潮流能发电平台悬臂式靠泊系统结构设计

廖君

(上海勘测设计研究院有限公司 200335)

引言

海洋潮流能开发是应对全球气候环境变化的重要举措，也是我国发展清洁能源的重大战略方针，意义深远。目前，有关海上平台结构承受风、海流、波浪等海洋环境荷载作用的研究成果丰硕，靠泊系统作为海上平台重要的附属设施，有关该类结构的研究却鲜有发表。本文针对某海上潮流能发电平台靠泊系统，从方案选型、运维船舶撞击力分析及在波浪荷载作用下的疲劳计算三个方面展开论述，为相关平台靠泊系统结构设计提供重要参考。

1 工程概况

该潮流能示范工程位于舟山市普陀区普陀山岛与葫芦岛之间水域，工程场区海床面高程为-30.50m(85 高程，下同)。本场区地震基本烈度Ⅶ度，场地类别为 I1类，设计地震分组为第一组，场地特征周期0.25s。该发电平台由水下重力式基础、单立柱主管(直径3.50m)、上部平台(平台首层梁顶高程13.00m)组成。选定的潮流能发电机组转轮直径 19.00m，轮毂安装高程-14.70m，如图1所示。机组在离轴位置发生偏航事故时，能在主立柱的任意位置提升和旋转，以方便维护和检修。

图1 潮流能平台示意Fig.1 Schematic diagram of tidal current energy platform

2 靠泊方案选择及结构模型建立

考虑到后期潮流能机组的维护与检修，沿着主立柱侧面布置靠泊爬梯方案不适用于本工程。因此考虑在远离主立柱的地方设置单独的靠泊系统结构，采用如下三种方案：a.自由悬挂，b.全长到基础底，c.套管支撑，如图2所示。

图2 靠泊管方案Fig.2 Access tube options

进行靠泊结构设计时应着重计算靠泊系统的固有频率，避免靠泊系统在外界激励作用下发生共振。根据水文实测报告，机组所处水域波浪能量的频率分布范围主要在0.07Hz～0.40Hz 之间。三种方案中全长至基础底的靠泊管方案b，采用直径为1.0m、厚度为40mm 的全长靠泊管，经过计算分析其固有频率为0.51Hz。这会导致在波浪荷载下有相当大的振动，大大减小了该方案结构的疲劳寿命。套管支撑方案c 类似于方案b，其主要区别是靠泊管被支撑在潮流能机组操作位置下方与主柱连接的结构支撑构件上。由于靠泊管长度的减小，其固有频率提高到了0.88Hz，但波浪荷载作用下的振动问题依然存在。

经过方案对比分析，推荐靠泊方案采用悬挂于顶部平台下方的管桁架方案a。在靠泊桁架两侧设置支撑桁架，用于提高靠泊管桁架的强度和刚度，具体做法见图3。

采用通用有限元软件SAP2000 进行结构整体建模及分析(图4a)。靠泊桁架轴线间距为1.2m×1.2m，弦杆采用d245mm×15mm 钢管，腹杆采用d140mm×13mm 钢管；侧向支撑桁架轴线间距为1.20m×1.13m，弦杆采用d162mm×10mm钢管，腹杆采用d89mm×8mm 钢管。该项目钢结构材料均采用Q355 钢。

图3 推荐靠泊设计方案Fig.3 Recommended design scheme of mooring system

若采用靠泊结构与上部平台分开建模计算，将管桁架与上部平台连接节点强制设置为固定支座约束，则增加了靠泊系统结构的刚度，不利于结构安全。为了实现靠泊结构与上部平台梁的刚性连接，考虑上部平台梁变形对靠泊系统结构刚度的影响，将靠泊桁架顶端节点200～203 与上部平台节点4(图4b)设置成刚体束缚[1]，侧向支撑桁架采用类似方法，从而实现了靠泊结构与上部平台整体建模分析。

