海上风电安装平台新型可调桩靴设计及有限元分析

仇明，勾俊峰，李英杰，高航，王振刚，颜建军，张永康，霍小剑

(1.启东中远海运海洋工程有限公司，江苏 启东 226200；2.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006；3.中建材凯盛机器人四川有限公司，四川 内江 641000；4.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024；5.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

海上风电安装平台是开发海上风电的关键装备，工作环境较为恶劣，除了受到平台自身重量的影响外，还受到风、浪、流等环境载荷的影响。因此，在海上风电安装平台设计过程中对其整体结构强度的计算非常必要，尤其是对承受较高应力的桩腿、桩靴等关键部位强度的分析[1-2]。单个海上风电安装平台通常需要配备多根桩腿，承受内外载荷，为安装平台的稳定性提供保障[3]。在海上风机安装过程中，桩腿在泥土中插入一定深度，避免风机安装过程中平台的移动或失稳[4]。桩靴安装在桩腿端部，直接与地基接触，是主要受力结构之一，作为支撑在桩腿与海底之间的基础起到固定安装平台的作用[5]。

传统桩靴有圆形、方形、多边形和矩形等形状[6-7]。桩靴结构对于海上风电安装平台的稳定性具有重要影响。文献[8]中设计了内部含有周向和径向加强板的正八边形箱型结构桩靴，提高了海底支撑面积，减小了桩靴插入海底的深度。文献[9]中分析了六边形桩靴和圆形桩靴的强度和质量，发现后者在减轻重量的同时结构强度没有减弱。

未来海上风电安装平台将向着提高适用水深、提高主吊载能力、增大主甲板可利用面积、增强主甲板承载能力等方向发展[10]。在深海水域进行安装作业，桩靴入泥深度增大，对于传统结构桩靴来说不可避免地产生新的问题。桩靴插入泥土深度增大，由于对海底泥土的挤压，导致临近导管架桩基受到的挤压力和变形增大[11]。在粉砂质地质海域中，考虑到泥沙对桩腿和桩靴的冲刷，设计时采用减小桩靴尺寸和增大入泥深度的方法[12]。但是，在风机安装完成后，桩腿需要从泥土中拔出，较大的入泥深度也会增大拔桩难度。此外，传统结构桩靴底部不均匀地受压会导致局部承受较大载荷，出现应力集中，可能发生局部破坏[13]。

针对未来超大型海上风电安装平台对设计新型结构桩靴的需求，设计一种三支架型可调桩靴结构。采用有限元软件对比分析传统方形桩靴和新型可调桩靴支撑桩腿的稳定性，为未来海上风电安装平台的发展提供理论支撑。

1 传统方形桩靴结构及存在的问题

图1是某公司研发的采用圆筒形桩腿的超大型海上风电安装平台现场施工照片。采用了典型的方形结构桩靴，支撑着带有定位孔的桩腿。当海底坡度不同或者海床基岩坚硬时，桩基础的埋深浅，采用现有方形结构桩靴容易出现平台滑移的问题，从而影响风机安装作业的稳定性和安全性。另外，在海底地质松软的情况下，采用现有方形结构桩靴还可能出现因陷入泥土太深而致使拔桩不易的情况，影响平台稳定性[14]。

图1 海上风电安装平台现场施工

2 三支架型可调桩靴结构及实施方案

本文设计了一种插桩深度可调的三支架型桩靴结构，见图2。这种三支架型桩靴结构与传统方形桩靴结构存在明显的区别，主要结构包括横向的固定板、滑动框架、上连杆、下连杆等，其充分利用了三角形支架具有的高稳定性的特点。具体的实施过程：①进行必要的勘测工作，根据不同的地形、地貌确定插桩的深度以及方形垫片的高度；②确定滑动框架的最终位置并将插销插入定位孔中，确定垫片高度以后将相应方形垫片和方形齿形块固定到相应位置；③在桩腿插入泥土过程中借助泥土的作用力将滑动框架固定到预定位置，同时上连杆和桩腿构成三脚支架结构。新型三支架型可调桩靴插桩深度主要依靠桩腿上的定位孔来控制，滑动框架越高，插桩深度越大。

图2 三支架型可调桩靴结构示意[15]

