大型潮流电站基础桁架式吊运系统设计及测试研究

傅一帆，李晓舟

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032）

大型潮流电站基础桁架式吊运系统设计及测试研究

傅一帆，李晓舟

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032）

针对大型潮流电站基础施工中吊件自重大且起重船起吊能力不足的情况，设计了桁架式吊运系统。文中论述了桁架式吊运系统的设计过程，对吊运系统结构进行有限元验算，并在基础施工时对吊运系统进行应力测试。有限元验算结果和基础海上吊装过程中的测试数据表明，在吊运系统可设计重量较小的情况下，采用桁架式吊运系统具有可行性和合理性。

大型潮流电站基础；海上吊装；桁架式吊运系统

0 引言

海洋能源主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、温差能、盐差能等。潮流能作为清洁的可再生能源，其开发应用一直受到关注。

潮流发电无需建设拦海堤坝，直接利用潮水水流冲击叶轮等机械装置发电，降低了建设投资，具有良好的经济性，对水文和生态环境的影响较小[1]。我国潮流能资源储量极为丰富，理论平均功率为13 948.2 MW，以浙江省沿岸最多（37个水道，7 090.28 MW），占全国一半以上[2]。

潮流能发电站主要由基础结构、获能装置、发电机、电能变换与控制系统、电力传输与负载系统等5个子系统组成。潮流能发电站的基础结构主要分为固定式和漂浮式两种结构形式，其中固定式又可细分为桩基式和重力坐底式。桩基式基础包括桩基和钢结构基础两部分结构，桩基打入海底地基进行固定[3]。

大型潮流能发电站一般建设于水流流速较快的岩质地基海域，工程条件恶劣，施工难度大，潮流能发电站基础结构难以在工程现场进行拼装，往往采用陆上拼装海上整体吊装的方式进行安装施工。海上吊装大型钢结构往往成为大型潮流能发电系统施工的难点和重点。

以往海上吊装施工设计大型吊运系统时，常采用分体式结构吊运系统，用分体式吊运系统的上方横梁来平衡吊件的水平力，降低起重船吊钩把杆的水平力。分体式吊运系统的自重一般占吊件自重的10%～20%，要求起重船起吊能力有较高的富余量。而在吊件自重较大，起重船起吊能力不足的情况下，需要设计自重更轻的吊运系统。

1 工程概况

LHD林东模块化大型海洋潮流能发电机组是我国自主研发生产的装机容量最大的潮流能发电机组，其基础结构采用多桩基础形式，桩基采用4根斜嵌岩桩和20根直嵌岩桩，基础采用一体化总成钢平台。基础平台长59.28 m，宽22.7 m，高度为13.05～24.55 m，总重2 253 t，采用钢桁架结构，安装施工需进行海上整体吊装，基础平台及吊点布置见图1。

图1 基础平台及吊点布置图Fig.1Foundation platform and distribution of hanging points

本工程基础平台安装位置位于舟山市岱山县秀山岛的东南海域，地处青山岛与稻桶山岛之间，两岛相距约140 m。该处海床东西纵向剖面为V字形，最深处超过25 m，海底地面为裸露基岩，水流速度2～4 m/s[4]。

基础平台海上吊装采用东海工7号起重船进行整体吊装。东海工7号起重船共4个吊钩，在吊臂角度大于65°时每个吊钩额定吊重650 t，总额定吊重2 600 t，吊钩成一字形布置。

基础平台安装位置地质条件为海底基岩，水流流速大，船只在该处无法正常下锚。基础平台安装时，需东海工7号起重船在海上起吊基础平台并且拖航约3.2 n mile至安装位置附近后下水安装。

由于基础平台自重已达起重船起吊能力的87%，基础平台吊运系统可设计重量有限，而且在施工中要求在海上起吊基础平台后进行长距离拖航。这对于基础平台吊运系统的自身结构提出了较高的要求，增加了吊运系统设计的难度。

2 桁架式吊运系统设计

2.1 荷载安全系数

吊运系统荷载按短暂状况作用效应组合，变形按正常使用极限状态组合考虑，结构重要性系数γ0=1.0。

吊运系统在吊运过程中主要受到下部吊件荷载自重作用，在起吊时按冲切动力荷载考虑，根据规范装卸重物的动力系数取1.1～1.3[7]。起重船额定起吊能力为2 600 t，吊件重2 253 t，吊运系统可设计重量非常有限。经过综合考虑，梁体结构强度计算按综合动力系数1.5考虑。

2.2 吊运系统整体布置

吊运系统主要由上部钢丝绳，分配梁、下部钢丝绳及连接件组成。

为了减小基础平台在吊装过程中的应力，使基础平台与分配梁之间的钢丝绳保持竖直状态起吊。因此在布置分配梁下部吊点时，采取了与基础平台上部吊点一一对应原则布置分配梁下部吊点。

分配梁上部吊点的位置根据起重船的要求进行考虑。起重船要求吊索按等角度布置，同时兼顾起重船各钩竖向力均匀分布，各吊索合力与吊钩垂直线角度小于5°。起重船山字钩中心位置与基础平台重心位置保持一致，每个钩挂2根钢丝绳连接4个上部吊点。

