負(fù)壓筒導(dǎo)管架施工糾偏及承載能力分析

韋博，劉思國，時閩生

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

海上風(fēng)電已成為未來新能源發(fā)展的方向之一，海上風(fēng)力發(fā)電潛力巨大[1-2]。負(fù)壓筒形基礎(chǔ)是一種海洋工程基礎(chǔ)形式，具有成本低、施工速度快、抗傾覆承載力高、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海上油氣平臺的基礎(chǔ)，并逐漸開始應(yīng)用于海上風(fēng)電工程[3-4]。隨著海上風(fēng)電領(lǐng)域的迅速發(fā)展與風(fēng)機(jī)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，這些大型兆瓦級的海上風(fēng)機(jī)對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的承載能力與穩(wěn)定性提出了更高的要求[5-8]。負(fù)壓筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)作為一種新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式，目前國內(nèi)外的研究很少涉及，還需要進(jìn)行更深入的研究。本文主要依托于福建長樂外海風(fēng)電項(xiàng)目，進(jìn)行負(fù)壓筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工糾偏過程中的受力分析及承載能力分析，分析結(jié)果可作為負(fù)壓筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工等的依據(jù)，并提出相應(yīng)的施工建議。

1 工程概況

長樂外海海上風(fēng)電場項(xiàng)目位于福州市長樂區(qū)東部海域、閩江口南岸，場址距離長樂海岸線31~50 km海域，平均水深37~45 m，規(guī)劃面積為58.6 km2。本工程共布置單機(jī)容量8 MW及以上海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組62臺，總裝機(jī)規(guī)模為496 MW，考慮遠(yuǎn)期周邊風(fēng)電場100 MW風(fēng)機(jī)容量接入，海上升壓站設(shè)計(jì)規(guī)模按照600 MW進(jìn)行設(shè)計(jì)。本標(biāo)段選用25臺負(fù)壓筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，單機(jī)容量為8 MW風(fēng)電機(jī)組。

2 模型建立

負(fù)壓筒及導(dǎo)管架的整體有限元模型如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Overall structure model

吸力式導(dǎo)管架基礎(chǔ)上部導(dǎo)管架由3根主導(dǎo)管和3層斜撐導(dǎo)管組成，均采用圓形鋼管焊接而成，斜撐導(dǎo)管為“X”形連接形式。導(dǎo)管架主導(dǎo)管采用雙斜布置方式，主導(dǎo)管頂部間距15.0 m，底部間距28.0 m，直徑1.6 m，管壁厚度50~80 mm。導(dǎo)管架3個側(cè)面的斜撐導(dǎo)管直徑為0.8~1.05 m，管壁厚度25~50 mm。導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)均采用船用鋼板DH36型鋼，節(jié)點(diǎn)和變截面鋼管采用DH36-Z35型鋼。

每個主導(dǎo)管架腿底部鋼管通過過渡段與負(fù)壓筒基礎(chǔ)頂蓋相連。負(fù)壓筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)筒基采用鋼制筒，筒基為直筒結(jié)構(gòu)，負(fù)壓筒頂蓋直徑10.0 m，壁厚30 mm，負(fù)壓筒頂蓋考慮局部加強(qiáng)。負(fù)壓筒直徑10.0 m，壁厚30~45 mm，總長為20 m，負(fù)壓筒入土深度20 m，負(fù)壓筒采用Q355NC型鋼材，單臺負(fù)壓筒基礎(chǔ)重量約270 t。根據(jù)上述參數(shù)建立有限元模型，導(dǎo)管架及負(fù)壓筒加勁肋采用框架單元，負(fù)壓筒采用殼單元。

3 糾偏受力分析

3.1 計(jì)算模型

針對負(fù)壓筒導(dǎo)管架糾偏進(jìn)行受力分析，計(jì)算情況為A、B、C 3個負(fù)壓筒不同步著底，其中A負(fù)壓筒筒底標(biāo)高較高，需使該筒筒底標(biāo)高降至與B、C兩筒筒底標(biāo)高相同，完成糾偏。按如下推論簡化建立計(jì)算模型：

