周炳煥

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海201203）

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，人們對生活質(zhì)量的追求日益提高，對能源的需求日益增多，全球可用化石能源（如煤炭和石油等生物能源）的儲存量日益減少，在此背景下，世界能源署進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源轉(zhuǎn)型。2016 年10 月，聯(lián)合國《巴黎協(xié)定》關(guān)于氣候變化達(dá)成的協(xié)議生效，再次證明了國際社會就氣候變化對綠色地球采取行動的緊迫性。由此，推進(jìn)新型可再生清潔能源的開發(fā)和利用迫在眉睫。在以太陽能、風(fēng)能和潮汐能為主的可再生能源中，風(fēng)能具有儲量大、分布廣泛的特點(diǎn)，是能有效減少溫室氣體排放的能源，在可再生能源中占據(jù)著重要地位［1］。

2020年9 月，挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）發(fā)布了《能源轉(zhuǎn)型前景展望》［2］，指出當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型的節(jié)奏正在加快，可再生能源與化石能源在能源結(jié)構(gòu)中所占份額將相差無幾，目前分別約為20%和80%，到世紀(jì)中葉，電力在終端能源結(jié)構(gòu)中的占比有望翻倍，其中風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電將各占31%，浮式海上風(fēng)電的比例將迅速增長。DNV 預(yù)測，到2050 年，浮式海上風(fēng)電將成為新的大型產(chǎn)業(yè)，裝機(jī)容量將達(dá)到250 GW。

海上風(fēng)電是我國能源戰(zhàn)略中的重要一環(huán)，國家能源局“十三五”規(guī)劃要求大力發(fā)展新能源，優(yōu)化調(diào)整開發(fā)布局，按“集中開發(fā)與分散開發(fā)并舉，就近消納為主”的原則優(yōu)化風(fēng)電布局，使海上風(fēng)電項(xiàng)目開工規(guī)模達(dá)到10 GW，市場前景廣闊。同時(shí)，國內(nèi)海上風(fēng)電安裝設(shè)備短缺，嚴(yán)重制約著海上風(fēng)電建設(shè)發(fā)展的速度。為此，很多企業(yè)都在嘗試采取舊船改造與現(xiàn)有船舶轉(zhuǎn)級等各項(xiàng)措施并舉的方式［3］，適應(yīng)國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展的市場需求。

在眾多風(fēng)電安裝海洋裝備中，坐底式風(fēng)電安裝平臺具有能降低環(huán)境載荷對施工作業(yè)的影響、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、縮短海上作業(yè)周期、最大程度地滿足吊機(jī)的作業(yè)需求和控制施工成本等優(yōu)勢，具有良好的市場應(yīng)用前景。坐底式風(fēng)電安裝平臺通過打壓載水調(diào)節(jié)自重，使船體緩慢下沉至海底與泥面接觸［4］，利用海底支撐力保持船體平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)安裝的功能。

然而，坐底式風(fēng)電安裝平臺的坐底工況不同于漂浮作業(yè)工況，由于坐底處的淺層地基不穩(wěn)定，平臺底部接觸區(qū)域的泥沙會隨海流的沖刷被帶走，導(dǎo)致平臺底部的部分支撐區(qū)域被掏空，使平臺處于中拱、中垂或懸臂梁狀態(tài)，進(jìn)而使平臺中部結(jié)構(gòu)失效，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生斷裂失效。文獻(xiàn)［5］介紹了風(fēng)電安裝平臺的沖刷模型及其在不同配載工況下的沖刷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；文獻(xiàn)［6］闡述了坐底式海洋平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估的流程和注意事項(xiàng)；文獻(xiàn)［7］說明了平臺坐底沖刷結(jié)構(gòu)失效之前對穩(wěn)性的要求。這些研究均未涉及結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)的極限承載面積，為避免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，本文以“泓邦號”風(fēng)電安裝平臺為例，對其在不同吃水和不同沖刷位置情況下的坐底沖刷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析評估，并給出不同沖刷工況下的極限沖刷面積，為平臺實(shí)際作業(yè)的開展提供參考。