3 新型可调桩靴结构和传统桩靴结构设计参数及有限元建模

三支架型可调型桩靴结构的基本设计参数：①桩腿为圆筒形，外径5 m、内径4.8 m、高度70 m；②上连杆和下连杆为外径0.8 m的柱状，前者高度为20 m，后者高度为6.8 m；③固定板为外径8 m、内径5.1 m的圆筒形，高度0.5 m；④滑动框架为外径7.5 m、内径5.1 m的圆筒形，高度为0.5 m。桩腿材质E690钢，屈服强度690 MPa；上连杆、下连杆、固定板和滑动框架的材质均为D420钢，屈服强度为420 MPa。三支架型可调桩靴的机构运动简图及构件之间的运动学方程参考文献[16]。根据运动学方程计算得到的上连杆与铅垂线的夹角范围为[5.74°,26.8°)，下连杆与铅垂线的夹角范围为[11.35°,63.09°)。传统方形桩靴结构设计参数：7.5 m×7.5 m×1.8 m。采用ANSYS Workbench有限元软件分别对传统方形桩靴和新型三支架可调桩靴建模，见图3。

图3 传统方形桩靴和三支架型可调桩靴模型

4 ANSYS模拟结果分析

4.1 最大应力分析

在最不利的组合应力条件下校核桩腿和桩靴结构的屈服强度，2种结构桩靴整体所受最大应力随着入泥深度的变化见图4。可调桩靴的最大应力值出现在固定板附近，传统桩靴的最大应力值出现在桩腿和泥面的接触处。从图4中可以看出，可调桩靴所受到的最大应力随入泥深度的增加而降低，传统桩靴所受最大应力随着入泥深度的增加变化幅度较小。可调桩靴所受到的最大应力在入泥深度较小时远高于传统桩靴，承受较高的应力。可调桩靴所受最大应力约为62 MPa，传统桩靴所受最大应力约为46 MPa。最大应力值都在所选钢料的屈服极限范围内，不会发生断裂的情形。对于新型可调桩靴，最大应力位置发生改变，同样应考虑应力集中的问题。

图4 2种桩靴结构所受最大应力随入泥深度的变化

4.2 最大位移分析

2种桩靴结构支撑桩腿的最大位移见图5。从图5中可以看出，可调桩靴上桩腿的最大位移量远低于传统桩靴上桩腿的最大位移量。随着入泥深度的增加，可调桩靴上桩腿的最大位移量和传统桩靴上桩腿的最大位移量都有所减小，但是变化幅度都较小。可调桩靴和传统桩靴上桩腿的最大位移均出现在入泥深度最小的地方。采用可调桩靴支撑桩腿，桩腿的变形较小，可提高海上风电安装平台的稳定性，进而提高风机安装过程的稳定性和准确度。

图5 2种结构桩靴支撑桩腿的最大位移量随入泥深度的变化

4.3 屈曲临界载荷分析

2种结构桩靴支撑桩腿的屈曲临界载荷随着入泥深度的变化见图6。由图6可见，入泥深度对于传统结构桩靴支撑桩腿的屈曲临界载荷没有明显的影响。在入泥深度为0.5、2.5、4.5 m情况下，可调结构桩靴支撑桩腿的屈曲临界载荷分别比传统结构桩靴支撑桩腿的高49%、54%、48%，三支架可调结构桩靴支撑桩腿的屈曲临界载荷远高于传统方形结构桩靴支撑桩腿的屈曲临界载荷。与传统方形桩靴支撑桩腿相比，三支架可调桩靴支撑桩腿可以承受更高的屈曲载荷，即可以提高在较高载荷条件下海上风电安装平台的稳定性。

图6 2种结构桩靴支撑桩腿在不同入泥深度下的屈曲临界载荷

5 结论

1)在传统方型桩靴的基础上，设计一种新型三支架可调桩靴结构，可实现插桩深度可调。有限元模拟计算结果表明，在高的入泥深度条件下，采用新型可调桩靴支撑的桩腿能够具有更低的最大位移和更高的屈曲临界载荷。新型桩靴可以提高海上风电安装平台在施工过程中的稳定性和承载能力，有助于平台向着更深海域及更高吊载方向发展。

2)新型可调桩靴的设计和有限元分析主要是建立在支撑圆筒形桩腿的前提下，由于海上风电安装平台采用的桩腿结构并不统一，为了揭示新型可调桩靴在应用过程中可能存在的问题，拓展其应用范围，还应开展有关新型可调桩靴支撑其它不同结构桩腿稳定性的分析。