海上风电单桩基础施工胎架受力分析.pdf

环 保 与 节 能Maritime Safety 水上安全73第一作者简介：刘亚杰，男，本科，工程师，研究方向为海上风电安装施工船舶管理与施工。海上风电单桩基础施工胎架受力分析刘亚杰，闫明辉（华电重工股份有限公司海洋工程事业部，广东 揭阳 202308）摘要：海上风电单桩基础运输胎架是单桩海上运输施工的重要装备，根据运输船承重结构不同，设计不同的胎架布置形式，本文针对单桩运输和起吊施工进行模拟，对吊单桩承重胎架承载进行模拟计算，为后续单桩胎架设计改进提供技术支持。关键词：揭阳；海上风电；单桩基础；吊装；碰撞0 引言海上风电单桩基础运输胎架承载单桩重量，将重量分散到运输船甲板，根据运输船甲板结构，设计单桩运输和绑扎方案。现有单桩胎架一般分为滚装胎架和吊装胎架，结构上采用弧形托架和长方形底座结合的形式，弧形面贴合单桩外形，放置在运输船甲板面的部分为长方形底座，或者由几个方形支墩组成。运输船在航行和系泊状态下，船舶受环境力影响产生横摇、纵倾，会导致单桩运输胎架受力不均，而且会产生水平方向作用力1。本文针对单桩胎架受力工况，使用流体静力和流体动力分析软件（Hydrostatic&Hydrodynamic Analysis Software）摩西（MOSES）建立运动分析模型，对胎架受力进行计算，找出胎架布置的危险工况。1 模型建立单桩运输模型由一条 130 m 长的运输船和一根110 m 长的单桩组成，运输船和单桩数据如下表所示。模型以船头至船尾水平方向为 X 轴方向，船中至右舷水平方向为 Y 轴正向，竖直向上为 Z 轴正向，以船头、基线、船中位置为坐标原点，船舶纵倾 0.1，单桩水平放置在甲板面上，模拟时长为 200 s。1）船舶及设备参数为：运输船参数为：船长 130 m；船宽 28 m；型深7.8 m；吃水 5 m；锚缆长度 500 m；锚缆直径 42 mm。单桩参数为：单桩长度 110.2 m；单桩顶部直径6 m；单桩质量 1 609.3 t；单桩底部直径 8.7 m；重心距离桩顶 56.81 m；吊耳距离桩顶 43.265 m。2）甲板布置。运输船上胎架布置在具有强横梁结构的位置，同时胎架布置还要避开燃油舱和机舱，本文模型中使用压缩单元（compression）模拟胎架在 X、Y、Z 三个方向受压力，每一道胎架使用左、右两个compression 压缩单元，胎架布置按照 20 m 的间隔布置了 5 道胎架，最后一道胎架距离运输船船尾 5 m 距离。在本文计算模型中，单桩顶部距离船头 24.8 m，单桩底部超出船尾 5 m，单桩底部距离最后一道胎架10 m。如图 1 所示。2 运输船吃水单桩运输船在施工系泊期间会调节压载水，使船图 1 甲板布置示意图环 保 与 节 能水上安全 2023 年 第12 期74舶自身吃水比较大，船舶比较稳，而运输途中船舶吃水比较小，利于减小阻力节约燃料。选择环境力大小、方向都相同，且纵倾相同而船舶吃水从小到大的工况进行比较计算。其结果如图 2 所示。表 1 运输船浮态与受力船舶吃水/m船舶纵倾/（）船舶横摇/（）锚缆拉力/t单桩FX/t单桩FY/t单桩FZ/t2.450.340.3622.7110.80103.311615.473.08 0.350.2124.7611.3757.381616.933.66 0.350.2626.8311.2381.411615.474.29 0.340.3028.8410.5576.961615.984.87 0.340.3430.9010.3994.361622.45通过汇总计算结果数据可以看出，在相同的船舶纵倾的工况下，随着船舶吃水深度从 4.87 m 减小到2.45 m 过程中，船舶横摇幅度不断减小，从 0.34 降到了 0.21，但是在吃水下降到 2.45 m 后，横摇幅度反而上升到了 0.36，这是因为随着吃水的减小船舶总体重量不断减小导致重心和浮心位置变化，浮心越来越高，当吃水达到 2.45 m 后，浮心高度使环境力力矩加大，使横摇变大。而吃水越小船舶惯性力越小，系泊锚缆力越小，吃水越大，船舶惯性力越大，系泊锚缆力越大。