樁腿分段連接分析研究

李軒海

摘 ?要：海上風電由于資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高和不占用土地資源等多種優(yōu)勢，目前在國內(nèi)正在大面積被開發(fā)利用，各船企都在爭相建造海上風電安裝平臺。該文論述的是以廈門船舶重工建造的風電安裝平臺為背景，分析總結了在該船樁腿可能因限高影響后期運營而擬采取的法蘭螺栓式、插銷式和法蘭抱箍式3種可拆卸的方案，分別分析計算了這幾種方案的可行性，通過計算得出樁腿可拆連接風險較大，目前自升式平臺未找到可拆連接的案例，建議按焊接處理，若不頻繁通過大橋，割斷再焊接也能實現(xiàn)通過大橋，每次通過切割位置應不在同一位置，為平臺使用者提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：風電安裝平臺 ?樁腿 ?法蘭螺栓式 ?插銷式 ?法蘭抱箍式

中圖分類號：U674 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（c）-0043-02

該研究報告對福建海上風電一體化作業(yè)移動平臺的樁腿分段連接在風暴支持工況或作業(yè)工況下，分3種連接方式進行分析研究。

該平臺樁腿為殼體式，長85m，直徑4m，共4條樁腿。設計時需考慮通過目標大橋，目標大橋橋下凈空高度54m（過橋時樁腿下放基線5m，橋下水深為10m）。按此，可得出樁腿分節(jié)距樁腿頂部約25m。

1 ?設計載荷

根據(jù)表1、表2計算結果，再根據(jù)實際情況，該報告研究了3種連接方式。3種連接方式分別為法蘭螺栓式、插銷式和法蘭抱箍式。下文將對這3種連接方式進行研究，并進行強度校核。

1.1 法蘭螺栓式

法蘭螺栓式，即通過螺栓連接兩段樁腿的法蘭，螺栓采用預緊連接，法蘭采用階梯式以承受樁腿截面所承受的剪力。螺栓需承受軸向力和彎矩。螺栓選取及簡要計算如下。

選取螺栓直徑60mm，螺栓數(shù)量150個，分為3圈分布。螺栓等級為12.9級，外圈螺栓半徑r1=1870，中圈螺栓半徑r2=1760，內(nèi)圈螺栓半徑r3=1650;安全系數(shù)Ss按設計手冊，為6～7.5，取7，則許用應力[σ]為154.29MPa[1]。

按照機械設計手冊Ss=7，則[σ]=154.29MPa，Uc=290.09/154.29=1.88>1。不滿足強度要求。若考慮在中部設置多個螺栓，對軸向應力有改善，但對于承受彎矩因力臂小而貢獻很小。重量約增加60t。

1.2 ?插銷式

選取一段長約3.8m套管，在分段樁腿處內(nèi)部設置，套管上下端分別設置一組插銷，為4只，共8只插銷，插銷位置與升降插銷位置錯開，此種方法稱為插銷式。

選取插銷直徑為350mm，套管直徑為3800mm，此段樁靴處壁厚為100mm，套管壁厚為150mm。插銷需設置液壓動力裝置實現(xiàn)液動插拔。

此種連接型式插銷主要承受垂直力（對于銷軸來說為剪力），套筒承受彎矩和水平力。

此種連接方式強度可滿足要求，但銷軸直徑大，安裝及操作困難，需要設置液壓油缸及液壓系統(tǒng);插拔銷時在樁腿內(nèi)部，很難現(xiàn)場直觀指導操作;增加空船重量約500t，吃水增加，干舷減小，航行阻力增大，船體強度也許重新計算，拔樁載荷，對地壓力，現(xiàn)階段破艙穩(wěn)性余量較小;且由于樁腿升降，需要設置絞車收放油管，存在很大危險性，且絞車布置困難。

1.3 法蘭抱箍式

設置一組法蘭，用螺栓將抱箍與法蘭固定，法蘭面設置傾角為6°，垂直力可通過傾角轉化為水平力，水平力則與摩擦力相抵消，彎矩和軸向力由抱箍承受。強度計算如下。

2 ?結語

通過3種連接方式的分析，可以得出，樁腿截面彎矩較大，法蘭螺栓式不滿足強度要求，若考慮在中間多設螺栓，由于距離中心近，可承受的彎矩非常小，同樣無法滿足彎曲強度要求;插銷式可以滿足強度要求，但增加結構重量大，需要增設液壓油缸、液壓系統(tǒng)、控制設備、管路收放系統(tǒng)等，樁腿拆裝困難，檢修不便，若出現(xiàn)漏油也很難解決;法蘭抱箍式工藝復雜，若出現(xiàn)少量間隙或連接松脫，本身設計意圖為摩擦面受力，若接觸面有間隙時將由抱箍螺栓承受，抱箍螺栓設計為僅僅固定抱箍作用，抱箍螺栓無法承受整個樁腿截面外載荷而被崩斷，樁腿上半段將傾倒，對整個平臺將是致命的風險，建議用在非重要截面且載荷較簡單的機構中。

綜上所述，樁腿可拆連接風險較大，目前自升式平臺未找到可拆連接的案例，建議按焊接處理，若不頻繁通過大橋，割斷再焊接也能實現(xiàn)通過大橋，每次通過切割位置應不在同一位置。

參考文獻

[1] 楊慶生，崔蕓，龍連春.工程力學[M].2版.北京：科學出版社，2014.

[2] 成大先.機械設計手冊[M].6版.北京：化學工業(yè)出版社，2016.

[3] 郭宇星.我國海上風電的發(fā)展現(xiàn)狀及對策建議[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（19）：15-16.