海上風電多樁穩樁平臺的施工設計與安全性分析*

張智博 盧 浩 邱 嶼 左 某 陳明勝 諶 偉

(1.保利長大工程有限公司港航分公司 中山 528400； 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

我國擁有發展海上風電的天然優勢，可利用海域面積300多萬km2，海上風能資源豐富。據統計，我國5～25 m水深線以內近海區域、海平面以上50 m高度范圍內，風電可裝機容量約2億 kW[1]。自2017年起，中國海上風電裝機量迅速增加。全球風能理事會(GWEC)發布的《2017年全球風電報告》顯示，截至2017年底，中國以新增裝機116.4萬 kW、累計裝機278.8萬 kW位列世界第三；2018年，中國海上風電發展提速，新增裝機436臺，新增裝機容量達到165.5萬 kW，同比增長42.7%；累計裝機達到444.5萬 kW[2]；2019年，中國海上風電新增裝機容量239.5萬 kW，同比增長44.7%。截至2019年底，中國以累計裝機量683.8萬 kW位列世界第三。可見，在節能減排、能源短缺、能源供應安全形勢日趨嚴峻的大形勢下，海上風電作為典型清潔能源越來越受到重視[3]。

隨著海上風電產業迅速發展，海上風機基礎形式也在不斷推陳出新，固定式海上風機基礎結構形式主要有重力式基礎、單樁基礎、高樁承臺基礎、三腳樁基礎、導管架基礎和負壓桶基礎[4]。其中單樁基礎結構是目前主流的海上風電基礎結構形式[5]。由于單樁基礎安裝質量要求高，國內采用工藝輔助樁穩樁平臺的方法解決超大型單樁基礎的沉樁技術[6]。伴隨海上風電機組尺寸與重量的不斷增大，樁基礎直徑也不斷增大，多樁穩樁平臺應運而生，但對于更為復雜的多樁風機基礎(如導管架基礎)的定位和沉樁，有著更為嚴格的要求[7-8]。為此，本文根據海上風機基礎的打樁作業要求，設計了1種多樁穩樁平臺，用于4樁導管架的樁基礎的定位、導向和沉樁。穩樁平臺自帶發供電系統及控制系統，可獨立于輔助作業船舶施工。所設計的多樁穩樁平臺具備工程樁的沉樁作業及樁身垂直度的調節功能，多用途性強，擁有大直徑樁的打樁能力，可為3樁、4樁導管架基礎進行打樁施工作業。其次，該平臺可滿足在作業天氣下受海洋風、浪、流影響下的施工需求，以及極端海況下(15級臺風)的安全使用。

1 多樁穩樁平臺

1.1 方案和施工設計

多樁穩樁平臺主要由上層平臺、導管、抱樁導管架、輔助樁、防沉板等組成，穩樁平臺結構設計方案見圖1。上層平臺甲板距海平面高度為5 m，水面距離海底31 m，抱樁導管圓柱部分長10 m，未插入輔助樁時整個平臺高42 m。輔助樁長度70 m，入土深度15 m，伸出海平面高度18 m。風電基礎樁直徑適用范圍為3.5，4.5，5 m；風電基礎樁距適用范圍為28 m×28 m；抱樁導管架自帶輔助樁4根，抱樁導管架由自身的調平系統和風機基礎樁抱樁系統兩部分組成。各部分構件功能和尺寸設計如下。

圖1 穩樁平臺結構設計方案(單位：mm)

1) 輔助樁。輔助樁由長度70 m的直徑×壁厚=2 000 mm×18 mm的鋼管組成。

2) 抱樁導管架。抱樁導管架由HN692×300×13×20的型鋼和4個主體結構高度10 m、內徑5 000 mm的抱樁導管組成，抱樁導管由24，20，16 mm 3種厚度的鋼板焊接而成。

3) 防沉板。防沉板平面由厚度12 mm的鋼板及依附與鋼板上的強弱骨材構成，其中，弱骨材型號L100×63×8的角鋼，強骨材型號T700×300×10×14和型號T700×300×14×16的2種T形材。