图4 结构计算分析模型Fig.4 Structural analysis model

3 靠泊系统结构分析

为保证靠泊结构稳定安全，分别对其进行模态分析、静力分析、船舶撞击力分析和疲劳分析。

3.1 模态分析

模态分析主要是对靠泊系统的振动特性进行分析，以获得结构的固有频率和阵型。靠泊系统在工作过程中，由于受到波浪荷载周期性的作用而产生振动，可导致结构的疲劳破坏。因此对靠泊系统进行模态分析，获得结构的振动特性，将这些特征值作为结构设计的参数，进一步修正设计，以尽量减小不利振动的影响。经计算，靠泊结构前三阶振动频率分别为3.03Hz、3.23Hz、5.09Hz(振动模态见图5)。本工程海域波浪能量的频率主要分布范围在0.07Hz～0.40Hz 之间。参考海洋平台设计经验，靠泊系统固有频率与波浪激振频率相差较大，能有效避开波浪的主要频率范围，靠泊系统运行时不会与波浪荷载发生共振。

图5 结构振动模态Fig.5 Structural vibration mode

3.2 船舶靠泊静载荷计算

船舶与靠泊结构碰撞时，在碰撞接触物体之间产生动态的碰撞力，并同时发生接触结构的摩擦、挤压、屈曲、大塑性变形及至结构断裂。船舶撞击力的确定是防撞设计的基础。由于船舶与靠泊系统的碰撞过程十分复杂，与碰撞时的环境、船舶特性、靠泊结构及驾驶员的反应时间等因素有关，要确定船舶对靠泊结构的撞击力非常困难[2]。本文运用经验公式，按《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)计算，合理确定船舶撞击力[3]。

船舶靠泊时的有效撞击能量按下式计算：

护舷和靠泊结构由于船舶的撞击产生变形，变形能与有效撞击能量相等，则有：

式中：k1、k2为靠泊结构、护舷的弹性系数(kN/m)，分别取 9800kN/m 和 892kN/m；y1、y2为靠泊管、护舷的变形(m)；E0为船舶变形后，被靠泊结构和护舷吸收的能量(kJ)；H为船舶的撞击力(kN)；ρ为有效动能系数，取 0.7～ 0.8，此处按0.8 考虑；M为船舶质量(t)，按满载排水量计算；Vn为船舶撞击的法向速度(m/s)。

本工程靠泊系统按满足10t 排水量运维船舶以3.86m/s(表层设计最大流速)的速度靠泊的要求设计，经计算船舶撞击力为312kN。船舶撞击力可能集中作用于右侧主弦管(图6a)、集中作用于左侧主弦管(图6b)或均匀作用于两侧主弦管(图6c)。靠泊管强度计算时，采用的荷载组合为1.2D(恒载) +1.4L(船舶撞击荷载)；变形计算时，采用的荷载组合为1.0D(恒载) +1.0L(船舶撞击荷载)。

图6 船舶撞击力作用Fig.6 Ship impact force

在静荷载作用下，靠泊桁架杆件应力比及变形见图7。在侧向支撑桁架支撑点处的杆件内力最大，其最大轴力为 1365kN，对应弯矩为52kN·m，杆件最大应力比0.87，悬臂尾端最大水平位移 89.5mm。参考《钢结构设计标准》(GB50017-2017)[4]的要求：杆件允许应力比为1.0，悬臂端容许扰度值为L/125(L为悬臂跨度，靠泊桁架悬臂跨度约11.50m，容许扰度值为92.0mm)。结构在靠泊静荷载作用下的强度和刚度满足规范要求。

图7 船舶撞击力作用效应Fig.7 Effect of ship impact force

3.3 船舶靠泊动载荷计算

参考挪威船级社标准 DNVGL- RP- C204《Design against accidental loads》2017 版本的规定[5]，对于船只意外撞击，应假设碰撞速度为2m/s，对于 10t 级船舶和外径为 245mm、厚度为15mm 的主弦管，需在0.16s 的时间段内施加250kN 的力，其冲击荷载系数时程曲线如图8所示。

