海上风电多桩稳桩平台的施工设计与安全性分析*

张智博 卢 浩 邱 屿 左 某 陈明胜 谌 伟

(1.保利长大工程有限公司港航分公司 中山 528400； 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

我国拥有发展海上风电的天然优势，可利用海域面积300多万km2，海上风能资源丰富。据统计，我国5～25 m水深线以内近海区域、海平面以上50 m高度范围内，风电可装机容量约2亿 kW[1]。自2017年起，中国海上风电装机量迅速增加。全球风能理事会(GWEC)发布的《2017年全球风电报告》显示，截至2017年底，中国以新增装机116.4万 kW、累计装机278.8万 kW位列世界第三；2018年，中国海上风电发展提速，新增装机436台，新增装机容量达到165.5万 kW，同比增长42.7%；累计装机达到444.5万 kW[2]；2019年，中国海上风电新增装机容量239.5万 kW，同比增长44.7%。截至2019年底，中国以累计装机量683.8万 kW位列世界第三。可见，在节能减排、能源短缺、能源供应安全形势日趋严峻的大形势下，海上风电作为典型清洁能源越来越受到重视[3]。

随着海上风电产业迅速发展，海上风机基础形式也在不断推陈出新，固定式海上风机基础结构形式主要有重力式基础、单桩基础、高桩承台基础、三脚桩基础、导管架基础和负压桶基础[4]。其中单桩基础结构是目前主流的海上风电基础结构形式[5]。由于单桩基础安装质量要求高，国内采用工艺辅助桩稳桩平台的方法解决超大型单桩基础的沉桩技术[6]。伴随海上风电机组尺寸与重量的不断增大，桩基础直径也不断增大，多桩稳桩平台应运而生，但对于更为复杂的多桩风机基础(如导管架基础)的定位和沉桩，有着更为严格的要求[7-8]。为此，本文根据海上风机基础的打桩作业要求，设计了1种多桩稳桩平台，用于4桩导管架的桩基础的定位、导向和沉桩。稳桩平台自带发供电系统及控制系统，可独立于辅助作业船舶施工。所设计的多桩稳桩平台具备工程桩的沉桩作业及桩身垂直度的调节功能，多用途性强，拥有大直径桩的打桩能力，可为3桩、4桩导管架基础进行打桩施工作业。其次，该平台可满足在作业天气下受海洋风、浪、流影响下的施工需求，以及极端海况下(15级台风)的安全使用。

1 多桩稳桩平台

1.1 方案和施工设计

多桩稳桩平台主要由上层平台、导管、抱桩导管架、辅助桩、防沉板等组成，稳桩平台结构设计方案见图1。上层平台甲板距海平面高度为5 m，水面距离海底31 m，抱桩导管圆柱部分长10 m，未插入辅助桩时整个平台高42 m。辅助桩长度70 m，入土深度15 m，伸出海平面高度18 m。风电基础桩直径适用范围为3.5，4.5，5 m；风电基础桩距适用范围为28 m×28 m；抱桩导管架自带辅助桩4根，抱桩导管架由自身的调平系统和风机基础桩抱桩系统两部分组成。各部分构件功能和尺寸设计如下。

图1 稳桩平台结构设计方案(单位：mm)

1) 辅助桩。辅助桩由长度70 m的直径×壁厚=2 000 mm×18 mm的钢管组成。

2) 抱桩导管架。抱桩导管架由HN692×300×13×20的型钢和4个主体结构高度10 m、内径5 000 mm的抱桩导管组成，抱桩导管由24，20，16 mm 3种厚度的钢板焊接而成。

3) 防沉板。防沉板平面由厚度12 mm的钢板及依附与钢板上的强弱骨材构成，其中，弱骨材型号L100×63×8的角钢，强骨材型号T700×300×10×14和型号T700×300×14×16的2种T形材。