4) U形喂樁槽。U形喂樁槽及上層平臺甲板結構主要對上部施工機械及工程樁提供支撐作用，由厚度12，14，18，20，24 mm的鋼板焊接而成。

1.2 作業環境

多樁穩樁平臺作業位于近海海域，作業水深28～33 m，最大浪、流速2.5 m/s，最大工作風速20 m/s，非工作最大風速為55 m/s。按照《海洋移動平臺入級與建造規范》(2016)(以下簡稱《規范》)[9]的規定，計算工況包括船側支架支撐工況、打樁作業工況、遭遇臺風工況，以及拖航工況。根據穩樁平臺實際工作狀態，本文對3個危險工況進行了計算，所需校核工況見表1。

表1 校核工況

2 多樁穩樁平臺強度校核

2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件對該穩樁平臺進行強度校核。平臺使用Q355B鋼，彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比υ為0.3，密度ρ為7.85×10-9t/mm3。

模型主要采用殼單元Shell181、管單元Pipe59、梁單元Beam188和三維非線性彈簧單元Combin39進行模擬。

不同土層的相關參數見表2，根據《規范》，計算得到黏土與沙土的p-y曲線見圖2、圖3。通過將不同深度下的土壤p-y曲線數據對作為相應位置Combin39單元的F-D實常數輸入，實現樁土的相互作用。

圖2 黏土p-y曲線數據圖

圖3 砂土p-y曲線數據圖

表2 不同土層的相關參數

平臺整體有限元模型見圖4、其中p-y曲線法彈簧及設置示意見圖5。

圖4 穩樁平臺有限元模型

圖5 p-y曲線法彈簧設置

2.2 載荷與邊界

2.2.1風載荷

根據《規范》中規定，風壓pw和作用于構件上的風力F的計算公式為

pw=0.613×v2

(1)

F=Ch×Cs×S×pw

(2)

式中：v為設計風速；Ch為暴露在風中構件的高度系數；Cs為暴露在風中構件的形狀系數；S為受風構件的正投影面積。風載荷計算結果見表3。

表3 風載荷計算結果

2.2.2波浪和海流荷載

單根樁腿單位長度所受的波浪載荷按Morison公式計算。

FB=FD+FI

(3)

式中：FB為小尺度構件垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力；FD為拖曳力；FI為慣性力。

其中FD和FI分別為

FD=1/2ρwCDA|u-x′|(u-x′)

FI=ρwCAV(u′-x″)+ρwVu′=ρwV(CMu″-CAx″)

式中：ρw為海水密度，取ρw=1.025×103kg/m3；A為單位長度構件在垂直于矢量(u-x′)方向上的投影面積；CD和CA為曳力和附連質量系數；CM為慣性力系數，CM=CA+1；V為單位長度構件體積；u和u′為垂直于構件軸線的水質點速度和加速度分量；x′和x″為垂直于構件軸線的構件速度和加速度分量。

CD和CM為經驗系數，對圓形構件，可取CD=0.6～1.2，Cm=1.3～2.0，且許用的系數值不小于上述范圍的下限值見(《規范》)。

當只考慮海流作用時，作用在平臺水下部分構件的海流載荷可按式(4)計算。

(4)

式中：vL為設計流速。

2.2.3邊界條件

對上層平臺施加風載荷，對抱樁導管架結構施加波浪和海流載荷，對輔助樁底部節點和彈簧單元節點施加固定約束。穩樁平臺的載荷及邊界條件見圖6。

圖6 穩樁平臺荷載及邊界條件

2.3 強度校核

根據《規范》的規定，參與結構分析的平臺主體框架的結構構件應按規定確定其許用應力值[σ]，其計算方法見式(5)。

[σ]=σs/S0

(5)

