自升式風電安裝平臺插銷式桁架樁腿仿真與分析*

賈 森 劉鵬飛 劉安琴

1煙臺理工學院 煙臺 264000 2煙臺中集來福士海洋工程有限公司 煙臺 264012

0 引言

隨著全球環(huán)境污染及能源緊缺問題的日趨嚴重，人類對能源需求量的日益增加陸地能源的日漸枯竭,世界各國對海洋資源越來越重視，加緊了對海洋資源的開發(fā)利用[1]。風能作為一種可再生無污染能源，其發(fā)展越來越受到重視。在各種海洋平臺中，自升式風電安裝平臺適用于淺海海區(qū)，具有用鋼量少、造價低、在各種海況下幾乎都能持續(xù)工作且效率較高等優(yōu)點[2]。然而，自升式風電安裝平臺樁腿長度有限，使其工作水深受到限制。最大工作水深約550 ft，超過此水深樁腿質量增加很快，水下受到波浪相應也會增大，同時拖航時樁腿升起很高，對樁腿強度和平臺穩(wěn)性很不利。本文通過系列的計算，總結出樁腿各構件對樁腿強度的貢獻規(guī)律，從而為樁腿優(yōu)化設計起到一定指導意義。

1 自升式風電安裝平臺的樁腿結構

自升式風電安裝平臺按樁腿數量分有3腿、4腿、5腿[3]。3腿自升式風電安裝平臺具有更加優(yōu)越的穩(wěn)性，目前全球的3腿自升式鉆井平臺占全部自升式風電安裝平臺總量的80%以上。按樁腿的形式自生式風電安裝平臺常見的樁腿結構形式分為殼體式和桁架式2種，殼體式樁腿制造簡單，以插銷式為主，插銷式殼體無需焊接齒條，但其鋼結構利用率低，經濟性能不好，波浪載荷大，同等承載能力下需要更多的鋼結構，且僅適用于淺水域。一般工作水深在250 ft以下，再深則需增大樁腿尺寸，由此會導致更大的波浪載荷，結構質量也會增加。桁架式樁腿鋼結構利用率高，波浪載荷小，可適用于較深海域，但制作要求高，尤其齒條的焊接和安裝難度較大，故250～550 ft水深的自升式風電安裝平臺一般采用桁架式結構。綜合2種樁腿優(yōu)缺點，采用插銷桁架式樁腿，主弦管同截面設置2個插銷孔。

桁架式樁腿按照弦桿數量分有3弦桿和4弦桿式，典型的3弦桿桁架式樁腿結構如圖1所示。

圖1 典型樁腿結構圖

桁架式樁腿由主弦桿、斜撐桿、水平撐桿、內水平撐等組成，在弦桿上有插銷空，供插銷式液壓升降機構把平臺主體進行升降。

2 不同結構形式樁腿的等效幾何性質

自升式風電安裝平臺主船體的剛度比樁腿的剛度要大得多，且由樁腿受力情況可知，樁腿為壓彎構件，其強度相對于船體而言是薄弱構件[4]，故樁腿整體強度計算是必不可少的。

由于插銷桁架式樁腿被理想化為相當桿件，應先要求得其相當桿件的截面幾何性質。常見的樁腿側面形式如圖2所示。

圖2中3種形式的桁架式樁腿的側面等效剪切面積AQ分別為

圖2 不同形式樁腿等效剪切面積示意圖

整個桁架式樁腿的截面幾何性質計算為

式中：A為樁腿截面面積；AQy、AQz為樁腿在y、z方向的等效剪切面積，即樁腿抗剪切能力；Iy、Iz為樁腿對y、z軸的慣性矩，即樁腿抗彎能力；IT為樁腿截面扭轉慣性矩，即樁腿抗扭能力；ν為材料泊松比。

3 樁腿各構件對樁腿強度的影響

3.1 有限元模型

該自升式風電安裝平臺的主體為三角形箱形結構，有3條插銷式桁架式樁腿，樁腿為K形結構，每條腿有3根主弦桿，根據平臺特點，平臺主體和樁腿均用桿單元進行模擬[5]。計算模型如圖3所示，坐標原點位于前樁靴基線與樁腿軸線交點處，X軸正向指向平臺艏部，Y軸正向指向平臺左舷，Z軸正向豎直向上。

圖3 計算模型

在圖3中，模型A根據ABS規(guī)范將樁腿簡化為一根等效梁[6]，建立不同節(jié)距高度及不同弦桿間距的模型，來計算樁腿的整體強度，不同節(jié)距高度和弦桿間距的等效梁尺寸如表1、表2所示。

表1 不同節(jié)距高度的等效梁尺寸

表2 不同水平撐長度的等效梁尺寸

模型B平臺主體和樁腿上的桿件都用桿單元模擬，建立一系列不同弦桿、斜撐和水平撐桿壁厚的模型，計算樁腿的強度，不同斜撐、水平撐和弦桿壁厚尺寸如表3、表4所示。

表3 不同斜撐和水平撐的尺寸 mm

表4 不同弦桿的尺寸 mm

在樁腿的強度計算中，每個樁腿主弦管上插入的圓柱銷共同承擔載荷。圓柱銷插入主弦管如圖4所示。

圖4 插銷插入主弦管示意圖

3.2 邊界條件

自升式風電安裝平臺在風暴自存工況下樁腿所受的外力要比正常工作時大，故以風暴自存工況進行計算。邊界條件按照ABS規(guī)范，取海底泥面下3 m處簡支[7]。

3.3 載荷施加

風電安裝平臺船體被樁腿支撐在海面之上時，船體上的甲板載荷和風載將通過樁腿傳到海底，這時樁腿受到風力、波浪力、潮流力、平臺的重力及功能性載荷、慣性力和P -Δ二次彎矩等的影響。在風暴自存工況下，平臺一般處于不工作狀態(tài)，這時壓載艙會打入壓載，作業(yè)機構收回。這時的重力載荷包括空船質量、可變載荷、固定載荷，這些載荷都會以點載荷方式施加在平臺主體梁上，由靜力等效原理，風載、慣性載荷、P -Δ載荷均可轉化為力與彎矩之和，以力和彎矩的形式施加。環(huán)境載荷包括風、浪、流引起的載荷。

