海上光伏施工打樁船海工吊底座結構優化設計

劉超 穆鵬飛 宋政昌 魏玉平

摘要：打樁船是海上光伏施工過程中常用的一種專用特種作業設備，為提高作業效率，海工吊采用單立柱底座懸臂梁結構，其作業特點是起吊作業高度高、作業半徑大、起重作業重量大，合理設計海工吊底座結構對增強底座結構強度和穩定性極為重要。結合打樁船吊車作業結構特點，以實際作業條件為邊界，利用大型通用有限元計算軟件PATRAN+NASTRA對不同作業工況下的海工吊底座受力情況進行有限元分析計算。結果表明：所有工況下的各種應力均不超過許用應力，驗證了海工吊底座結構設計的合理性。相關成果可為海工吊底座的結構優化提供參考。

關鍵詞：打樁船； 海上光伏施工； 吊車底座； 優化設計； 有限元分析

中圖法分類號： U674.32

文獻標志碼： A

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

0引 言

中國擁有1.8萬km海岸線，發展海上光伏不僅可以解決土地問題，還具有天然的環境優勢［1］，預計全國海上光伏裝機潛在規模超過70 GW［2］。在碳達峰、碳中和的背景下，以海上光伏為代表的新能源產業在未來將具有戰略意義，海上光伏產業鏈將迎來重大發展機遇［3-4］。基于此，本文利用大型通用有限元計算軟件對海工吊底座受力情況進行分析，以期為海上光伏施工設備優化提供參考。

1打樁船概況

為適應水深10 m、近海6海里海域內海工集群樁基作業要求，中國電建港航公司研發了一款海上光伏施工打樁船，如圖1所示。該打樁船集成了起吊系統、定位系統、打樁系統等多種智能化軟件和硬件系統，較同類型海工裝備施工效率和定位精度有大幅提升，建成后將成為國內先進智能化“首臺套”近海打樁裝備。

根據海上光伏施工打樁船設計方案，全船整體采用單底單甲板、圓形舭部的箱型結構，主體為全鋼質結構，采用全焊接方式進行連接。為提升作業效率，海上光伏施工打樁船配置2臺海工吊起重機，單臺起重機吊臂長度為40 m，在回轉半徑30 m時吊高為35 m、吊重為30 t，吊臂高度35.80 m，最大沉樁樁長30 m，最大沉樁樁重30 t。

海工吊底座（圖2）作為起重機的承載主體，其強度設計是船體安全設計的重點之一。

海工吊底座主體采用空心圓柱狀鋼結構，為增強其連接可靠性，主體結構貫穿于船體上下雙甲板，主體底部分別與船體上下甲板相連接，上下甲板均采用雙層結構設計。同時，為增強海工吊底座結構的穩定性，在主體結構圓柱內腔內壁上也均勻布置貫穿結構加強肋板。

2打樁船海工吊基本情況

海上光伏施工打樁船型長50 m、型寬20 m、型深3.5 m，設計吃水2 m，打樁系統配置兩臺全回轉海工起重機，吊重約30 t，一臺吊機可在一個船位上打4根樁。起重機除可以完成鋼樁起吊至抱樁箍喂樁工作外，也可起吊沖擊打樁頭進行打樁作業。2臺吊機均為右機，朝向吊臂方向，駕駛室布置在右側。

2.1海工吊技術參數

吊臂長約40 m；

主鉤安全工作負荷（吊重）為SWL30 t/30 m（吊高距主甲板最小35 m），SWL15 t/40 m（平吊）；

主鉤起升速度0～40 m/min（吊重40%SWL）；

主鉤最大工作半徑40 m；

主鉤最小工作半徑8 m；

副鉤安全工作負荷（吊重）為SWL30 t；

副鉤起升速度0～40 m/min（吊重40%SWL）；

副鉤最大工作半徑30 m；

副鉤最小工作半徑6.5 m；

回轉范圍360°；

整機重量約100 t。

2.2海工吊吊機結構特點

吊機主體結構由底座、塔身、吊臂、駕駛室4部分組成。

底座為圓柱形筒體，與船體結構塔筒焊接，底座高度不小于2 m。

塔身和油箱是二合一的箱式結構，通過回轉支承與底座連為一體。

吊臂為板材焊接的箱型結構。

2.3海工吊工況施工工藝

海上光伏施工打樁船海工吊根據工作需求，將PHC400～PHC800規格的樁基按照設計要求投放至預定位置。實際作業流程為：找正→下鉤→套樁→吊樁→轉樁→喂樁→脫樁→打樁→回正，如圖3所示。

3海工吊底座有限元分析

3.1海工吊工況

根據有限元仿真分析需求，并結合海上光伏施工打樁船海工吊實際施工工藝過程，將其施工工況進行簡化，以船首方向為初始方向，左右旋轉90°為極限工況位置，簡化后的海工吊工況示意如圖4所示。

