海上风电单桩稳桩平台的结构设计与安全性评估

何韶东，张显雄，何海群，胡振伟，邱 屿，陈明胜*

(1.保利长大工程有限公司 中山分公司，广东 中山 528400；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

我国拥有发展海上风电的天然优势，可利用海域面积300多万km2，海上风能资源丰富。据统计，我国5～25 m水深线以内近海区域、海平面以上50 m高度内，风电可装机容量约2亿kW[1]。自2017年起，中国海上风电装机量迅速增加。全球风能理事会(GWEC)发布的《2017年全球风电报告》[2]显示：截至2017年底，中国以新增装机容量约116.4万kW、累计装机容量约278.8万kW位列世界第三；2018年，中国海上风电新增装机436台，新增装机容量约165.5万kW，同比增长42.7%，累计装机容量约444.5万kW[3]；2019年，中国海上风电新增装机容量约239.5万kW，同比增长44.7%；截至2019年底，中国以累计装机容量约683.8万kW位列世界第三。可见，在节能减排、能源短缺、能源供应安全形势日趋严峻的大形势下，海上风电作为典型清洁能源越来越受到重视[4]。

随着海上风电迅速发展，海上风机基础型式也在不断推陈出新，固定式海上风机基础结构型式主要有重力式、单桩、高桩承台、三脚桩、导管架和负压桶等[5]。其中，单桩基础结构是目前主流的海上风电基础结构型式[6-7]。由于单桩基础安装质量要求高，国内采用工艺辅助桩稳桩平台的方法解决超大型单桩基础的沉桩技术[8-9]。稳桩平台的作用除了支撑平台的全部质量以外，还要经受风、浪、流等环境载荷的作用[10]。与陆地结构相比，其所处的海洋环境十分复杂和恶劣，易受碰撞、火灾爆炸、落物等诸多不利因素的影响，影响平台服役的安全性和耐久性，致使各种海损、海难事故不断发生。这些灾难的发生，不仅造成巨大的经济损失和人员伤亡，而且带来严重的社会影响，并给海洋环境造成严重的海洋污染。因此，稳桩平台结构的强度及稳定性对平台安全较为重要，特别是在极端海况条件下，稳桩平台结构的稳定性和结构的安全性更值得研究。

为此，根据海上风机基础的打桩作业要求，设计一种大直径单桩稳桩平台(简称“稳桩平台”)，用于桩基础的定位、导向和沉桩。稳桩平台自带发供电系统及控制系统，可独立于辅助作业船舶施工。所设计的稳桩平台具备工程桩的沉桩作业及桩身垂直度的调节功能，用途广泛，且拥有打桩能力。该平台可满足在作业天气下受海洋风、浪、流影响下的施工需求以及极端海况下的安全使用。

1 稳桩平台基本情况

1.1 方案设计

稳桩平台是为海上风电场打桩作业而设计的钢管桩下沉专用导向装置。如图1所示，稳桩平台主要由上层平台、导管、抱桩导管架、辅助桩、防沉板等组成。稳桩平台具备如下功能：(1)工程桩的沉桩作业及桩身垂直度的调节功能；(2)平台满足在可作业天气下受海洋风、浪、流影响下的施工需求；(3)拥有3～5 m大直径桩的打桩能力；(4)用途广泛，能对3桩/4桩风机基础进行打桩施工作业。

图1 稳桩平台结构设计方案

1.2 作业环境

稳桩平台作业位于近海海域，作业水深为27～32 m，最大浪、流速为2.5 m/s，最大工作风速为13.8 m/s，非工作最大风速6级以上。按照《海上移动平台入级与建造规范2016》[11](简称《规范》)，计算工况包括船侧支架支撑工况、打桩作业工况、遭遇台风工况以及拖航工况。根据稳桩平台实际工作状态，所需校核工况如表1所示。

表1 稳桩平台实际工作状态校核工况

工况1考虑稳桩平台刚放入海中，因其未打入辅助桩，处于最易滑移状态，主要校核其抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性；工况2考虑稳桩平台刚放入海中，打入辅助桩，校核平台结构强度以及稳定性，并且与工况1进行对比，突出辅助桩作用；工况3和工况4校核稳桩平台在极限海况下迁移和正常工作下的强度和稳定性。

2 稳桩平台强度分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS软件进行稳桩平台强度校核。平台使用Q355B钢，弹性模量E为2.06×105MPa，泊松比v为0.3，质量密度ρ为7.85×10-9t/mm3。模型主要采用壳单元Shell 181、管单元Pipe 59、梁单元Beam 188和三维非线性弹簧单元Combin 39进行模拟。其中，辅助桩和平台板结构采用Shell 181单元，同时在辅助桩中心建立Pipe 59单元，用以计算波浪及海流的作用。通过迎浪方向与Shell 181节点耦合施加波浪载荷；水上部分梁式结构采用Beam 188单元，通过节点力的形式施加风载荷；辅助桩与土之间的相互作用通过建立Combin 39单元模拟，Combin 39单元的实常数通过土层的P-y曲线得到。

不同土层相关参数如表2所示，其中：0～4 m土层为软黏土，对应土层有效容重为6.7 kN/m3，不排水抗剪强度Cu为10.9 kPa。根据《规范》得到黏土与沙土的P-y曲线。将不同深度下的土壤P-y曲线数据转换为Combin 39单元的实常数参数，从而模拟桩与土的相互作用。桩土相互作用的P-y曲线法模拟如图2所示。