3 环境力影响运输船在海上航行期间受到波浪、海流、海风的影响，产生了 6 个自由度（横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇、垂荡）的运动，本文模型选择不同大小和方向的海况条件进行模拟计算，寻找胎架受力最大工况条件2。3.1 环境力方向影响计算 5 级风速海况条件下，不同方向环境力对胎架受力的影响。其结果如表 2 所示。表 2 不同方向环境力序号波浪高度/m波浪周期/s浪型海流流速/（m/s）风速/（m/s）方向/（）11.56JONSWAP0.511021.56JONSWAP0.5114531.56JONSWAP0.5119041.56JONSWAP0.51113551.56JONSWAP0.511180注：波浪高度为平均波高。单桩运输模型中，单桩胎架位于船甲板中央，模型在船舶左右两侧对称，因此环境力影响计算取船单侧方向计算，以船尾到船头方向为 0，选取 0、45、90、135、180 五个方向作为海况条件，对5 种不同角度海况条件下，胎架受力和总体受力进行计算模拟3。其结果如图 2 所示。图 2 环境力方向示意图根据计算结果，汇总模拟 compression 压缩单元受力最大值以及单桩受力最大值，第一道胎架单元受力最大，平均值为 218 t，变化幅值最小为平均值的3.7%，第五道胎架均值最小为 109 t，变化幅值最大，为平均值的 7.9%，单桩受外力平均值为 1 613.8 t，变化幅值为平均值的 0.48%，从计算结果分析单桩受力除体现在竖直方向上，由于单桩惯性力影响其他方向也和单桩胎架产生作用力。将胎架受力和单桩受力分别按照 X、Y、Z 三个方向分别进行统计分析。90 环境力条件下，五道胎架 X 方向受力为 1.11.69 t，变化幅值为平均值的66%97%之间，Y 方向受力为 0.71.48 t，变化幅值为平均值的 241%265%之间。通过对数据的汇总研究，运输及停泊状态单桩由于惯性力作用下，单桩给胎架水平作用力，在 90 环境力条件下各个胎架受力最大，方向主要是船侧方向，单桩胎架贴合单桩的圆弧承载了这部分水平力。3.2 环境力大小选择对环境力影响最大的 90 方向作为研究对象，单桩运输模型吃水 5 m，计算从 3 级风到 7 级风速海况条件下，不同海况条件对胎架受力的影响，其中海流速度不变。其结果如表 3 所示。表 3 同方向不同风速、波高工况序号波浪高度/m波浪周期/s浪型海流流速/（m/s）风速/（m/s）方向/（）60.84 JONSWAP0.55.59071.25JONSWAP0.589081.56JONSWAP0.51190927JONSWAP0.513.990102.59JONSWAP0.517.290注：波浪高度为平均波高。根据计算结果汇总，X 方向受力变化幅值为平均值的 1.2%6.4%之间，Y 方向受力变化幅值为平均值的 0.6%21%之间，Z 方向受力变化幅值为平均值的0.01%1.1%之间，环境力越大，变化幅度越大。5 种海况下胎架受力和单桩受力进行汇总分析，随着海况条件加大，船舶的运动姿态改变相对较小，这是由于船舶吃水太大，而且有 4 条系泊锚缆约束船舶运动。3.3 运输船纵倾单桩运输过程中船尾吃水一般略大于船头吃水，环 保 与 节 能Maritime Safety 水上安全75单桩水平放置在船舶甲板面会因为船舶纵倾而产生水平力4，船侧方向水平力由单桩胎架弧形结构支撑，而沿船长 X 方向水平力，需要单桩在甲板上做焊接加固，模拟计算不同纵倾工况下单桩胎架 X 方向受力情况，选取 5 级风海况 90 环境力作用下不同的纵倾工况进行模拟计算。其结果如表 4 所示。表 4 不同纵倾、风速及波高工况序号纵倾/（）波浪高度/m波浪周期/s浪型海流流速/（m/s）风速/（m/s）方向/（）110.20.84JONSWAP0.55.590120.31.25JONSWAP0.5890130.41.56JONSWAP0.51190140.527JONSWAP0.513.990150.62.59JONSWAP0.517.290注：波浪高度为平均波高。