0 引　言

自升式风电安装船（又称自升式起重船或自升式风电安装平台）一般由桩腿桩靴和主船体两大部分构成。桩腿桩靴的设计基本围绕于圆柱型壳体式桩腿与三角型（或四边型）桁架式桩腿2种方向；虽然工程上桩腿和桩靴的外观设计形式可能多样，但相对来讲无论是桩腿还是桩靴的结构专业总体设计，已经有成熟和完善的方法流程。而自升式风电安装船的主船体结构本身的设计，因自该类风电安装平台的诞生起就一直是矛盾的综合船型体，它是有自航功能、带有四条桩腿、具备重货运载及海上重型风电装备安装功能的驳船、半潜船、起重船^{[1 - 2]}，它是自升式移动平台。

自升式风电安装船，在航行、漂浮作业时4条桩腿完全或部分收回主船体，在站立状态时4条桩腿借助桩靴插入海底，见图1。其主船体本身不可设计太重，所有的静、动外载荷最终会体现在桩腿、桩靴的结构专业设计上，即而影响升降设备系统性能、桩腿桩靴钢料及总体建造成本；其主船体本身不可设计太轻，深水域站立作业的重型起重机全回转吊作业能力、大于100 m的桩腿收回状态下远洋航行和作业场内航行的重型风电机组设备载货能力、15 t/m²的载货甲板区域功能、漂浮状态下的重型起重机全回转吊作业能力等都需要有强有力的平台主船体梁结构作为性能基础。

自升式风电安装船的主船体必须保留了传统钻井平台箱型框架的桩腿围阱区域局部功能性海工重型设备区域结构，必须保留了重型起重机、重载甲板载货区域下的重载货物船型特有结构。但是，这类船的规范设计基本是按照《海上移动平台入级规范》^{[3 - 4]}的规定进行，这就导致了平台站立、航行和漂浮下的主船体结构并无传统船型结构物的船体梁剖面特性、设计弯矩、设计剪力、船体梁总纵强度的规范设计概念，一切船体设计都是在满足《海上移动平台入级规范》的基础上，以规范计算或直接计算的结果为设计依据。

航行和漂浮作业下外部环境的确定不仅取决于平台总体稳性，也取决于收回主船体的桩腿结构的设计要求；《海上移动平台入级规范》在远洋迁移下的桩腿结构设计章节提出了“周期10 s，单边横摇摆幅15°或单边纵摇摆幅15°”、近场迁移下“平台在自振周期下，纵摇或横摇单边摆幅为6°”的平台总体运动设计限定。但是，这样一个总体运动设计限定，对工程上实施的有自航功能的自升式风电安装平台的主尺度而言，并不完全适合。以平台长度125 m、型宽50 m、型深10 m的自升式风电安装平台的主船体为例，按照常规钢制海船在10⁻⁸超越概率水平下的主船体运动参数（见图2）。其10⁻⁸超越概率水平下的纵摇摆幅6.11°、横摇周期15.92 s与《海上移动平台入级规范》中总体运动相关规定的单边纵摇摆幅15°、摇摆周期10 s明显不协调；同时，横摇摆幅达到15°时，自升式平台的超宽、超扁的主船体横向方向上已经严重上浪，实际工程操作不许可（见图3）。工程上目前对航行和漂浮下的自升式风电安装平台的主船体运动和波浪载荷预报，部分借鉴采用了钢制海船的相应预报方法和流程。

自升式风电安装船除桩腿、桩靴外的平台主船体是顺应工程实际需求而诞生的多种船型、复合任务功能的船型结构物，起重船、驳船、半潜船、自升式平台都能在自升式风电安装船的主船体设计中找到身影。虽然从结构设计的基本要求出发，其主船体结构满足了《海上移动平台入级规范》的要求即可；但是，这样的一个综合船型、复合任务功能的船型衍生海洋结构物，在目前对其的规范设计并不具体和明确的前提下，设计团队要从目标结构物的自身特性、外载荷源头出发寻求适合于该类工程的可实施性设计方法以确保工程寿命周期内的安全至上。

以两型工程的自升式风电安装船的主船体结构为研究讨论的基础，从船型海洋工程结构物的剖面特性、剖面梁载荷2个方面入手，初步探讨了大开孔群式风电安装平台主船体结构的设计必要基础技术，希望能对风电安装船的主船体结构设计在规范化设计上起到抛砖引玉的作用。