吊点位置整体偏向平台重端，设置于吊运系统分配梁节点位置，钢丝绳相对于吊钩接近等角度布置。

2.3 桁架式分配梁结构设计

由于基础平台自身重量大，吊运系统可设计重量不足，因此分配梁设计为一体化型钢桁架结构形式。分配梁长39.7 m，宽3.84～12.7 m，高5 m。桁架结构由Q345B牌号的HN型钢和工字钢焊接而成，总重119 t。

吊运系统结构及吊点布置见图2。

图2 吊运系统结构及吊点布置图Fig.2Hanger system structure and distribution of hanging points

3 吊运系统结构计算

3.1 计算模型

潮流电站基础平台吊运系统采用有限元软件Midas/Civil按钢桁架结构梁建模计算。分配梁桁架结构采用梁单元模拟，16根上部吊索采用索单元模拟，于吊索末端吊钩位置设置位移约束。基础平台重量荷载施加于分配梁下部吊点位置，荷载大小根据基础平台结构实际质量分配进行计算。

3.2 计算结果及分析

分配梁主要构件计算结果见表1，最大应力为291.8 MPa，满足规范要求。应力较大区域主要集中在荷载较大的上下吊点主纵梁连接位置，设计时在这些节点位置额外增加了与竖杆连接的加强肋板，改善节点受力。另外局部竖杆和斜杆受到压力较大，设计时增加了侧向支撑，保证其压杆稳定性。

表1 主要构件计算结果Table 1Calculation results of main components

4 海上吊装过程中吊运系统应力测试

采用桁架式吊运系统进行海上大型钢结构吊装的难度大，安全风险高。为了保证大型潮流发电机组基础结构海上吊装施工的安全，并验证吊运系统设计计算结果，在基础平台吊运拖航过程中对分配梁体关键部位应力进行测试。

4.1 分配梁应力测试方法

分配梁应力测试中，吊件与船头甲板水平距离长，受风浪影响很大，线缆无法有效保护，采用无线测试方案。

根据结构计算结果，在分配梁计算应力较大构件位置安装应力传感器，传感器与船上接收器之间采用无线通讯，测试数据能实时传输给船上的测试人员。

4.2 传感器布置

根据分配梁应力计算结果，对应力较大的上下主纵梁，加强斜撑及未加强斜撑布置传感器进行测试。应力传感器布置位置见图3，共计布置16组应变计。

图3 应力传感器布置位置Fig.3Distribution of stress sensor

4.3 测试结果

在潮流电站基础平台吊运安装过程中，对潮流电站基础吊运系统分配梁进行应力测试。部分测点应力曲线见图4。

基础平台吊运安装全过程数据表明，各测点应力在基础平台起吊阶段有较大幅度增加；在基础平台拖航过程中，测点应力变化幅度较小；基础平台入水前进行调平作业阶段，测点应力有一定波动；基础平台入水后各测点应力逐渐减小至零。测试结果与基础平台下沉安装施工情况基本一致。

基础平台吊运安装过程中各测点应力极值见表2。拉应力最大值出现在测点9位置，为102.55 MPa；压应力最大值出现在测点5位置，为136.07 MPa。

表2中最大应力数据表明，分配梁结构应力实际分布情况与计算结果基本一致。主纵梁上测点1、2、5、6位置，HN型钢上存在弯矩，并不完全是二类杆件。主纵梁上测点3、4、7、8位置，其中测点3、4位置型钢为受拉段，测点7、8位置型钢为受压段，此断面位置分配梁弯矩较大，分配梁存在整体受弯趋势。

图4 吊运安装过程中吊运系统应力曲线Fig.4Stress curve of hanger system in the hanging and installation process

表2 吊运安装过程中各测点应力极值Table 2Stress extremum of measuring point in the hanging and installation process

测试中分配梁应力最大值小于计算结果，这是由于桁架式分配梁的节点位置均进行了节点加强，同时桁架式分配梁结构验算时采用的安全系数较高，结构设计偏安全。

5 结语

本文依据实际工程，论述了大型潮流能电站的基础结构吊运系统的设计过程，对采用桁架式结构的吊运系统进行了有限元计算，并对潮流电站基础结构海上吊装过程中吊运系统的应力进行了测试。潮流电站基础海上吊装的顺利进行，表明应用桁架式结构设计大型海上吊装施工的吊运系统具有可行性。在起重船起吊能力不足，吊运系统可设计重量较小的情况下，使用桁架式吊运系统是一种较为合理的方案选择。

[1]张勇，崔蓓蓓，邱宇晨.潮流发电——一种开发潮汐能的新方法[J].能源技术，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]戴庆忠.潮流能发电及潮流能发电装置[J].东方电机，2010（2）：51-66.

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

[3]张亮，李新仲，耿敬，等.潮流能研究现状2013[J].新能源进展，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.海洋能源开发[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.

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[7]GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S]. GB 50009—2012,Load code for the design of building structures [S].

[8]JTS 152—2012，水运工程钢结构设计规范[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，硕士，工程师，国家勘察设计注册土木工程师，交通工程专业。E-mail：fuyifan1985@qq.com