海上風電安裝平臺新型可調樁靴設計及有限元分析

仇明，勾俊峰，李英杰，高航，王振剛，顏建軍，張永康，霍小劍

(1.啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200；2.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006；3.中建材凱盛機器人四川有限公司，四川 內江 641000；4.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；5.武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

海上風電安裝平臺是開發(fā)海上風電的關鍵裝備，工作環(huán)境較為惡劣，除了受到平臺自身重量的影響外，還受到風、浪、流等環(huán)境載荷的影響。因此，在海上風電安裝平臺設計過程中對其整體結構強度的計算非常必要，尤其是對承受較高應力的樁腿、樁靴等關鍵部位強度的分析[1-2]。單個海上風電安裝平臺通常需要配備多根樁腿，承受內外載荷，為安裝平臺的穩(wěn)定性提供保障[3]。在海上風機安裝過程中，樁腿在泥土中插入一定深度，避免風機安裝過程中平臺的移動或失穩(wěn)[4]。樁靴安裝在樁腿端部，直接與地基接觸，是主要受力結構之一，作為支撐在樁腿與海底之間的基礎起到固定安裝平臺的作用[5]。

傳統(tǒng)樁靴有圓形、方形、多邊形和矩形等形狀[6-7]。樁靴結構對于海上風電安裝平臺的穩(wěn)定性具有重要影響。文獻[8]中設計了內部含有周向和徑向加強板的正八邊形箱型結構樁靴，提高了海底支撐面積，減小了樁靴插入海底的深度。文獻[9]中分析了六邊形樁靴和圓形樁靴的強度和質量，發(fā)現后者在減輕重量的同時結構強度沒有減弱。

未來海上風電安裝平臺將向著提高適用水深、提高主吊載能力、增大主甲板可利用面積、增強主甲板承載能力等方向發(fā)展[10]。在深海水域進行安裝作業(yè)，樁靴入泥深度增大，對于傳統(tǒng)結構樁靴來說不可避免地產生新的問題。樁靴插入泥土深度增大，由于對海底泥土的擠壓，導致臨近導管架樁基受到的擠壓力和變形增大[11]。在粉砂質地質海域中，考慮到泥沙對樁腿和樁靴的沖刷，設計時采用減小樁靴尺寸和增大入泥深度的方法[12]。但是，在風機安裝完成后，樁腿需要從泥土中拔出，較大的入泥深度也會增大拔樁難度。此外，傳統(tǒng)結構樁靴底部不均勻地受壓會導致局部承受較大載荷，出現應力集中，可能發(fā)生局部破壞[13]。

針對未來超大型海上風電安裝平臺對設計新型結構樁靴的需求，設計一種三支架型可調樁靴結構。采用有限元軟件對比分析傳統(tǒng)方形樁靴和新型可調樁靴支撐樁腿的穩(wěn)定性，為未來海上風電安裝平臺的發(fā)展提供理論支撐。

1 傳統(tǒng)方形樁靴結構及存在的問題

圖1是某公司研發(fā)的采用圓筒形樁腿的超大型海上風電安裝平臺現場施工照片。采用了典型的方形結構樁靴，支撐著帶有定位孔的樁腿。當海底坡度不同或者海床基巖堅硬時，樁基礎的埋深淺，采用現有方形結構樁靴容易出現平臺滑移的問題，從而影響風機安裝作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。另外，在海底地質松軟的情況下，采用現有方形結構樁靴還可能出現因陷入泥土太深而致使拔樁不易的情況，影響平臺穩(wěn)定性[14]。

圖1 海上風電安裝平臺現場施工

2 三支架型可調樁靴結構及實施方案

本文設計了一種插樁深度可調的三支架型樁靴結構，見圖2。這種三支架型樁靴結構與傳統(tǒng)方形樁靴結構存在明顯的區(qū)別，主要結構包括橫向的固定板、滑動框架、上連桿、下連桿等，其充分利用了三角形支架具有的高穩(wěn)定性的特點。具體的實施過程：①進行必要的勘測工作，根據不同的地形、地貌確定插樁的深度以及方形墊片的高度；②確定滑動框架的最終位置并將插銷插入定位孔中，確定墊片高度以后將相應方形墊片和方形齒形塊固定到相應位置；③在樁腿插入泥土過程中借助泥土的作用力將滑動框架固定到預定位置，同時上連桿和樁腿構成三腳支架結構。新型三支架型可調樁靴插樁深度主要依靠樁腿上的定位孔來控制，滑動框架越高，插樁深度越大。

圖2 三支架型可調樁靴結構示意[15]