4) U形喂桩槽。U形喂桩槽及上层平台甲板结构主要对上部施工机械及工程桩提供支撑作用，由厚度12，14，18，20，24 mm的钢板焊接而成。

1.2 作业环境

多桩稳桩平台作业位于近海海域，作业水深28～33 m，最大浪、流速2.5 m/s，最大工作风速20 m/s，非工作最大风速为55 m/s。按照《海洋移动平台入级与建造规范》(2016)(以下简称《规范》)[9]的规定，计算工况包括船侧支架支撑工况、打桩作业工况、遭遇台风工况，以及拖航工况。根据稳桩平台实际工作状态，本文对3个危险工况进行了计算，所需校核工况见表1。

表1 校核工况

2 多桩稳桩平台强度校核

2.1 有限元模型

采用ANSYS软件对该稳桩平台进行强度校核。平台使用Q355B钢，弹性模量E为2.06×105MPa，泊松比υ为0.3，密度ρ为7.85×10-9t/mm3。

模型主要采用壳单元Shell181、管单元Pipe59、梁单元Beam188和三维非线性弹簧单元Combin39进行模拟。

不同土层的相关参数见表2，根据《规范》，计算得到黏土与沙土的p-y曲线见图2、图3。通过将不同深度下的土壤p-y曲线数据对作为相应位置Combin39单元的F-D实常数输入，实现桩土的相互作用。

图2 黏土p-y曲线数据图

图3 砂土p-y曲线数据图

表2 不同土层的相关参数

平台整体有限元模型见图4、其中p-y曲线法弹簧及设置示意见图5。

图4 稳桩平台有限元模型

图5 p-y曲线法弹簧设置

2.2 载荷与边界

2.2.1风载荷

根据《规范》中规定，风压pw和作用于构件上的风力F的计算公式为

pw=0.613×v2

(1)

F=Ch×Cs×S×pw

(2)

式中：v为设计风速；Ch为暴露在风中构件的高度系数；Cs为暴露在风中构件的形状系数；S为受风构件的正投影面积。风载荷计算结果见表3。

表3 风载荷计算结果

2.2.2波浪和海流荷载

单根桩腿单位长度所受的波浪载荷按Morison公式计算。

FB=FD+FI

(3)

式中：FB为小尺度构件垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力；FD为拖曳力；FI为惯性力。

其中FD和FI分别为

FD=1/2ρwCDA|u-x′|(u-x′)

FI=ρwCAV(u′-x″)+ρwVu′=ρwV(CMu″-CAx″)

式中：ρw为海水密度，取ρw=1.025×103kg/m3；A为单位长度构件在垂直于矢量(u-x′)方向上的投影面积；CD和CA为曳力和附连质量系数；CM为惯性力系数，CM=CA+1；V为单位长度构件体积；u和u′为垂直于构件轴线的水质点速度和加速度分量；x′和x″为垂直于构件轴线的构件速度和加速度分量。

CD和CM为经验系数，对圆形构件，可取CD=0.6～1.2，Cm=1.3～2.0，且许用的系数值不小于上述范围的下限值见(《规范》)。

当只考虑海流作用时，作用在平台水下部分构件的海流载荷可按式(4)计算。

(4)

式中：vL为设计流速。

2.2.3边界条件

对上层平台施加风载荷，对抱桩导管架结构施加波浪和海流载荷，对辅助桩底部节点和弹簧单元节点施加固定约束。稳桩平台的载荷及边界条件见图6。

图6 稳桩平台荷载及边界条件

2.3 强度校核

根据《规范》的规定，参与结构分析的平台主体框架的结构构件应按规定确定其许用应力值[σ]，其计算方法见式(5)。

[σ]=σs/S0

(5)

式中：σs为材料的屈服强度，N/mm2；S0为安全系数，计算轴向或弯曲应力时取1.25，计算剪切应力时取1.88。

各工况下构件的强度校核计算结果见表4。

表4 强度校核

15级台风，打入辅助桩工况(工况三)下稳桩平台的相当应力及位移结果见图7。由图7可见，平台最大应力为von Mises 255.58 MPa，最大位移为137.95 mm，位于临时桩顶部；辅助桩的最大轴向应力为-216.27 MPa，位于辅助桩底部；均满足规范的许用值284 MPa。