3.4 樁腿強度校核

對于承受軸向壓縮和彎曲載荷共同作用的構件，ABS規(guī)范給出其壓縮應力和彎曲應力應滿足

當fa/Fa≤0.15時，壓縮應力和彎曲應力應該滿足

式中：fa為計算軸向壓應力，F(xiàn)a為計算軸向臨界應力，Cmx、Cmy為x軸、y軸的修正系數，fbx、fby為x軸、y軸的計算彎曲應力，F(xiàn)bx、Fby為x軸、y軸的許用彎曲應力，F(xiàn)＇ex、F＇ey為x軸、y軸的歐拉應力。

3.5 樁腿各構件對樁腿強度的影響規(guī)律

根據風暴自存工況下平臺所受載荷，計算平臺的強度依據AISC規(guī)范對樁腿結構進行強度評估，計算結果如圖5所示，平臺樁腿受到的彎矩剪力如圖6所示[8]。

圖5 風暴自存工況下平臺計算結果

圖6 風暴自存工況下平臺樁腿剪力和彎矩圖

由圖5、圖6可知，樁腿最大的UC值出現(xiàn)在圍井區(qū)域，向下至樁腿底部逐漸減小。由于斜撐桿是傳遞水平載荷和彎矩的，使樁腿上弦桿的應力趨于平衡，故其承受了很大的剪切力和彎矩[9]。水平撐桿相對的弱于弦桿，主要承受橫向載荷。弦桿的主要作用是抵抗壓力和彎矩，根據自升式風電安裝平臺的受力特征，平臺樁腿所受彎矩從樁腿底部到平臺主體位置逐漸增加，所以弦桿UC值也是從下到上逐步增加，至圍井區(qū)域位置達到最大。

計算不同節(jié)距高度和不同弦桿距離系列模型的強度，取圍井區(qū)樁腿同一位置構件在各工況下的最大值，分別得出等效樁腿整體強度的UC值隨節(jié)距高度和弦桿距離變化的曲線如圖7、圖8所示。

圖7 UC值隨樁腿節(jié)距高度變化曲線圖

圖8 UC值隨樁腿弦桿距離變化曲線圖

由圖7可知，當斜撐桿和水平撐桿尺寸不變時，隨樁腿節(jié)距的增加等效樁腿的UC值先快速下降，在節(jié)距高度為15 ft時UC值達到最小值，之后再緩慢上升，說明等效樁腿強度在節(jié)距高度為15 ft時最大。由圖8中可知，當樁腿節(jié)距高度不變時，隨著弦桿距離的增加等效樁腿的UC值呈現(xiàn)出標準的二次曲線形式，先下降并當水平撐桿長度在25 ft時UC值達到最小值，而后上升，說明等效樁腿強度在水平撐桿長度為25 ft時最大。

計算不同撐桿和弦桿壁厚的系列模型的強度，取圍井區(qū)樁腿同一位置構件在各工況下的最大值，分別得出樁腿的UC值隨節(jié)距高度和弦桿距離變化的變化規(guī)律。

當斜撐和水平撐管厚的增加而其他桿件尺寸不變時，隨著斜撐和水平撐管厚的增加，弦桿的UC值有所減小，但變化不大。由此，從計算結果中可知，當樁腿強度不夠需要修改時，增大撐桿尺寸對弦管強度影響不大。當弦桿壁厚增加而其他桿件尺寸不變時，隨著弦桿管厚度的增加，斜撐和水平撐的UC值無顯著變化，而弦桿的UC值呈線性下降，但下降斜率不是太大。因此，當樁腿強度不夠需要修改時，增大弦桿尺寸對斜撐桿和水平撐桿強度無較大影響，但樁腿質量會增加很多。

4 結論

對某自升式風電安裝平臺的桁架式樁腿結構，按照ABS船籍社的規(guī)范要求，計算了4種不同形式的樁腿抗彎、抗扭、抗剪的利用率，研究了樁腿的不同結構尺寸在風暴自存工況下的綜合強度，得出以下結論：

1）隨著樁腿節(jié)距的高度和弦桿間距變化，樁腿形式B的抗扭、抗剪能力都明顯優(yōu)于其他3種，形式A的次之,形式D的最差，4種形式抗彎能力相差不大。

2）在風暴自存工況下，樁腿最大的UC值出現(xiàn)在圍井區(qū)域，向下至樁腿底部逐漸減小。水平撐桿相對的弱于弦桿，其主要是承受橫向載荷。平臺樁腿所受彎矩從樁腿底部到平臺主體位置逐漸增加，所以弦桿UC值也是從下到上逐步增加，至平臺圍井區(qū)域位置達到最大。

3）當斜撐桿和水平撐桿尺寸不變時，隨著樁腿節(jié)距的增加，等效樁腿的UC值先快速下降，當節(jié)距高度為15 ft時UC值達到最小值，后再緩慢上升，當樁腿節(jié)距高度不變時，隨著水平撐桿長度的增加，等效樁腿的UC值呈現(xiàn)出標準的二次曲線形式，先下降并當水平撐桿長度在25 ft時UC值達到最小值，而后上升。

4）增大撐桿壁厚對弦管強度影響不大，增大弦桿尺寸對斜撐桿和水平撐桿強度沒有太大影響，但樁腿質量會增加很多。