1 總體概述

“泓邦號”風(fēng)電安裝平臺是具有800 t全回轉(zhuǎn)起吊能力的鋼制、單體、單底、平甲板風(fēng)機(jī)安裝平臺。為適應(yīng)復(fù)雜海況下的作業(yè)需要，沿原船船長方向，在61 ～152 號肋位設(shè)置上下貫通的總縱艙壁，保證平臺結(jié)構(gòu)的縱向連續(xù)性和平臺總縱強(qiáng)度的安全性。

1.1 風(fēng)電安裝平臺主尺度

該風(fēng)電安裝平臺主要參數(shù)見表1。

表1 “泓邦號”風(fēng)電安裝平臺主要參數(shù)

1.2 風(fēng)電安裝平臺工作環(huán)境載荷參數(shù)

該風(fēng)電安裝平臺工作環(huán)境載荷參數(shù)見表2。

表2 工作環(huán)境載荷參數(shù)

2 平臺坐底時(shí)的抗傾穩(wěn)性和抗滑移穩(wěn)性

該風(fēng)電安裝平臺在坐底作業(yè)工況下遭受由環(huán)境載荷（風(fēng)、浪、流）耦合產(chǎn)生的水平力和力矩，評估平臺坐底沖刷強(qiáng)度的前提是避免平臺發(fā)生傾覆和滑移，因此平臺的坐底穩(wěn)性需先滿足規(guī)范的要求。根據(jù)中國船級社（China Classification Society，CCS）《海上移動平臺入級規(guī)范》［8］第三篇第2 章第5 節(jié)的要求計(jì)算平臺坐底時(shí)的抗傾穩(wěn)性和抗滑移穩(wěn)性，選取平臺坐底時(shí)舷外4 種典型吃水（分別為5.5 m、7.5 m、9.5 m和6.0 m（風(fēng)暴自存））進(jìn)行分析，計(jì)算配載見表3 和表4。

表4 坐底工況下平臺抗滑移穩(wěn)性計(jì)算配載

3 風(fēng)電安裝平臺坐底工況下的結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的形式和受力特點(diǎn)，采用FEMAP 軟件建立有限元分析模型。該模型采用板殼單元、梁單元和桿單元等進(jìn)行適當(dāng)組合，將平臺主體結(jié)構(gòu)模擬為空間板殼與梁的組合結(jié)構(gòu)。由于重點(diǎn)關(guān)注平臺在坐底沖刷工況下的主體結(jié)構(gòu)，以此除了平臺主體結(jié)構(gòu)之外，直升機(jī)平臺、生活樓和吊機(jī)等結(jié)構(gòu)采用多點(diǎn)約束單元等效模擬。

在該計(jì)算模型中，以平臺艉封板為0 號肋位，以中縱剖面與艉封板相交于平臺平底龍骨平面的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，指向平臺艏部為x 軸正向，指向左舷為y 軸正向，向上為z 軸正向。模型共包含90 573個(gè)節(jié)點(diǎn)，96 760 個(gè)板殼單元、32 622 個(gè)梁單元和46 344 個(gè)偏心梁單元。該風(fēng)電安裝平臺整體有限元模型見圖1。

圖1 風(fēng)電安裝平臺整體有限元模型

3.2 邊界約束

3.2.1 邊界約束

在坐底工況下，平臺底部接觸地基土體的垂向位移約束為彈性約束，彈性基礎(chǔ)的剛度系數(shù)k按海底的地基條件確定，F(xiàn)EMAP程序中的彈簧接地單元可對地基進(jìn)行模擬處理。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，坐底遭受沖刷的面積喪失率可按20%計(jì)算。在本文的分析中，以面積喪失20%為起點(diǎn)，搜索各種工況下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的臨界面積喪失率。

3.2.2 平臺底部沖刷面積喪失率

根據(jù)定性分析和背景約定，在對該平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)模擬時(shí)，需考慮的基本工況（起重吊的回轉(zhuǎn)角度耦合環(huán)境載荷方向）較多。本文首先設(shè)定起重機(jī)起吊重物的質(zhì)量為800 t，吊重方向與環(huán)境載荷方向一致的極端工況，以及平臺艏部底部被掏空、平臺中部底部被掏空、平臺艉部底部被掏空、平臺兩側(cè)底部被掏空、平臺左舷底部被掏空和平臺艏部來流方向30°底部被掏空等工況（圖2 ～圖4 僅展示平臺艏部、中部和兩側(cè)被掏空的位置），分析評估該平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2 平臺艏部被掏空示意圖

