2023, Vol. 45
海上风电安装平台作为开发海上风电的关键装备，工作环境较为恶劣，除了受到平台自身重量的影响外，还受到风、浪、流等环境载荷的影响。因此，在海上风电安装平台设计过程中对其整体结构强度的计算非常必要，尤其是对承受较高应力的桩腿、桩靴等关键部位的分析。单个海上风电安装平台通常需要配备多根桩腿，承受内部载荷，为安装平台的稳定性提供保障。在海上风机安装过程中，桩腿在泥土中插入一定深度，避免风机安装过程中平台的移动或失稳。桩靴安装在桩腿端部，直接与地基接触，是主要受力结构之一，作为支撑在桩腿与海底之间的基础起到固定安装平台的作用。
目前，国内外对于风电安装平台研究发展已经取得了一定的进展[1-4]，特别是风电安装平台的稳定性研究，仇明等[5]设计了一种插桩深度可调的新型三支架型结构桩靴，提高了风电安装平台桩腿的站立稳定性。夏侯命胜等[6]进行了桩靴桩腿连接区域结构设计及插销孔的强度分析等研究，得出了适用于柱形桩腿设计和强度分析的工程化方法。唐炎彬[7]研究不同桩靴结构形式对海洋平台拔桩的影响，得出了不同桩靴结构形式在拔桩过程中的特性，并对圆形桩靴结构进行了结构优化设计。汪峥[8]分析了桩靴的入土深度与拔桩力对桩靴结构的影响，得出了最优桩靴尺寸。未来海上风电安装平台将向着提高使用水深，提高主吊载能力、增大主甲板可利用面积、增强主甲板承载能力等方向发展。在深海水域进行安装作业，桩靴入泥深度增大，由于对海底泥土的挤压，导致临近导管架桩基受到的挤压力和变形增大。在粉砂质地海域中，考虑到泥沙对桩腿和桩靴的冲刷，设计时采用减小桩靴尺寸和增大入泥深度的方法。但是，在风机安装完成后，桩腿需要从泥土中拔出，较大的入泥深度也会增大拔桩难度。此外，传统结构桩靴底部不均匀地受压会导致局部承受较大载荷，出现应力集中，可能发生局部破坏。
本文针对某自升自航一体式海上风电安装平台，设计3种桁架式方型桩靴结构形式，介绍应用MSC/Patran软件建立桁架式桩腿的方型桩靴有限元模型过程，探讨在不同设计工况载荷作用下，3种桁架式方型桩靴结构应力、变形分布及变化情况，分析不同桩靴结构形式对连接桩腿强度影响，得出了能更好满足风机安装平台的桁架式桩靴结构形式。
1 自升式风电安装平台概况本文研究的海上风电安装平台由平台主体、4个桁架式桩腿（带桩靴）、4套齿轮齿条式升降系统等组成。平台船体采用流线型船首，方型尾部，全焊接钢质船体，中部双层底的船型，具有一层连续甲板，首部设生活楼，中部为通畅作业甲板，尾部右舷设绕桩式全回转起重机。
2 有限元模型本文主要设计3种桁架式方型桩靴结构形式，底部均为八边形倾斜式箱型结构，内部均由30°绕辐射桁材或舱壁板混合周向的三角形舱壁板及六边形舱壁板组成，不同点在于箱型桩靴与桩腿连接处结构：三角型浮箱水密结构；大肘板结构；小肘板结构。
桩靴结构模型中桁架与桩腿部分主要以梁单元模拟，桩靴结构以板单元模拟，有限元模型中内部开孔统一用等效板厚形式模拟，网格划分大小为450×450 mm，图1～图3给出了3种桁架式方型桩靴有限元模型。
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图 1 三角形浮箱水密结构 Fig. 1 Triangular floating tank watertight construction |
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图 2 大肘板结构 Fig. 2 Large toggle structure |
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图 3 小肘板结构 Fig. 3 Small toggle structure |
针对提出的3种桁架式方型桩靴结构形式，设计3种典型计算工况对其进行桩靴结构强度分析研究，分别是预压载工况、环境载荷工况以及偏载工况。
3.1 预压载工况桁架式方型桩靴结构应该能够承受由预压载载荷引起作用于桩靴底部的均布压力，并假定此载荷同心分布在桩靴与海底的最初接触到桩靴完全贯入这一系列可能的接触面积上。
本文研究的海上风电安装平台桩靴与海水不连通，预压设计载荷为13500 t，且同时施加80 m水深的静水载荷（考虑最大作业水深70 m，插深10 m）；预压设计载荷按照桩靴投影面积比例25%，50%，100%分别进行施加，图4给出了载荷施加范围。
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图 4 预压载工况载荷施加示意图 Fig. 4 The schematic diagram of load application under preballast condition |
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表 1 预压载工况 Tab.1 Preballast condition |
考虑环境载荷作用，桩靴以及桩靴与桩腿的连接部位应能承受最大的垂直反力，同时与平台铰支整体分析下，桩腿下导轨处弯矩的50%以及相应的水平载荷按照最不利的方向进行叠加作用；环境载荷作用面积为整个桩靴底部在水平面上的投影面积。对于单个桩腿，垂向力分布于整个桩靴底板，采用面载荷进行模拟；弯矩由连接整个桩靴底板线性连接单元RBE3进行弯矩载荷模拟；水平力分布于整个桩靴底板，采用点载荷加载于整个桩靴底板单元节点上进行模拟。
环境载荷作用在风电平台桩靴结构上总的外载荷与桩腿设计载荷大小相等，方向相反；本计算研究出于保守考虑，环境载荷取所有工况下的最大水平力、最大垂向力、最大弯矩的包络值对3种桁架式方型桩靴形式进行结构强度研究，并按照载荷作用方向以30度为间隔进行系列计算，共计4个典型工况，其中环境载荷以面压力载荷均布与三角形分布相叠加的综合形式模拟，以使得面压力载荷产生的弯矩为目标弯矩，面压力载荷产生的垂向力和水平力为目标垂向力和水平力，如表2与图5所示。
