绕桩吊式风电安装平台桩腿总强度设计

钱笠君赵夕滨

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240； 2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

绕桩吊式风电安装平台桩腿总强度设计

钱笠君1赵夕滨2

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240； 2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

绕桩吊式风电安装平台较以往的风电安装平台具有吊幅大的特点，而桩腿强度对于自升式平台又至关重要。文章基于结构力学基本理论和船级社具体规范规则要求，借助三维有限元分析方法，对某型绕桩吊式风电安装平台桩腿强度进行屈服及屈曲校核，对于计算结果进行分析，对桩腿设计进行总结，为日后类似风电安装平台的桩腿设计提供参考。

绕桩吊；风电安装平台；桩腿强度

引 言

近年来，随着清洁能源概念的提出，风电已受到国家及社会的广泛关注。我国海域面积辽阔，是世界上风能资源最为丰富的国家，海上风力发电在日后将占据越来越重要的地位。

风电安装平台作为一种移动式平台承担着安装海上风机的任务。从船型特点来看，可归为自升式平台的一种。风电安装平台主要由主船体、升桩机构室、桩腿和主起重机构成。以往风电安装平台主起重机一般布置在尾部桩腿之间，这样布置对于桩腿系统及主船体结构强度较为有利，但对于安装操作而言，在一定程度上浪费了起重机的起重能力，而绕桩吊式安装平台是将主起重机布置在某个升降机构室之上。这种布置可以较为充分利用起重机的起吊能力，但是对于桩腿，升降机构及主船体的设计要求比较高。

本文从基本构件尺寸要求出发，结合规范结构设计要求，借助三维有限元分析技术对某型绕桩吊式风电安装平台桩腿总强度进行计算分析；进而对绕桩吊式平台桩腿特殊的几何截面形式、受载荷特点进行分析，并为该形式桩腿设计进行总结。

1 结构型式

本平台为四边形单甲板单壳船体，局部设置双层底。平台总长约86 m、型宽约40 m、型深约7 m，共4根桩腿，桩腿长度约80 m，最大作业水深约45 m，起重机最大起吊能力为800 t。

本平台桩腿为方形截面，尺寸约3.8 m×3.8 m，四角为导向板结构并设置插销孔以供升降机构升降和紧固（见图1）。

图1 桩腿横剖面图

根据规范，杆件横截面分紧凑截面和非紧凑截面。紧凑截面系指杆件横截面上所有受压结构构件均满足紧凑截面的准则要求。对于紧凑截面，由于屈服发生于屈曲之前，故可忽略局部屈曲模式的校核。非紧凑截面系指杆件横截面上某一或全部受压结构部件不满足紧凑截面准则。对于非紧凑截面，应校核杆件腹板和/或翼板等结构部件的局部屈曲强度。

表1 桩腿剖面特性

对于本桩腿横截面构件的局部屈曲校核，需按照板格长细比和板格屈曲校核的相关要求进行，但不考虑非弹性屈曲的工作模式［1-3］。

对于桩腿总体屈曲强度而言，当构件同时承受轴向压缩和弯曲组合作用时，其计算应力应满足以下要求［4］：

当fa/ Fa＞0.15时

当fa/ Fa≤0.15时

式中：fa为计算轴向压缩应力，N/mm2； fbx和fby分别为构件关于横截面x轴和y轴的计算弯曲应力，N/mm2；Fa为构件许用压缩应力，N/mm2；Fbx和Fby分别为构件关于横截面x轴和y轴的许用弯曲应力，N/mm2；和分别为构件关于横截面x轴和y轴的折减欧拉应力，N/mm2，表达式为E为弹性模量，N/mm2；lx和ly分别为构件关于横剖面x轴和y轴的平面内无支撑长度，m；rx和ry分别为构件对应于lx和ly的横剖面回转惯性半径，cm；Kx和Ky分别为根据计算长度 lx端，ly端的支持情况而确定的构件的有效长度系数；Cmx和Cmy分别为对应计算弯矩平面内屈曲时的等效弯矩系数。

2 强度校核

本平台桩腿钢材主要采用CCSE500、CCSA420和CCSD420高强度船用结构钢，以减轻桩腿自重并控制总体结构重量；桩腿强度的设计除了要满足最为基本的构件尺寸计算，还需满足规范关于桩腿在各站立状态下的总强度和局部强度要求。本平台桩腿总强度校核借助三维有限元方法完成［5-6］，整体有限元模型见图2。