船1主尺度：平台长度125 m、型宽50 m、型深10 m，桩腿纵向间距70.2 m，桩腿横向间距35.8 m；

船2主尺度：平台长度136 m、型宽50 m、型深10 m，桩腿纵向间距78.6 m，桩腿横向间距35.8 m。

两型船的平面俯视图见图4，均名义上设3道连续纵壁（中纵壁、围阱纵壁左舷、围阱纵壁右舷），桩腿围阱加强结构整体框架均为四边箱柱形嵌套复合三角式多边形箱柱结构。由传统的开口宽度参与角范围30°对船体梁剖面特性影响的简单估算（见图4），船1在船中剖面的剖面特性几乎没有影响；船2在船中剖面的剖面特性完全没有影响。且首部桩腿围阱区域在主船体中部0.4L长度范围内；桩腿围阱区域均处于传统船型结构物的剪力最大区域，而此区域的船体梁实际有效承剪构件只有围阱纵舱壁和被中断的中纵壁。

1 自升式风电安装船的主船体梁剖面特性计算

本论文两型船的桩腿围阱区域开孔尺寸在外底板、内底板、中间甲板、主甲板均为16.2m$\times$14.5m，共计4组开孔区域群；舷侧外板因为收回桩靴的功能性空间需要，距基线1.5m以下范围同时连贯开孔；且该两型船的中纵舱壁在尾部范围因为自航功能的主推进器设备的固有布置，截断于尾部桩腿围阱的后端舱壁；唯一可以保持全船连续的围阱纵舱壁在平台主船体的首部或者尾部因为轮机专业各种功能性通风、管道布置的原因必须大面积开大孔，也很难实现全船理想的纵向连续。本文采用了三维有限元直接计算方法，以尽可能详细的三维立体设计手段全面预估大开孔群式风电安装平台的主船体结构自身剖面特性；建立了无开孔群、有开孔群的2种三维总纵强度直接简化计算^{[5 - 6]}有限元纯弯曲力学模型（见图5），以全面探讨适合于大开孔群式风电安装平台的主船体结构物的剖面特性预估技术。

选取两型平台的船中0.4L范围内的典型剖面位置，由经典力学理论$W = \displaystyle\frac{M}{\sigma } = \displaystyle\frac{I}{Z}$得：

主甲板剖面模数　${W_\mathrm{top}} = \displaystyle\frac{M}{{{\sigma _\mathrm{top}}}} = \displaystyle\frac{I}{{{Z_\mathrm{top}} - {Z_0}}}$，

外底板剖面模数　${W_\mathrm{bottom}} = \displaystyle\frac{M}{{{\sigma _\mathrm{bottom}}}} = \displaystyle\frac{I}{{{Z_0} - {Z_\mathrm{bottom}}}}$。

式中：$W$为剖面模数，m³；$M$为端面弯矩，N·m；$\sigma$为剖面正应力，N/m²；$I$为剖面惯性矩，m⁴；$Z$为计算点位置距离剖面中和轴的距离，m；${W_{\rm{top}}}$为主甲板剖面模数，${W_{\rm{bottom}}}$为外底板剖面模数；${\sigma _{\rm{top}}}$为计算剖面处主甲板正应力，${\sigma _{\rm{bottom}}}$为计算剖面处外底板正应力；${Z_{\rm{top}}}$为主甲板距船体基线的距离；${Z_{\rm{bottom}}}$为外底板距船体基线的距离；${Z_0}$为剖面中和轴距船体基线的距离。

两型船的船中剖面特性计算结果见表1～表2；剖面正应力分布示意图见图6～图7。由计算结果可知，开设了功能性的桩腿围阱区域大开孔群后：

1）船1的主船体船中剖面惯性矩由66.592 m⁴减小为57.511 m⁴，减小近14%；船中剖面主甲板剖面模数减小近11%，船中剖面外底板剖面模数减小近17%；

2）船2的主船体船中剖面惯性矩由66.963 m⁴减小为58.491 m⁴，减小近13%；船中剖面主甲板剖面模数减小近10%，船中剖面外底板剖面模数减小近15%；

3）按照传统的开口宽度对船体梁剖面特性影响的30⁰参与角范围简单估算不适用于本文主尺度下的大开孔群式风电安装平台主船体结构剖面特性估算。

再进一步，对全船范围内的典型剖面进行剖面特性计算，两型船沿船长方向分布的船体梁剖面惯性矩分布示意图见图8～图9，由计算结果可知：

1）因功能需要开设的桩腿围阱区域大开孔群对平台主体结构的剖面模数、惯性矩均有较大的影响；

2）论文中的两型船，桩腿围阱区域开孔群的存在对船中剖面的剖面特性影响均大于10%；对船中剖面外的船中0.4L范围的其余剖面的影响更大，可达30%左右，桩腿围阱中心区域的剖面影响可达50%左右；