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表 2 环境载荷工况 Tab.2 Environmental loading condition |
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图 5 环境载荷模拟示意图 Fig. 5 The schematic diagram of environmental load simulation |
考虑到平台桩靴可能遭受底部不确定状况，桩靴以及桩靴与桩腿的连接部位应能承受最大的垂直反力作用在底部中心同一侧 50%的面积上产生的力和力矩的作用，见表3及图6。同时，本平台桩靴施加80 m水深静水载荷（考虑最大作业水深70 m，插深10 m）。
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表 3 偏载工况施加载荷 Tab.3 Load simulation under off-load condition |
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图 6 偏载工况载荷作用示意图 Fig. 6 Loading action diagram under off-load condition |
在不同设计载荷作用下，对比分析3种桁架式方型桩靴结构仿真计算结果，重点考察桩靴与桩腿连接处结构应力及变形分布情况。
4.1 预压载工况预压载荷作用下，3种桁架式方型桩靴结构应力结果如表4所示，应力分布情况如图7～图9所示。
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表 4 3种桁架式桩靴结构应力（预压载工况） Tab.4 Three kinds of sructural stress of truss pile boots (under preballast condition) |
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图 7 三角形浮箱水密结构应力云图 Fig. 7 The stress nephogram of watertight structure of triangular floating tank |
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图 8 大肘板结构应力云图 Fig. 8 The stress nephogram of large toggle structure |
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图 9 小肘板结构应力云图 Fig. 9 The stress nephogram of small toggle structure |
以预压载荷作用范围为横坐标，3种桁架式桩靴结构板应力为纵坐标，图10为桩靴结构应力随预压载荷变化情况曲线。
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图 10 3种桁架式桩靴结构应力变化曲线（预压载工况） Fig. 10 Three kinds of structural stress curve of truss pile boots (under preballast condition) |
在预压载荷作用下，对比分析3种桁架式桩靴结构应力结果，可以得出：
1）随着预压载荷范围增大，大肘板结构与三角形浮箱水密结构板应力逐渐减小，小肘板结构板应力逐渐增大，应力集中明显；大肘板结构与三角形浮箱水密结构梁应力明显小于小肘板结构梁应力；
2）大肘板结构与三角形浮箱水密结构应力水平相当。
4.2 环境载荷作用环境载荷作用下，3种桁架式桩靴结构应力结果如表5所示，应力分布情况如图11～图13所示。
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表 5 3种桁架式桩靴结构应力（环境载荷工况） Tab.5 Three kinds of structural stress of truss pile boots (environmental loading condition) |
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图 11 三角形浮箱水密结构应力云图 Fig. 11 The stress nephogram of watertight structure of triangular floating tank |
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图 12 大肘板结构应力云图 Fig. 12 The stress nephogram of large toggle structure |
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图 13 小肘板结构应力云图 Fig. 13 The stress nephogram of small toggle structure |
以环境载荷作用角度为横坐标，3种桁架式方型桩靴结构板应力为纵坐标，图14为3种桁架式桩靴结构应力随环境载荷作用变化曲线。
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图 14 3种桁架式桩靴结构应力变化曲线（环境载荷工况） Fig. 14 Three kinds of structural stress curve of truss pile boots (environmental loading condition) |