3.2海工吊底座模型確定

3.2.1方向確定

（1） 橫向強度模型。

船舶縱向為X向，向艏為正；船舶橫向為Y向，左舷為正；船舶垂向為Z向，向上為正。

（2） 模型范圍。

縱向為FR16～FR44，橫向為整個船寬，垂向為整個型深。

3.2.2材料結構模擬方式確定

板材使用 shell-2D單元模擬，該單元具有4個節點，6個自由度，分別是x、y、z方向上的平動位移和轉動位移。

型材采用1D梁單元模擬。

板單元和梁單元的大小不超過250 mm。

3.2.3材料特性

板材彈性模量為2.06×105 N/mm2，剪切模量為7.7×104 N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85×103 kg/m3。板的許用應力為 235 MPa，許用剪力為 141 MPa

3.3有限元模型

3.3.1模型建立

通過三維建模，模擬海工吊底座實際使用情況，賦予海工吊底座結構件材料強度、剛度等屬性與各個單元節點所受載荷，對結構的整體以及部件分別進行仿真分析，確認結構薄弱點其設計是否合理，并為后期設計優化指明方向。本次模擬采用中國船級社認可的大型通用有限元計算軟件PATRAN+NASTRAN，有限元分析流程如圖5所示。

根據海工吊底座結構確定有限元分析模型，分別建立海工吊底座模型、板厚云圖以及邊界條件模型，如圖6所示。

3.3.2載荷分析

海上光伏施工打樁船海工吊起重機設計載荷見表1。載荷通過耦合的方式加載到吊機基座上。

3.3.3有限元分析

各工況有限元分析結果如圖7所示。各工況許用應力依據《鋼質海船入級規范2021》中相關要求選取，對各工況應力分析計算結果進行匯總，如表2所列。

通過對表2中各數據進行分析可以看出，所有應力均不超過許用應力，海工吊底座結構強度滿足設計要求。

4打樁船吊車底座屈曲分析及校核

依據《鋼質海船入級規范2021》第2篇的要求，選取應力最大工況左-45°（工況b）下的吊機支柱進行屈曲應力校核，以驗證極限載荷情況下吊機底座支柱的穩定性。

4.1板格屈曲有限元分析

結合對海工吊底座結構特點和材料參數，建立三維屈曲模型并進行數值模擬計算。海工吊底座支柱板格應力和板格剪應力有限元分析結果如圖8所示。

4.2板格屈曲校核

對海工吊底座支柱進行屈曲有限元分析后，對臨界屈曲應力與彈塑性進行修正，相關參數見表3。

根據表3中數據，分別對海工吊底座支柱短邊（X向）受壓板格、長邊（Y向）受壓板格以及受剪板格臨界屈曲應力進行計算校核，具體如下：

（1） 短邊受壓板格彈性臨界屈曲應力σxcr-e。

σxcr-e=kxC1π2E12（1－ν2）ts2（1）

（2） 長邊受壓板格彈性臨界屈曲應力σycr-e。

σycr-e=kyC2π2E12（1－ν2）ts2（2）

（3） 受剪板格彈性臨界屈曲應力τcr-e。

τcr-e=ktC1π2E12（1－ν2）ts2（3）

式中：kx，ky，kt分別為短邊受壓及彎曲屈曲系數，長邊受壓及彎曲屈曲系數和剪切屈曲系數，取5.519，1.939，1.082。

將表3中相關參數代入，可得σxcr-e=1 437.2 N/mm2，σycr-e=555.4 N/mm2，τcr-e=1 583.8 N/mm2。

4.3板格彈性臨界屈曲應力修正

將海工吊底座支柱短邊（X向）受壓板格、長邊（Y向）受壓板格以及受剪板格計算所得臨界屈曲應力數值與ReH/2進行大小比較，然后按照板格屈曲校核規則進行相應的參數校正。

5結 語

本文通過對海上光伏施工打樁船上關鍵承重結構海工吊底座進行三維建模、有限元分析及穩定性校核計算，

給立柱式長懸臂、大承重的海工吊提供了一種基座設計可行性方案，

并驗證了本文中提到的海工吊基座設計方案的合理性，

對后續的船舶整體加工及實際施工提供了理論依據，提高了設計的可靠性，縮短了設計周期。

參考文獻：

［1］惠星，穆鵬飛，張艷，等.海上光伏項目的前期開發：以山東省沿海為例［J］.西北水電，2023（1）：96-101.

［2］黃鑫.基于Z-number的海上光伏發電項目投資風險決策研究［D］.北京：華北電力大學，2021.

［3］周沛婕，潘翔龍，李娟，等.基于“雙碳”背景下的電力行業節能減排分析［J］.能源與節能，2023（1）：63-65.

［4］曹霞.碳達峰碳中和背景下我國新能源產業發展與升級［J］.中國市場，2022（34）：60-62.

（編輯：胡旭東）