1）糾偏前，整體結(jié)構(gòu)自重與土阻力平衡。

2）糾偏過程中，調(diào)節(jié)A筒內(nèi)壓強(qiáng)使其在水壓、自重作用下下沉，與其連接的導(dǎo)管架腿因支撐力F減小，隨之下沉。

因此，計(jì)算時將A筒從整體結(jié)構(gòu)模型中去掉，直接用支撐力F取代A筒對導(dǎo)管架腿的作用。偏于安全的，取糾偏前F值為1/3的導(dǎo)管架重力荷載值（2 100 kN）。逐步減小F值，模擬吸力泵系統(tǒng)產(chǎn)生吸力后A筒對導(dǎo)管架腿支撐的減弱過程。計(jì)算模型如圖2所示，B、C兩筒限制筒底3個方向的平動自由度，在模型中鋼材容重取為68.5 kN/m3，模擬浮力作用。

圖2 糾偏受力分析模型Fig.2 Rectification force analysis model

3.2 位移結(jié)果

從導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的x、y、z方向位移云圖可以看出，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)x方向位移最大值為84.5 mm，y方向位移最大值為1.68 mm，z方向位移最大值為42 mm。x方向位移最大值出現(xiàn)在導(dǎo)管架頂部，z方向位移最大值出現(xiàn)在導(dǎo)管架腿底部，y方向位移最大值較小。

3.3 應(yīng)力結(jié)果

導(dǎo)管架的Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。從圖中可以看出導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為105 MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。從負(fù)壓筒的Mises應(yīng)力云圖中可以看出負(fù)壓筒結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為110.65 MPa，位于負(fù)壓筒頂端，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295 MPa，負(fù)壓筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

圖3 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of jacket

調(diào)整作用在導(dǎo)管架腿底部的荷載值，在不同荷載作用下導(dǎo)管架和負(fù)壓筒的位移及應(yīng)力最大值如表1所示。從表中可以看出：

表1 導(dǎo)管架和負(fù)壓筒的應(yīng)力及位移最大值Table 1 Maximum stress and displacement of jacket and negative pressure tube

1）支撐力為1 400 kN時，負(fù)壓筒應(yīng)力最大值為318.2 MPa，大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不滿足要求，此時吸力為700 kN，筒體內(nèi)外壓強(qiáng)差為8.939 kPa。

2）支撐力為1 500 kN時，負(fù)壓筒應(yīng)力最大值為280.2 MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，此時吸力為600 kN，筒體內(nèi)外壓強(qiáng)差為7.662 kPa。

故在負(fù)壓筒導(dǎo)管架糾偏過程中，建議筒體內(nèi)外壓強(qiáng)差應(yīng)小于7.5 kPa，留有一定的安全儲備。此時導(dǎo)管架偏轉(zhuǎn)角度：

式中：l為導(dǎo)管架的高度57.7 m；sx為導(dǎo)管架在x方向上的位移最大值810 mm。

故建議施工過程中導(dǎo)管架的傾斜角度不應(yīng)超過0.8毅，與荷蘭SPT Offshore公司給出導(dǎo)管架的傾斜角度不應(yīng)超過1毅的建議相差不大。

4 承載能力分析

4.1 計(jì)算模型

針對負(fù)壓筒導(dǎo)管架施工進(jìn)行承載能力分析，計(jì)算導(dǎo)管架在風(fēng)、浪、流及自重荷載作用下的應(yīng)力及位移情況，并計(jì)算出各導(dǎo)管架腿部的上拔力或下推力，將其施加在負(fù)壓筒上，綜合考慮土阻力進(jìn)行負(fù)壓筒的承載能力分析，確保負(fù)壓筒與土體之間不會發(fā)生相對位移。計(jì)算模型如圖1所示，導(dǎo)管架腿底部限制3個方向的平動自由度。