图8 冲击荷载系数时程曲线Fig.8 Time-history curve of impact loading

在冲击荷载作用下，节点127(船舶静载荷作用下位移最大的点)的位移时程曲线如图9a 所示，其最大位移83.3mm 发生在碰撞发生的时刻；杆件350(静载荷作用下轴力最大的杆件)的轴力时程曲线如图9b 所示，最大轴力1267kN。冲击荷载的大小约为静载荷的250/312＝0.80倍，但在冲击载荷作用下结构位移和内力约为前者的0.93 倍。在冲击载荷作用下，结构的强度和刚度也满足《钢结构设计标准》(GB50017-2017)要求。

图9 冲击动荷载作用效应Fig.9 Effect of impact dynamic load

3.4 疲劳分析

靠泊管桁架在节点处存在较高的应力集中情况，在波浪、海流等循环往复荷载作用下，管节点处的应力集中现象影响到节点的疲劳强度。对于管节点的疲劳强度分析，美国石油协会API RP 2A-WSD 规范提供了一种简化疲劳分析方法[6]，其规定一个管节点的许用应力标准值，使得结构中的管节点在疲劳设计波浪下的热点应力峰值不超过许用应力峰值。该方法适用于自振周期小于3s 的海洋结构物。利用简化疲劳方法，可以快速评估海洋结构物的疲劳特性，提高设计效率[7]。

本工程设计使用年限为25年，参考API RP 2A-WSD 规范，设计疲劳寿命应至少是结构使用寿命的2 倍(即安全系数＝2.0)，故本工程疲劳设计寿命为：2×25年(使用年限) +2×1年(建造安装年限)＝52年。疲劳分析采用海洋工程结构软件SACS 进行计算，靠泊结构疲劳计算模型如图10a 所示，管桁架与上部平台连接节点处设置为固定支座。对于简化疲劳分析，设计水深采用平均海平面水深30.5m，应用100年重现期极端波浪(浪高Hmax＝8.38m，周期T＝6.90s)作用于结构上(不包括风、流和自重影响)，考虑8 个方向荷载作用(4 个平行轴线方向和4 个对角线方向)。在波浪载荷作用下，杆件应力如图10b 所示。

图10 疲劳计算模型及计算结果Fig.10 Fatigue calculation modal and results

允许峰值热点应力Sp由SACS自动计算，结果分别为：171.74N/mm2(水线杆件) 和197.17N/mm2(其他杆件)。

根据该规范，节点处的最大热点应力应由公式(4)计算：

式中：SR为节点在交变荷载作用下最大热点应力；fax为杆端的名义轴向应力；fipb为杆端的平面内弯曲应力；fopb为杆端的平面外弯曲应力；SCFax为弦杆和撑杆侧的轴向应力的应力集中系数； SCFipb为弦杆和撑杆侧的平面内弯曲应力的应力集中系数； SCFopb为弦杆和撑杆侧的平面外弯曲应力的应力集中系数。

根据计算结果，靠泊桁架最危险节点的应力为130.53N/mm2，该节点处于侧向支撑桁架与主桁架连接处。节点最大热点应力与允许的峰值热点应力比值为130.53/197.17＝0.66，该管节点具有较强的抵抗交变波浪荷载的能力，满足疲劳设计要求。

4 结语

本文参考国外石油行业的标准和海上风电行业的标准，对某潮流能发电海洋平台靠泊系统结构从靠泊方案选型、船舶撞击力分析及波浪荷载作用下的疲劳计算三方面进行了介绍，得出对于海洋平台大跨悬臂式靠泊系统，采用带侧向支撑点的空间桁架结构是比较适用的。通过合理的结构布置，其强度、刚度能满足运维船舶撞击的要求，在长期的波浪、水流等交变荷载作用下，其结构的疲劳寿命也能超过结构设计使用年限。本文的设计思路及方法可供类似工程参考。