在环境工况载荷作用下，对比分析3种桩靴形式结构应力结果，可以得出：
1）随着环境载荷作用角度逐渐增大，小肘板结构板（梁）应力逐渐增大，大肘板结构与三角形浮箱水密结构板（梁）应力变化较小，大肘板结构与三角形浮箱水密结构应力明显小于小肘板结构应力；
2）大肘板结构与三角形浮箱水密结构应力水平相当。
4.3 偏载工况偏载工况载荷作用下，三种桁架式方型桩靴结构应力结果如表6所示，具体三种桁架式桩靴结构应力分布情况如图15～图17所示。
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表 6 3种桁架式桩靴结构应力（偏载工况） Tab.6 Three kinds of structural stress of truss pile boots (off-load condition) |
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图 15 三角形浮箱水密结构应力云图 Fig. 15 The stress nephogram of watertight structure of triangular floating tank |
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图 16 大肘板结构应力云图 Fig. 16 The stress nephogram of large toggle structure |
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图 17 小肘板结构应力云图 Fig. 17 The stress nephogram of small toggle structure |
以偏载工况载荷作用角度为横坐标，3种桁架式桩靴结构板应力为纵坐标，图18为3种桩靴结构板应力随偏载载荷变化曲线。
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图 18 3种桁架式桩靴结构板应力变化曲线（偏载工况） Fig. 18 Three kinds of structural stress curve of truss pile boots (off-load condition) |
偏载载荷作用下，对比分析3种桁架式方型桩靴形式结构应力结果及变形量云图，如图19～图21所示。可以得出：
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图 19 大肘板结构与三角形浮箱水密结构变形云图（预压载工况） Fig. 19 The deformation diagram of water-tight structure with large elbow plate structure and triangular floating tank (pre-ballast condition) |
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图 20 大肘板结构与三角形浮箱水密结构变形云图（环境载荷工况） Fig. 20 The deformation diagram of water-tight structure with large elbow plate structure and triangular floating tank (environmental loading condition) |
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图 21 大肘板结构与三角形浮箱水密结构变形云图（偏载工况） Fig. 21 The deformation diagram of water-tight structure with large elbow plate structure and triangular floating tank (off-load condition) |
1）随着偏载载荷作用角度逐渐增大，小肘板结构板（梁）应力集中明显，且应力水平偏大，大肘板结构与三角形浮箱水密结构板（梁）应力变化较小，且明显低于小肘板结构应力水平；
2）大肘板结构与三角形浮箱水密结构应力水平相当；
3）大肘板结构与三角形浮箱水密结构变形量相当。
综合3种桁架式方型桩靴结构强度计算结果可得，较小肘板结构而言，大肘板结构与三角形浮箱水密结构强度更好，且两者结构应力水平相当，结构变形量差异可忽略不计，理论上均能满足风电平台桩靴结构强度要求。但从实际应用过程中，桩腿连接桩靴结构作业需要插入淤泥中，导致开放式的肘板结构很容易堆积淤泥，将大大降低船体结构稳定性及使用寿命。三角形浮箱水密结构密封性较好，稳定性更好。因此，采用三角形浮箱水密结构更适合作为风电安装平台的桩靴结构。
5 结 语本文针对海上风电安装平台提出了3种桁架式方型桩靴结构形式，完成在不同设计载荷作用下3种桁架式方型桩靴结构强度研究，并对比分析3种方型桩靴结构强度计算结果，得出以下结论：
1）不同设计载荷作用下，较小肘板结构形式，采用三角形浮箱水密结构或大轴板结构应力水平较低，且没有明显的应力集中现象，均能较好满足风电平台桩靴结构强度要求。
2）不同设计载荷作用下，采用三角形浮箱水密结构与大轴板结构的板应力、梁应力基本相当，变形量差异也可以忽略不计。但在实际应用中，开放性设计的大肘板桩靴结构插入泥土中容易引起淤泥堆积，加剧船体腐蚀，缩短其使用寿命。三角形浮箱水密结构密封性更好，能有效延长其使用寿命，更有利于作为风电平台的桩靴结构形式。
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