4.2 計(jì)算工況

1）風(fēng)荷載

施工氣象窗口風(fēng)速取15 m/s，對應(yīng)的基本風(fēng)壓約為0.1 kPa，地面粗糙度按A類考慮，體形系數(shù)取μs=2，結(jié)構(gòu)寬度按軟件進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)荷載作用范圍為+42.3~+57.7 m（標(biāo)高），風(fēng)荷載作用方向沿x軸正方向。

2）波浪荷載

波浪平均周期取6 s，波高取1.5 m和3 m兩種情況，并在波浪荷載中考慮浮力荷載，波浪荷載作用方向沿x軸正方向。

3）水流力

水流力按線性均布荷載作用在導(dǎo)管架上，水流力均布荷載集度按式（2）計(jì)算：

式中：l為導(dǎo)管架的直徑；V為水流流速，分別考慮1.16 m/s和2.14 m/s兩種情況；ρ為海水密度，ρ=1.025 t/m3；Cw為水流阻力系數(shù)，取Cw=0.73。

不同直徑的導(dǎo)管架桿件上的均布荷載集度如表2所示，最終作用在導(dǎo)管架的均布荷載數(shù)值為表中數(shù)值在x軸上的投影。取3種工況用于計(jì)算，各工況參數(shù)取值見表3。

表2 水流力均布荷載集度Table 2 Hydrodynamic uniform load concentration

表3 計(jì)算工況參數(shù)取值Table 3 Working condition parameter value

4.3 有限元結(jié)果

4.3.1 位移結(jié)果

在3種工況作用下，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大位移統(tǒng)計(jì)見表4，從表中可以看出各方向的位移均比較小，說明導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。

表4 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力Table 4 Maximum displacement and maximum stress of jacket structure

4.3.2 應(yīng)力結(jié)果

在3種工況作用下，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見表4，從表4中可以看出導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。在工況一作用下導(dǎo)管架的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 工況一作用下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of jacket structure under working condition 1

4.3.3 節(jié)點(diǎn)反力結(jié)果

取長度為20 m、直徑為10 m的負(fù)壓筒計(jì)算，筒重為2 730.9 kN，負(fù)壓筒土阻力計(jì)算結(jié)果見表5，出于安全角度的考慮，側(cè)摩阻力取勘察報告中建議取值范圍的最小值，并僅考慮筒外側(cè)土阻力。

表5 負(fù)壓筒土阻力計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation result of soil resistance of negative pressure tube

在3種工況作用下，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)對負(fù)壓筒的最大拔筒力和最大壓筒力統(tǒng)計(jì)見表6。從表中可以看出，在工況三作用下，導(dǎo)管架對負(fù)壓筒的上拔力最大為2 428.52 kN，小于負(fù)壓筒的重力與土阻力的總和20 032.3 kN，此時承載能力滿足要求；導(dǎo)管架對負(fù)壓筒的下推力最大為668.14 kN，與負(fù)壓筒的重力和為3 399.04 kN，小于筒側(cè)土摩阻力總和17 301.4 kN，此時承載能力滿足要求，負(fù)壓筒與土體之間沒有發(fā)生相對位移。

表6 負(fù)壓筒的最大拔筒力和最大壓筒力Table 6 Maximum pulling force and maximum pressing force of negative pressure tube

5 結(jié)語

1）在負(fù)壓筒導(dǎo)管架糾偏過程中，建議筒體內(nèi)外壓強(qiáng)差應(yīng)小于7.5 kPa，留有一定的安全儲備。

2）建議施工過程中導(dǎo)管架的傾斜角度不應(yīng)超過0.8毅。

3）在3種工況作用下，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力較小，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度滿足要求。

4）在3種工況作用下，導(dǎo)管架對負(fù)壓筒的拔筒力和壓筒力滿足承載能力要求。