表2 不同土层的相关参数

图2 桩土相互作用的P-y曲线法模拟

2.2 载荷与边界

2.2.1 风载荷

根据《规范》，风压P和作用于构件上的风力F的计算公式为

P=0.612v2

(1)

F=ChCsAiP

(2)

式(1)和式(2)中：v为设计风速；Ch为曝露在风中构件的高度系数；Cs为曝露在风中构件的形状系数；Ai为受风构件的正投影面积。

2.2.2 波浪和流载荷

单根桩腿单位长度所受的波浪载荷按Morison公式计算：

FB=FD+FI

(3)

式中：FB为小尺度构件垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力；FD为拖曳力；FI为惯性力。

式(3)中，FD和FI分别为

(4)

(5)

CD和CM为经验因数，对于圆形构件，可取CD=0.6～1.2，CM=1.3～2.0，且许用因数值不小于上述范围的下限值[11]。

当只考虑海流作用时，作用在平台水下部分构件的流载荷按下式计算：

(6)

式中：vL为设计流速。

在有限元分析中，波浪和流载荷通过Pipe 59单元定义材料属性中的Watertable(水位表)：选择Stokes 5阶波理论，输入海水密度、海水深度、波高、周期、海流表层和中层及底层流速、波流入射角及相位角，便可利用ANSYS软件Morison公式自动计算波浪、流载荷，考虑最危险工况——波浪和流载荷方向相同，并通过耦合Pipe 59单元节点和辅助桩Shell 181单元节点的6个方向自由度将波流力传递给辅助桩。Pipe 59单元是一种可承受拉、压、弯作用,并能够模拟海洋波浪和水流的单轴单元。单元的每个节点有6个自由度，即沿x、y、z方向的线位移及绕x、y、z轴的角位移。

2.2.3 边界条件

对辅助桩底部节点和弹簧单元节点施加固定约束。

2.3 强度校核

2.3.1 《规范》许用

根据《规范》，参与结构分析的平台主体框架的结构构件应按如下规定确定其许用应力值[σ]：

[σ]=σs/S

(7)

式中：σs为材料的屈服强度；S为安全因数，轴向或弯曲应力取值为1.25，剪切应力下取值为1.88。

工况校核具体数值要求如表3所示。

表3 工况校核具体数值要求

2.3.2 校核结果

图3给出极端海况下稳桩平台正常工作，打入辅助桩工况(工况4)下稳桩平台的相当应力及位移结果。平台最大von Mises应力为80.58 MPa，最大位移为37.31 mm，位于抱桩器前缘；辅助桩的最大轴向应力为-84.35 MPa，位于辅助桩底部：均满足《规范》要求的许用值284 MPa。

图3 工况4稳桩平台的强度校核

3 稳桩平台稳定性分析

3.1 抗倾覆稳定性

根据《规范》，抗倾覆稳定性由抗倾覆安全因数SFOS-OT表示：

(8)

式中：Fz为平台自重；d为重心至倾覆点水平距离；M0为外力弯矩。

M0可用下式计算：

M0=Fwhw+F1h1+F2h2+F3h3+F4h4

(9)

式中：Fw为风力；hw为力臂；F1、F2、F3、F4分别为4根桩腿受到的水平外力；h1、h2、h3、h4分别为4根桩腿受到的水平力力臂。

稳桩平台整体稳定性校核结果如表4所示。

表4 稳桩平台整体稳定性校核结果

3.2 抗滑移稳定性

导管架在海床上是否移动主要看自身受到的水平力Fh与防沉板、泥面之间的最小抗剪力FH的比值。抗滑移稳定性由抗滑移安全因数SFOS-SD[10]表示：

(10)

(11)

式中：为保守计算，砂土c′取值为0；As为防沉板面积；Q为防沉板所受压力，Q=quAs，其中qu为海床能承受的极限压应力,qu=23.49SrB，Sr为形状因子，B为防沉板宽度；φ为土壤的内摩擦角，可根据实际的土壤类型获得(见表2)。

工况1和工况3未打入辅助桩，为最易滑移状态。根据有限元计算，可得工况1平台抗滑移安全因数为20.7，工况3抗滑移安全因数为9.1，均大于《规范》规定的1.5，平台的抗滑移稳定性满足要求。

3.3 辅助桩稳定性

3.4 辅助桩压弯强度

根据《规范》，对于同时承受轴向压缩和弯矩组合作用的构件，其整体稳定性计算如下：

(12)

(13)

所有桩腿均为圆管，式(12)可简化为

(14)

根据有限元分析结果校核辅助桩压弯强度，如表5所示。

表5 辅助桩压弯强度校核

4 结 论

所设计的海上风电大直径单桩稳桩平台具备工程桩的沉桩作业及桩身垂直度的调节功能，用途广泛，拥有大直径桩打桩能力。根据《规范》，对稳桩平台从入水到拖航过程中的4个较危险工况进行校核。根据校核结果，4种工况的平台强度及稳定性均满足《规范》要求。其中：工况3未打入辅助桩，易产生整体滑移，根据计算结果，稳桩平台结构抗滑移安全；工况2为正常工作状况(打入辅助桩后)，平台的抗倾覆稳定性安全因数为30.30，相较于工况1提升28.6%；工况4为极端海况，单根辅助桩所受的压应力最大，达-59.23 MPa，同时抗倾覆安全因数下降为11.1，说明极端海况对平台的稳定性影响较大。