海上光伏施工打桩船海工吊底座结构优化设计

刘超 穆鹏飞 宋政昌 魏玉平

摘要：打桩船是海上光伏施工过程中常用的一种专用特种作业设备，为提高作业效率，海工吊采用单立柱底座悬臂梁结构，其作业特点是起吊作业高度高、作业半径大、起重作业重量大，合理设计海工吊底座结构对增强底座结构强度和稳定性极为重要。结合打桩船吊车作业结构特点，以实际作业条件为边界，利用大型通用有限元计算软件PATRAN+NASTRA对不同作业工况下的海工吊底座受力情况进行有限元分析计算。结果表明：所有工况下的各种应力均不超过许用应力，验证了海工吊底座结构设计的合理性。相关成果可为海工吊底座的结构优化提供参考。

关键词：打桩船； 海上光伏施工； 吊车底座； 优化设计； 有限元分析

中图法分类号： U674.32

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.031

0引 言

中国拥有1.8万km海岸线，发展海上光伏不仅可以解决土地问题，还具有天然的环境优势［1］，预计全国海上光伏装机潜在规模超过70 GW［2］。在碳达峰、碳中和的背景下，以海上光伏为代表的新能源产业在未来将具有战略意义，海上光伏产业链将迎来重大发展机遇［3-4］。基于此，本文利用大型通用有限元计算软件对海工吊底座受力情况进行分析，以期为海上光伏施工设备优化提供参考。

1打桩船概况

为适应水深10 m、近海6海里海域内海工集群桩基作业要求，中国电建港航公司研发了一款海上光伏施工打桩船，如图1所示。该打桩船集成了起吊系统、定位系统、打桩系统等多种智能化软件和硬件系统，较同类型海工装备施工效率和定位精度有大幅提升，建成后将成为国内先进智能化“首台套”近海打桩装备。

根据海上光伏施工打桩船设计方案，全船整体采用单底单甲板、圆形舭部的箱型结构，主体为全钢质结构，采用全焊接方式进行连接。为提升作业效率，海上光伏施工打桩船配置2台海工吊起重机，单台起重机吊臂长度为40 m，在回转半径30 m时吊高为35 m、吊重为30 t，吊臂高度35.80 m，最大沉桩桩长30 m，最大沉桩桩重30 t。

海工吊底座（图2）作为起重机的承载主体，其强度设计是船体安全设计的重点之一。

海工吊底座主体采用空心圆柱状钢结构，为增强其连接可靠性，主体结构贯穿于船体上下双甲板，主体底部分别与船体上下甲板相连接，上下甲板均采用双层结构设计。同时，为增强海工吊底座结构的稳定性，在主体结构圆柱内腔内壁上也均匀布置贯穿结构加强肋板。

2打桩船海工吊基本情况

海上光伏施工打桩船型长50 m、型宽20 m、型深3.5 m，设计吃水2 m，打桩系统配置两台全回转海工起重机，吊重约30 t，一台吊机可在一个船位上打4根桩。起重机除可以完成钢桩起吊至抱桩箍喂桩工作外，也可起吊冲击打桩头进行打桩作业。2台吊机均为右机，朝向吊臂方向，驾驶室布置在右侧。

2.1海工吊技术参数

吊臂长约40 m；

主钩安全工作负荷（吊重）为SWL30 t/30 m（吊高距主甲板最小35 m），SWL15 t/40 m（平吊）；

主钩起升速度0～40 m/min（吊重40%SWL）；

主钩最大工作半径40 m；

主钩最小工作半径8 m；

副钩安全工作负荷（吊重）为SWL30 t；

副钩起升速度0～40 m/min（吊重40%SWL）；

副钩最大工作半径30 m；

副钩最小工作半径6.5 m；

回转范围360°；

整机重量约100 t。

2.2海工吊吊机结构特点

吊机主体结构由底座、塔身、吊臂、驾驶室4部分组成。

底座为圆柱形筒体，与船体结构塔筒焊接，底座高度不小于2 m。

塔身和油箱是二合一的箱式结构，通过回转支承与底座连为一体。

吊臂为板材焊接的箱型结构。

2.3海工吊工况施工工艺

海上光伏施工打桩船海工吊根据工作需求，将PHC400～PHC800规格的桩基按照设计要求投放至预定位置。实际作业流程为：找正→下钩→套桩→吊桩→转桩→喂桩→脱桩→打桩→回正，如图3所示。

3海工吊底座有限元分析

3.1海工吊工况

根据有限元仿真分析需求，并结合海上光伏施工打桩船海工吊实际施工工艺过程，将其施工工况进行简化，以船首方向为初始方向，左右旋转90°为极限工况位置，简化后的海工吊工况示意如图4所示。