圖3 平臺中部被掏空示意圖

圖4 平臺兩側(cè)被掏空示意圖

3.3 載荷施加

風(fēng)電安裝平臺在坐底工況下承受的載荷主要包括固定載荷、可變載荷和環(huán)境（風(fēng)、浪、流）載荷。

1）固定載荷：主要包含平臺自身重量、設(shè)備載荷和全回轉(zhuǎn)吊自身重量。

2）可變載荷：工況不同，可變載荷也不相同，主要包括甲板可變載荷、吊物重量和壓載水等。

3）環(huán)境載荷：包括浪流載荷，其作用方向?yàn)榭v向（0°／180°）和橫向（90°）。

4 風(fēng)電平臺坐底工況下的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

4.1 面積喪失率規(guī)范要求

設(shè)定4 種典型配載和平臺底部沖刷掏空的組合工況，首先根據(jù)規(guī)范的要求，假定平臺坐底時(shí)底部被掏空20%的承載面積，在吊機(jī)回轉(zhuǎn)角度與浪流方向一致的工況下，平臺主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5可知：在本文設(shè)定的計(jì)算工況和輸入條件下，平臺主體區(qū)域普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力極值符合規(guī)范要求的強(qiáng)度衡準(zhǔn)；通過比較4種吃水、兩側(cè)掏空工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于艉部吊機(jī)和吊物的重心位置靠近中縱剖面，平臺艏部重心位置也靠近中縱剖面，故假定平臺底部兩側(cè)同時(shí)發(fā)生沖刷掏空時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果并不能客觀地反映結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的承載能力，因此在該工況下分析評估平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度意義并不是很大。

表5 坐底工況下底部掏空20%承載面積時(shí)的平臺主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2 面積喪失率極限值

由上述4 種底部沖刷配載工況下的計(jì)算結(jié)果可知，平臺兩側(cè)同時(shí)發(fā)生沖刷情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估可暫時(shí)不考慮，在不同吃水工況下，可增加左側(cè)掏空、右側(cè)支撐平臺主體和艏部環(huán)境載荷30°的傾斜掏空工況，平臺主體結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限掏空面積時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度見表6。

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

不同吃水工況下的風(fēng)電安裝平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖見圖5 ～圖7，其他作業(yè)工況下的風(fēng)電安裝平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖不在此贅述。

圖5 吃水7.5 m、艉部面積掏空36%工況下的平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖6 吃水9.5 m、舷側(cè)面積掏空40%工況下的平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖7 吃水6 m、艏部面積掏空25%工況下的平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

4.4 結(jié)果比較

由表6 可知：當(dāng)該風(fēng)電安裝平臺遭遇表4所示的環(huán)境載荷時(shí)，在吃水為5.5 m、7.5 m 和9.5 m 的情況下，艏部極限掏空面積可達(dá)到32%，中部極限掏空面積可達(dá)到50%，左側(cè)掏空極限面積可達(dá)到40%左右，艏部風(fēng)浪流作用30°方向的極限掏空面積可達(dá)25%；在吃水為6 m（風(fēng)暴自存）的情況下，艏部極限掏空面積可達(dá)底部總承載面積的25%和艉部極限掏空面積的21%，二者均小于正常工作環(huán)境載荷下的極限掏空面積。風(fēng)電安裝平臺坐底承載極限掏空面積率匯總見表7。由此可推斷，隨著風(fēng)浪流等環(huán)境因素的改變，當(dāng)平臺底部被掏空到一定程度造成其主體因無法承受自重和配載而彎曲時(shí)，平臺很快達(dá)到損傷和破壞狀態(tài)。

表7 風(fēng)電安裝平臺坐底承載極限掏空面積率匯總

5 結(jié) 語

坐底式風(fēng)電安裝平臺因具有操作簡便和成本低的優(yōu)點(diǎn)而備受市場歡迎，但其在坐底工況下對配載和土質(zhì)的要求很高。本文根據(jù)CCS規(guī)范的要求，在沖刷面積喪失為20%的情況下對不同吃水、不同掏空位置工況下的平臺主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了評估分析，結(jié)果均滿足規(guī)范的要求。此外，通過定性和定量分析獲得了不同沖刷掏空位置的極限面積喪失率，從而能保證平臺安全作業(yè)，為實(shí)際操船作業(yè)的開展提供參考。