图2 整体有限元模型

模型的总体坐标系采用右手笛卡尔坐标系，坐标原点设在船尾垂线和基线相交处：

（1）X轴方向为船长方向，指向船首；

（2）Y轴方向为船宽方向，自中纵剖面指向左舷；

（3）Z轴方向为型深方向，自基线指向甲板。

计算工况选取平台主要站立状态，计算中考虑波流载荷、惯性载荷、P-Δ载荷、风载荷和可变载荷，共计考虑以下三种工况：

（1）作业工况；

（2）风暴自存工况；

（3）预压载工况。

根据本平台特点，计算来流方向选择迎浪、随浪、横浪和桩腿对角线方向共八组方向（见图3），其中绕桩吊位于2号桩腿。

图3 浪向示意图

经计算，本平台屈曲强度及屈服强度均满足船级社规范要求，由数据结果统计可知：

（1）对于屈服强度，本平台在三个工况下，风暴自存工况的屈服应力最高，其次分别是作业工况和预压载工况，不同浪向计算工况下的桩腿屈服强度统计分布见图4。

图4 桩腿屈服强度UC示意图

（2）对于屈曲强度，主控工况发生在风暴自存工况，且桩腿在横浪及斜浪状态下对于屈曲强度要求较高，不同浪向计算工况下的桩腿屈曲强度统计分布见图5。

图5 桩腿屈曲强度UC示意图

而作业工况极值发生在绕桩吊桩腿（2号桩腿）在800 t主吊机90°舷外作业状态，在212°、270°（与起重机吊臂方向同向）和328°三个浪向接近风暴自存工况。这一状态既有波流载荷、DAF载荷及P-Δ载荷，同时还有主吊机由于800 t重产生的附加弯矩。预压载工况由于环境载荷较小，载荷变化范围不大，所以屈曲强度变化幅度较为均匀。

（3）由于桩腿在预压载工况时采用对角预压载，所以桩腿支反力在预压载工况下最大，其次是作业工况，风暴自存工况下最小。

（4）本平台挑选4个不同的校核点（见图6）。

图6 桩腿校核点示意图

由于桩腿所受弯矩有的沿x轴，有的沿y轴；所以此处应考虑双向弯矩造成的弯曲应力同向的极端情况。其中对于沿x轴的弯矩，点4的弯曲应力要比点1、点2和点3都大，而对于沿y轴的弯矩，点1由于板厚差距，所以弯曲应力略大于点2和点4，远大于点3。这样对于屈曲及屈服强度UC而言，点1与点4普遍大于点2，而点2普遍大于点3。

3 结 论

本文着重解决了绕桩吊式风电安装平台特有的桩腿设计问题：

（1）本平台桩腿强度由屈曲强度和屈服强度组成。根据计算结果来看，本平台桩腿主控强度是屈曲强度。在屈曲强度较为薄弱的区域增加板厚，适当考虑多设置抗屈曲加强筋。

（2）由于本桩腿横剖面为非紧凑截面，所以在桩腿设计时既考虑局部屈曲的影响，又使用屈曲加强筋及沿垂向设置横向强框架的方法来增强桩腿局部屈曲强度，此手段看来较为有效，桩腿局部屈曲强度满足要求。

（3）对于桩腿横剖面的设计而言，轴向应力虽然一致，但由于本平台桩腿的特点，所以桩腿各处的弯曲应力有所差别，这样对于屈曲及屈服强度的要求也并不一致。在桩腿横剖面角隅处设置厚板，板厚沿边长逐渐减薄，这样对于减小弯曲应力的贡献较大，对于桩腿强度较为有利。

（4）对于作业状态的选择，应事先进行勘探和调查，如果作业环境存在一个主浪向，应该尽量是风电安装平台处于迎浪和随浪状态，这样对于桩腿的受力情况最为理想。如果不存在主浪向，则尽量找出最大波浪的来流方向，使平台对于该方向处于迎浪和随浪状态。长期使平台处于受横浪及沿桩腿对角线浪向的状态较为不利。

（5）对于绕桩吊平台桩腿，由于较多桩腿的屈曲强度都是由绕桩吊桩腿控制，所以对于平台布置如果可采取一些相应措施来缓解该桩腿所受的压力，比如在船体布置时应尽可能将重型设备向主吊另一舷布置，这样在最恶劣的情况下，船体重心所产生的附加弯矩可抵消起重机产生的部分附加弯矩，有利于桩腿屈曲强度。

［1］ 中国船级社. 海上移动平台入级规范［S］. 北京：人民交通出版社，2012.

［2］ ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［3］ API. Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design［S］. 2005.

［4］ AISC. ASD Manual 9th Edition［S］. 1990.

［5］ 李彬，覃干景，孙青松，等.海上风电作业平台总体强度有限元分析［J］. 船舶，2013（4）：13-19.

［6］ 孙雪荣，程维杰.自升式平台的自由振动计算方法研究［J］. 船舶，2013（1）：45-48.

Global strength design of pile legs for wind turbine installation platform equipped with leg encircling crane

QIAN Li-jun1ZHAO Xi-bin2
(1. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The wind turbine installation platform equipped with a leg encircling crane has the advantage of the bigger lifting range than the former wind turbine installation platforms. The strength of the pile legs are most important for the self-elevating platform. Based on the basic structural mechanics and the specifi c rules of the classifi cation societies, the yield and buckling strength of the wind turbine installation platform equipped with the leg encircling crane are calculated and verifi ed by the three-dimensional fi nite element analysis. The calculation results are analyzed to summarize the design of the pile legs, which can provide reference for the design of the pile legs on the similar wind turbine installation platforms.

leg encircling crane; wind turbine installation platform; pile leg strength

U661.43

A

1001-9855（2017）02-0050-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.050

2016-09-22；

2016-10-21

钱笠君（1987-），男，工程硕士。研究方向：船舶与海洋工程。赵夕滨（1987-），男，硕士，工程师。研究方向：结构设计。