图7 15级台风，打入辅助桩工况下稳桩平台的强度校核

3 多桩稳桩平台稳定性分析

3.1 抗倾覆稳定性

根据规范[9]，抗倾覆稳定性由抗倾覆安全系数(FOS-OT)表示，其计算方法见式(6)。

(6)

式中：Fz为平台自重，kN；d为重心到倾覆点水平距离，m，M0为外力弯矩，kN·m。

倾覆力矩M0为

M0=Fwhw+F1h1+F2h2+F3h3+F4h4

(7)

式中：Fw、hw分别为风力和力臂；F1、F2、F3、F4分别为4根桩腿受到的水平外力，kN；h1、h2、h3、h4分别为4根桩腿受到的水平力的力臂，m。

多桩平台的整体稳定性校核结果见表5。

表5 整体稳定性校核

3.2 抗滑移稳定性

导管架在海床上是否移动主要看自身受到的水平力FH与防沉板、泥面之间的最小抗剪力Fh。抗滑移稳定性由抗滑移安全系数(FOS-SD)表示，其计算方法见式(8)。

(8)

式中：FH=c′A+Qtanφ，为保守计算，砂土c′取值为0；A为防沉板面积，m2；Q=qu×A，其中：qu=23.49Sr×B为海床能承受的极限压应力，MPa；B为防沉板的宽度，m；Sr为形状因子；φ为土壤的内摩擦角，根据实际的土壤资料来获得，土壤资料见表2。

工况一未打入辅助桩，为最易滑移状态，根据有限元计算，可得平台抗滑移安全系数为6.41，大于规范规定的1.5，平台的抗滑移稳定性满足要求。

3.3 单桩稳定性

3.4 单桩压弯强度

根据《规范》要求，对于同时承受轴向压缩和弯曲组合作用的构件，采用如下方法进行整体稳定性计算。

(9)

(10)

式中：σa为计算轴向压缩应力；σby、σbz为构件关于横截面y和z轴的计算弯曲应力，MPa，取绝对值；[σa]为构件许用轴向压缩应力,MPa；[σby]、[σbz]构件关于横截面y和z轴的许用弯曲压缩应力，MPa。 [σey′]为构件关于横截面y轴的折减欧拉应力，MPa；[σez′]为构件关于横截面z轴的折减欧拉应力，MPa；Cmy为XOY平面内屈曲时的等效弯矩系数；Cmz为XOZ平面内屈曲时的等效弯矩系数。

由于本文中所有桩腿均为圆管，故式(10)可简化为[10]

(11)

表6 单桩压弯强度校核

4 结论

本文所设计的海上风电多桩稳桩平台具备工程桩的沉桩作业及桩身垂直度的调节功能，多用途性强，拥有施打大直径桩的能力，可为三桩、四桩导管架基础进行打桩施工作业。根据《规范》，本文对稳桩平台从入水到拖航过程中的3个较危险工况进行了校核，根据校核结果，3种工况下平台的强度及稳定性均满足规范的要求，其中：工况一未打入辅助桩，易产生整体滑移，根据计算得到的滑移安全系数为6.41，对于规范要求的1.5，此外，工况一下平台的抗倾覆稳定系数为13.76，大于规范要求的1.5；工况二为正常工作状况(打入辅助桩后)，平台的抗倾覆稳定性安全系数为17.21，相较于工况一提升了25.1%；工况三为考虑极端海况时，在这种海况下，平台上杆系的最大轴向应力为127.27 MPa，临时桩上的最大轴向应力为-216.27 MPa，均较接近许用值，同时抗倾覆安全系数仅为2.03，证明极端海况对平台的影响较大。