根据模型计算结果，船舶纵倾工况下单桩胎架 X方向平均受力在 2.53.06 t 之间，变化幅值为平均值的-21%21%之间，纵倾 0.6 的胎架受力最大，且单桩在纵倾最大的工况下受力达到了 13.27 t。根据汇总的胎架受力情况可以看出，当船舶和单桩纵倾角度增加，单桩胎架承载的横向力会越来越大，而这部分水平力由单桩传递给胎架，由胎架传递给运输船，运输船通过系缆的方式进行约束。以下对 5 种倾斜工况下船舶锚缆拉力情况进行汇总分析。其结果如表 5 所示。表 5 纵倾与锚缆拉力及单桩水平受力对应关系纵倾/（）1#拉力/t 2#拉力/t 3#拉力/t 4#拉力/t 单桩受力/t0.0431.151.672.1829.73-2.250.1431.071.722.1329.77-5.520.2430.991.772.0729.81-7.540.3430.901.822.0129.85-10.390.4430.811.881.9629.90-13.27通过对船舶和单桩在不同纵倾工况下运输船锚缆拉力汇总，锚缆拉力并没有特别明显的变化，将单桩、胎架、运输船看作一个系统整体，则系泊力为系统外力，单桩与胎架、运输船之间力为系统内力，但由于单桩惯性力的存在，以及胎架和运输船甲板结构相当于减震缓冲，波浪力就是驱动这个系泊不断运动的外力。在单桩和胎架无明显滑动的工况下，给单桩的水平方向力传递给胎架和船舶后，单桩受到的支持力和摩擦力保持平衡状态。4 计算结果对比根据海洋石油工程设计指南 第 8 册 安装设计5中关于海上运输过程中货物由于惯性和自重受到的纵向力和横向力及垂向力的计算公式为1）横向力为。2）纵向力为。3）横摇造成的竖向力为。4）纵摇造成的竖向力为。对比模拟计算中的单桩受力和经验公式计算结果如表 6 所示。表 6 不同纵倾条件下模拟计算与经验公式结果对比横摇/（）纵倾/（）X 方向模拟结果/t公式计算的纵向力/tY 方向的模拟结果/t公式计算的横向力/tZ 方向的模拟结果/t公式计算的垂向力/t 20.042.251.6994.3584.691 621.13 1 931.1820.145.525.9394.3684.691 621.65 1 932.1420.247.5410.1694.3684.691 622.09 1 933.0920.3410.3914.494.3684.691 622.45 1 934.0420.4413.2718.6494.3384.691 622.74 1 934.982012.5/526.08/833.46/2 005.37对比两种计算方式可以发现海洋石油工程设计指南 第 8 册 安装设计计算结果都高于模拟计算结果，针对海工手册中要求校核的横摇 20 纵倾 12.5 运输工况条件，计算结果远远偏离模拟计算结果，如果作为简单校核的标准，海洋石油工程设计指南 第 8 册 安装设计非常保守，完全涵盖单桩运输危险工况条件。5 结束语本文从环境力方向、环境力大小、船舶和单桩横摇、纵倾、锚缆拉力以及单桩总体受力几个方面，对运输船运输单桩的航行及系泊模型进行了计算分析，又结合海洋石油工程设计指南 第 8 册 安装设计关于海上运输的内容作业针对性的比对，模拟计算结果和经验公式基本符合，后续施工为了降低风险保证运输航行工况的安全，可以选择经验公式进行运输海绑校核。6 参考文献1 闫明辉.基于 MOSES 的阳西沙扒海上风电场施工船舶系泊分析 J.智能城市,2019,5(19):172-173.2 张梦帝.浅谈海上风电坐底式稳桩架单桩基础沉桩施工工艺 J.科技创新与生产力,2022(9):61-63.3 刘晋超.海上大直径单桩基础沉桩施工关键技术研究 J.南方能源建设,2022,9(1):47-51.4 宋云峰,王小合,逯鹏,等.海上风电场单桩基础施工关键技术研究 J.工程技术研究,2021,6(23):24-26.5 郭祥,刘超,陈文娅,等.海洋石油工程一体化建造模式 J.城市建设理论研究(电子版),2017(21):41-42.