式中：σs為材料的屈服強度，N/mm2；S0為安全系數，計算軸向或彎曲應力時取1.25，計算剪切應力時取1.88。

各工況下構件的強度校核計算結果見表4。

表4 強度校核

15級臺風，打入輔助樁工況(工況三)下穩樁平臺的相當應力及位移結果見圖7。由圖7可見，平臺最大應力為von Mises 255.58 MPa，最大位移為137.95 mm，位于臨時樁頂部；輔助樁的最大軸向應力為-216.27 MPa，位于輔助樁底部；均滿足規范的許用值284 MPa。

圖7 15級臺風，打入輔助樁工況下穩樁平臺的強度校核

3 多樁穩樁平臺穩定性分析

3.1 抗傾覆穩定性

根據規范[9]，抗傾覆穩定性由抗傾覆安全系數(FOS-OT)表示，其計算方法見式(6)。

(6)

式中：Fz為平臺自重，kN；d為重心到傾覆點水平距離，m，M0為外力彎矩，kN·m。

傾覆力矩M0為

M0=Fwhw+F1h1+F2h2+F3h3+F4h4

(7)

式中：Fw、hw分別為風力和力臂；F1、F2、F3、F4分別為4根樁腿受到的水平外力，kN；h1、h2、h3、h4分別為4根樁腿受到的水平力的力臂，m。

多樁平臺的整體穩定性校核結果見表5。

表5 整體穩定性校核

3.2 抗滑移穩定性

導管架在海床上是否移動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。抗滑移穩定性由抗滑移安全系數(FOS-SD)表示，其計算方法見式(8)。

(8)

式中：FH=c′A+Qtanφ，為保守計算，砂土c′取值為0；A為防沉板面積，m2；Q=qu×A，其中：qu=23.49Sr×B為海床能承受的極限壓應力，MPa；B為防沉板的寬度，m；Sr為形狀因子；φ為土壤的內摩擦角，根據實際的土壤資料來獲得，土壤資料見表2。

工況一未打入輔助樁，為最易滑移狀態，根據有限元計算，可得平臺抗滑移安全系數為6.41，大于規范規定的1.5，平臺的抗滑移穩定性滿足要求。

3.3 單樁穩定性

3.4 單樁壓彎強度

根據《規范》要求，對于同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構件，采用如下方法進行整體穩定性計算。

(9)

(10)

式中：σa為計算軸向壓縮應力；σby、σbz為構件關于橫截面y和z軸的計算彎曲應力，MPa，取絕對值；[σa]為構件許用軸向壓縮應力,MPa；[σby]、[σbz]構件關于橫截面y和z軸的許用彎曲壓縮應力，MPa。 [σey′]為構件關于橫截面y軸的折減歐拉應力，MPa；[σez′]為構件關于橫截面z軸的折減歐拉應力，MPa；Cmy為XOY平面內屈曲時的等效彎矩系數；Cmz為XOZ平面內屈曲時的等效彎矩系數。

由于本文中所有樁腿均為圓管，故式(10)可簡化為[10]

(11)

表6 單樁壓彎強度校核

4 結論

本文所設計的海上風電多樁穩樁平臺具備工程樁的沉樁作業及樁身垂直度的調節功能，多用途性強，擁有施打大直徑樁的能力，可為三樁、四樁導管架基礎進行打樁施工作業。根據《規范》，本文對穩樁平臺從入水到拖航過程中的3個較危險工況進行了校核，根據校核結果，3種工況下平臺的強度及穩定性均滿足規范的要求，其中：工況一未打入輔助樁，易產生整體滑移，根據計算得到的滑移安全系數為6.41，對于規范要求的1.5，此外，工況一下平臺的抗傾覆穩定系數為13.76，大于規范要求的1.5；工況二為正常工作狀況(打入輔助樁后)，平臺的抗傾覆穩定性安全系數為17.21，相較于工況一提升了25.1%；工況三為考慮極端海況時，在這種海況下，平臺上桿系的最大軸向應力為127.27 MPa，臨時樁上的最大軸向應力為-216.27 MPa，均較接近許用值，同時抗傾覆安全系數僅為2.03，證明極端海況對平臺的影響較大。