-zhou
（CCCC Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

In the foundation construction of large tidal current power station,the truss hanger system is designed to solve the problem that the weight of crane is large and the lifting capacity of cranes is insufficient.The design process of the truss hanger system is discussed.The finite element calculation of the truss hanger system is carried out.The stress test is carried out during the foundation construction.The result of finite element calculation and stress test in the process of foundation construction show that it is feasible and rational to adopt truss hanger system when the lifting system can be designed with small weight.

large tidal current power station foundation;offshore overall lifting installation;truss hanger system

U653.92

A

2095-7874（2017）06-0044-04

10.7640/zggwjs201706010

2016-11-01

2017-01-12

傅一帆（1985—），男，福建莆田人，碩士，工程師，國家勘察設計注冊土木工程師，交通工程專業。E-mail：fuyifan1985@qq.com