3 新型可調樁靴結構和傳統(tǒng)樁靴結構設計參數及有限元建模

三支架型可調型樁靴結構的基本設計參數：①樁腿為圓筒形，外徑5 m、內徑4.8 m、高度70 m；②上連桿和下連桿為外徑0.8 m的柱狀，前者高度為20 m，后者高度為6.8 m；③固定板為外徑8 m、內徑5.1 m的圓筒形，高度0.5 m；④滑動框架為外徑7.5 m、內徑5.1 m的圓筒形，高度為0.5 m。樁腿材質E690鋼，屈服強度690 MPa；上連桿、下連桿、固定板和滑動框架的材質均為D420鋼，屈服強度為420 MPa。三支架型可調樁靴的機構運動簡圖及構件之間的運動學方程參考文獻[16]。根據運動學方程計算得到的上連桿與鉛垂線的夾角范圍為[5.74°,26.8°)，下連桿與鉛垂線的夾角范圍為[11.35°,63.09°)。傳統(tǒng)方形樁靴結構設計參數：7.5 m×7.5 m×1.8 m。采用ANSYS Workbench有限元軟件分別對傳統(tǒng)方形樁靴和新型三支架可調樁靴建模，見圖3。

圖3 傳統(tǒng)方形樁靴和三支架型可調樁靴模型

4 ANSYS模擬結果分析

4.1 最大應力分析

在最不利的組合應力條件下校核樁腿和樁靴結構的屈服強度，2種結構樁靴整體所受最大應力隨著入泥深度的變化見圖4。可調樁靴的最大應力值出現在固定板附近，傳統(tǒng)樁靴的最大應力值出現在樁腿和泥面的接觸處。從圖4中可以看出，可調樁靴所受到的最大應力隨入泥深度的增加而降低，傳統(tǒng)樁靴所受最大應力隨著入泥深度的增加變化幅度較小。可調樁靴所受到的最大應力在入泥深度較小時遠高于傳統(tǒng)樁靴，承受較高的應力。可調樁靴所受最大應力約為62 MPa，傳統(tǒng)樁靴所受最大應力約為46 MPa。最大應力值都在所選鋼料的屈服極限范圍內，不會發(fā)生斷裂的情形。對于新型可調樁靴，最大應力位置發(fā)生改變，同樣應考慮應力集中的問題。

圖4 2種樁靴結構所受最大應力隨入泥深度的變化

4.2 最大位移分析

2種樁靴結構支撐樁腿的最大位移見圖5。從圖5中可以看出，可調樁靴上樁腿的最大位移量遠低于傳統(tǒng)樁靴上樁腿的最大位移量。隨著入泥深度的增加，可調樁靴上樁腿的最大位移量和傳統(tǒng)樁靴上樁腿的最大位移量都有所減小，但是變化幅度都較小。可調樁靴和傳統(tǒng)樁靴上樁腿的最大位移均出現在入泥深度最小的地方。采用可調樁靴支撐樁腿，樁腿的變形較小，可提高海上風電安裝平臺的穩(wěn)定性，進而提高風機安裝過程的穩(wěn)定性和準確度。

圖5 2種結構樁靴支撐樁腿的最大位移量隨入泥深度的變化

4.3 屈曲臨界載荷分析

2種結構樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷隨著入泥深度的變化見圖6。由圖6可見，入泥深度對于傳統(tǒng)結構樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷沒有明顯的影響。在入泥深度為0.5、2.5、4.5 m情況下，可調結構樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷分別比傳統(tǒng)結構樁靴支撐樁腿的高49%、54%、48%，三支架可調結構樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷遠高于傳統(tǒng)方形結構樁靴支撐樁腿的屈曲臨界載荷。與傳統(tǒng)方形樁靴支撐樁腿相比，三支架可調樁靴支撐樁腿可以承受更高的屈曲載荷，即可以提高在較高載荷條件下海上風電安裝平臺的穩(wěn)定性。

圖6 2種結構樁靴支撐樁腿在不同入泥深度下的屈曲臨界載荷

5 結論

1)在傳統(tǒng)方型樁靴的基礎上，設計一種新型三支架可調樁靴結構，可實現插樁深度可調。有限元模擬計算結果表明，在高的入泥深度條件下，采用新型可調樁靴支撐的樁腿能夠具有更低的最大位移和更高的屈曲臨界載荷。新型樁靴可以提高海上風電安裝平臺在施工過程中的穩(wěn)定性和承載能力，有助于平臺向著更深海域及更高吊載方向發(fā)展。

2)新型可調樁靴的設計和有限元分析主要是建立在支撐圓筒形樁腿的前提下，由于海上風電安裝平臺采用的樁腿結構并不統(tǒng)一，為了揭示新型可調樁靴在應用過程中可能存在的問題，拓展其應用范圍，還應開展有關新型可調樁靴支撐其它不同結構樁腿穩(wěn)定性的分析。