3.2海工吊底座模型确定

3.2.1方向确定

（1） 横向强度模型。

船舶纵向为X向，向艏为正；船舶横向为Y向，左舷为正；船舶垂向为Z向，向上为正。

（2） 模型范围。

纵向为FR16～FR44，横向为整个船宽，垂向为整个型深。

3.2.2材料结构模拟方式确定

板材使用 shell-2D单元模拟，该单元具有4个节点，6个自由度，分别是x、y、z方向上的平动位移和转动位移。

型材采用1D梁单元模拟。

板单元和梁单元的大小不超过250 mm。

3.2.3材料特性

板材弹性模量为2.06×105 N/mm2，剪切模量为7.7×104 N/mm2，泊松比为0.3，密度为7.85×103 kg/m3。板的许用应力为 235 MPa，许用剪力为 141 MPa

3.3有限元模型

3.3.1模型建立

通过三维建模，模拟海工吊底座实际使用情况，赋予海工吊底座结构件材料强度、刚度等属性与各个单元节点所受载荷，对结构的整体以及部件分别进行仿真分析，确认结构薄弱点其设计是否合理，并为后期设计优化指明方向。本次模拟采用中国船级社认可的大型通用有限元计算软件PATRAN+NASTRAN，有限元分析流程如图5所示。

根据海工吊底座结构确定有限元分析模型，分别建立海工吊底座模型、板厚云图以及边界条件模型，如图6所示。

3.3.2载荷分析

海上光伏施工打桩船海工吊起重机设计载荷见表1。载荷通过耦合的方式加载到吊机基座上。

3.3.3有限元分析

各工况有限元分析结果如图7所示。各工况许用应力依据《钢质海船入级规范2021》中相关要求选取，对各工况应力分析计算结果进行汇总，如表2所列。

通过对表2中各数据进行分析可以看出，所有应力均不超过许用应力，海工吊底座结构强度满足设计要求。

4打桩船吊车底座屈曲分析及校核

依据《钢质海船入级规范2021》第2篇的要求，选取应力最大工况左-45°（工况b）下的吊机支柱进行屈曲应力校核，以验证极限载荷情况下吊机底座支柱的稳定性。

4.1板格屈曲有限元分析

结合对海工吊底座结构特点和材料参数，建立三维屈曲模型并进行数值模拟计算。海工吊底座支柱板格应力和板格剪应力有限元分析结果如图8所示。

4.2板格屈曲校核

对海工吊底座支柱进行屈曲有限元分析后，对临界屈曲应力与弹塑性进行修正，相关参数见表3。

根据表3中数据，分别对海工吊底座支柱短边（X向）受压板格、长边（Y向）受压板格以及受剪板格临界屈曲应力进行计算校核，具体如下：

（1） 短边受压板格弹性临界屈曲应力σxcr-e。

σxcr-e=kxC1π2E12（1－ν2）ts2（1）

（2） 长边受压板格弹性临界屈曲应力σycr-e。

σycr-e=kyC2π2E12（1－ν2）ts2（2）

（3） 受剪板格弹性临界屈曲应力τcr-e。

τcr-e=ktC1π2E12（1－ν2）ts2（3）

式中：kx，ky，kt分别为短边受压及弯曲屈曲系数，长边受压及弯曲屈曲系数和剪切屈曲系数，取5.519，1.939，1.082。

将表3中相关参数代入，可得σxcr-e=1 437.2 N/mm2，σycr-e=555.4 N/mm2，τcr-e=1 583.8 N/mm2。

4.3板格弹性临界屈曲应力修正

将海工吊底座支柱短边（X向）受压板格、长边（Y向）受压板格以及受剪板格计算所得临界屈曲应力数值与ReH/2进行大小比较，然后按照板格屈曲校核规则进行相应的参数校正。

5结 语

本文通过对海上光伏施工打桩船上关键承重结构海工吊底座进行三维建模、有限元分析及稳定性校核计算，

给立柱式长悬臂、大承重的海工吊提供了一种基座设计可行性方案，

并验证了本文中提到的海工吊基座设计方案的合理性，

对后续的船舶整体加工及实际施工提供了理论依据，提高了设计的可靠性，缩短了设计周期。

参考文献：

［1］惠星，穆鹏飞，张艳，等.海上光伏项目的前期开发：以山东省沿海为例［J］.西北水电，2023（1）：96-101.

［2］黄鑫.基于Z-number的海上光伏发电项目投资风险决策研究［D］.北京：华北电力大学，2021.

［3］周沛婕，潘翔龙，李娟，等.基于“双碳”背景下的电力行业节能减排分析［J］.能源与节能，2023（1）：63-65.

［4］曹霞.碳达峰碳中和背景下我国新能源产业发展与升级［J］.中国市场，2022（34）：60-62.

（编辑：胡旭东）