3）桩腿围阱区域的主船体总强度设计务必要注意大幅度的构件尺寸增强和补强；

4）平台长度越长，因为功能需要开设的桩腿围阱区域开孔群对平台主体结构的剖面模数、惯性矩等的剖面承载力影响会逐渐变小；但就论文中的平台2相对平台1的主船体长度增加9%的情况下，因平台长度增加而引起的船体梁剖面承载力削弱的变化量从量级上而言相对平台1几乎可以忽略。

2 自升式风电安装船的主船体梁剖面载荷分析

船体梁剖面载荷是决定船体结构构件尺寸的直接基础。自升式风电安装平台主船体一般要保证足够的甲板载货面积以载运大型配套风机、塔筒设备等，且依靠浮力拔桩，主船体内部压载水舱的布置较为富余。因此，其总体调节压载水的能力，也就是船体梁垂向载荷的纵向分布调节能力要远优越于传统的自升式移动平台，这是该类船型的特色。

站立状态下，自升式风电安装平台的4条桩腿通过升降系统、桩腿围阱结构支撑起平台主船体，类似于两段坐底式船型海洋结构物^[7]，理论上可简化为双简支梁（见图10）两简支处位于前后桩腿的各中心处。本文中两型平台的主船体垂向载荷沿平台长度方向的分布示意图见图11，其剖面梁剪力、剖面梁弯矩分布示意图见图12。可见，平台主船体的剪力最大值出现在桩腿围阱结构区域；弯矩最大值随站立状态下调载等外载荷的具体分布进行调整，出现在桩腿围阱结构区域或前、后桩腿纵向间距的中心附近范围；对于本文所研究的两型平台而言，站立状态的平台主船体剖面梁弯矩最大值出现在桩腿围阱结构区域。

漂浮作业、航行状态下的风电安装平台^[8,9]主船体的重量分布、剪力、弯矩分布与普通钢制船型海洋结构物，尤其是起重船、半潜船，基本上比较相似，见图13～图15。只不过受到该类工程船主尺度和安全可操作性的综合因素，其漂浮作业、航行均受到设计环境载荷的严格限制，设计环境不可能达到钢质海船的10⁻⁸超越概率水平极端海况，也不可能达到《海上移动平台入级规范》中的“周期10 s，单边横摇摆幅15°或单边纵摇摆幅15°”；论文中的两型平台，浮吊作业的设计有义波高1.25 m，远洋迁移的设计有义波高4.0 m。

由所有设计状态下的主船体梁剖面载荷沿船长方向分布可知，站立状态下，桩腿围阱结构区域的剪力、弯矩均较大；漂浮、航行状态下，平台主船体的前、后桩腿纵向间距的中心处附近弯矩较大，桩腿围阱结构区域的剪力较大。建议设计团队要综合总体调压载水能力优化平台主船体的垂向外载荷纵向分布；要对桩腿围阱结构区域的弯矩、剪力甚至是剖面惯性矩均重点补强，要对船中0.4L结构区域的弯矩、剖面惯性矩予以关注，以足够承担所有设计状态下的平台主船体总强度负荷；要对漂浮、航行状态下的总体运动环境进行控制，以安全满足该船型的总体稳性、迁移状态下桩腿强度设计要求。

严苛的调压载水程序虽然会加大使用者操作平台的不便利性，但是太过方便和随意的平台操控性能的获得却是以牺牲结构专业重量、提高工程总造价、威胁工程安全为前提。在满足最大化便利工程操作和使用方需求的前提下，建议从设计源头上发挥总体的调载能力优势，优化风电安装平台的主船体梁剖面载荷，为主船体结构的轻量化设计提供空间。

3 结　语

自升式风电安装船的主船体因为兼顾了船型结构物、重型甲板货载货能力、重型吊机作业能力和自升式海洋平台的复合型功能，因而目前工程设计上是结合《海上移动平台入级规范》和《钢制海船入级规范》的要求采取综合型设计。本文基于两型自升式风电安装平台的工程设计经验，提出以下4点建议：

1）传统的船体梁二维剖面特性计算方法不适用于自升式风电安装平台主船体结构的剖面特性估算；建议结合三维有限元直接计算方法三维立体预估其船体梁剖面特性。

2）严格注意自升式风电安装平台固有的桩腿围阱区域大开孔群对主船体结构的船中区域总强度的设计影响；本文研究的主尺度下，桩腿围阱区域大开孔群对主船体结构船中剖面惯性矩的削弱约15%。

3）严格注意自升式风电安装平台固有的桩腿围阱区域大开孔群对主船体结构的桩腿围阱区域总强度的设计影响，注意此区域的弯曲、剪切构件的补强设计；论文研究的主尺度下，桩腿围阱区域大开孔群对此区域剖面惯性矩的削弱约40%。

4）尽可能充分发挥总体调压载水优势以优化自升式风电安装平台的主船体梁剖面载荷，为平台的总体轻量化设计提供便利。