海上风电安装平台坞内顶升试验砂箱理论设计分析和模拟试验研究

王小路

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.019

摘 要：海上风电安装平台需要在船坞进行顶升试验，由于桩靴与坞底直接接触面积小，为了对桩靴本身和船坞坞底进行保护，拟在桩靴和坞底之间增加一个砂箱，以加大桩靴与坞底的受力面积，并通过有限元分析计算和砂箱模型试验来确认砂箱强度，同时确定了砂层厚度较小时钢围壁变形会更小且砂子不会从砂箱中溢流的问题。

关键词：风电 桩靴 坞底 砂箱

中图分类号：TG24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0019-02

海上风电由于资源丰富、发电利用小时数高和不占用土地资源等多种优势，目前在国内正在大面积被开发利用[1]，各船企都在争相建造海上风电安装平台。该文论述的是国内某船厂目前正在建造的一艘自升式海上风电安装平台，为了将提升过程中遇到的问题在船坞内解决，需要在坞内完成初步的顶升试验。此平台共布置4条桩腿，空船重量约14 000 t，当在坞内进行顶升时单个桩靴下部的坞底承受压力约3 500 t。由于桩靴与坞底直接接触面积小，直接顶升坞底受力将达到108.5 t/m2，势必会对坞底和桩靴造成破坏（该船坞设计压力55 t/m2）。增加砂箱后的桩靴使坞底受力将减小到40 t/m2，根据受力情况进行了有限元分析的理论计算[2]，同时建造了1∶10的模型使用油压机进行试验，理论计算和试验结果都表明砂箱强度满足使用要求。

1 有限元分析

根据砂箱的结构图，围壁材料使用Q245普通钢，板厚10 mm，因为砂箱使用时直接放在坞底，因此对砂箱底面进行约束，并据此条件建立模型。根据前文描述，增大后的桩靴使坞底受力将减小到40 t/m2，即桩靴底部压强0.4 MPa。桩靴底部四周倾斜，船长方向倾斜10°，船宽方向倾斜12°。计算时取最大值12°，根据计算倾斜处的侧向力为2 580 kN。有限元分析时取砂层高度1.54 m，面1、3受力的面积为18.48 m2，面2、4受力的面积为22.48 m2，因此分别在4面围壁上施加压强载荷，计算结果如图1所示。砂箱围壁受力集中在围壁中心靠近底部的位置及4个角的靠上位置处，最大值在面1、3中心靠近底部的位置，应力为109 MPa，小于使用钢材的许用值235 MPa，安全系数为2.15，满足结构强度要求。

2 砂箱模型试验

根据该平台桩靴和砂箱的形状，设计建造了1∶10的模型，使用油压机进行模拟试验，以确定砂箱结构的强度满足使用要求。试验中模拟了不同压力、不同砂层高度等几种情况。砂箱模型，试验结果如图2所示。

（1）第一次试验，砂层厚度980 mm，试验压力根据未来桩靴对坞底造成的最大压力40 t/m2进行计算，即：

F=1 300 mm×1 040 mm×40 t/m2=54 t

试验中缓慢逐步增加压力至54 t，砂箱和砂子无明显变形，砂子中间有略微下陷。

（2）第二次试验，砂层厚度980 mm，试验压力最大值200 t，试验中缓慢逐步增加压力，当压力增到到160 t时，砂箱钢围壁出现明显鼓胀，试验压力增大到200 t时停止，砂子中间有明显下陷，砂子无明显变化，砂子四周上升约20 mm。

（3）第三次试验，砂层厚度540 mm，试验压力最大值270 t，试验中缓慢逐步增加压力，当压力增到到250 t时，砂箱钢围壁出现略微鼓胀，试验压力增大到270 t时停止，砂子中间有明显下陷，砂子无明显变化，砂子四周上升约30 mm。

3 结语

（1）试验表明砂层在上述试验状况下，在密实且有侧限的情况下承载力可提升较多，可满足荷载要求。

（2）因试验时砂箱内的砂子未做密实处理，特别是表层较松散，加载时初设沉降较大，周边砂上升现象明显，随着沉降量加大，砂密实度提高，砂承载力明显增大。建议实际施工砂箱内装砂时，尽量保证砂层密实，减少沉降，加载时应逐级加载，使砂密实。

（3）砂箱侧壁压力较大，砂箱设计时充分考虑侧壁刚度、变形量，减少因侧壁变形引起的砂层沉降；

（4）通过有限元理论分析计算和试验结果表明这种结构的砂箱可以满足此重量和桩靴面积的平台坞内提升站桩使用，同时也为其他自升式平台的不同大小的桩靴和不同重量的船舶提供了参考方案和试验方法。

参考文献

[1] 郭宇星.我国海上风电的发展现状及对策建议[J].产业与科技论坛，2014（9）：15-16.

[2] 白勇辉，张吉，冯昌宁.自升式平台桩靴砂箱设计研究[J].中国海洋平台，2014（4）：9-13.