桩腿分段连接分析研究

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　　摘  要：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，各船企都在争相建造海上风电安装平台。该文论述的是以厦门船舶重工建造的风电安装平台为背景，分析总结了在该船桩腿可能因限高影响后期运营而拟采取的法兰螺栓式、插销式和法兰抱箍式3种可拆卸的方案，分别分析计算了这几种方案的可行性，通过计算得出桩腿可拆连接风险较大，目前自升式平台未找到可拆连接的案例，建议按焊接处理，若不频繁通过大桥，割断再焊接也能实现通过大桥，每次通过切割位置应不在同一位置，为平台使用者提供了理论依据。
　　关键词：风电安装平台  桩腿  法兰螺栓式  插销式  法兰抱箍式
　　中图分类号：U674   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（c）-0043-02
　　该研究报告对福建海上风电一体化作业移动平台的桩腿分段连接在风暴支持工况或作业工况下，分3种连接方式进行分析研究。
　　该平台桩腿为壳体式，长85m，直径4m，共4条桩腿。设计时需考虑通过目标大桥，目标大桥桥下净空高度54m（过桥时桩腿下放基線5m，桥下水深为10m）。按此，可得出桩腿分节距桩腿顶部约25m。
　　1  设计载荷
　　根据表1、表2计算结果，再根据实际情况，该报告研究了3种连接方式。3种连接方式分别为法兰螺栓式、插销式和法兰抱箍式。下文将对这3种连接方式进行研究，并进行强度校核。
　　1.1 法兰螺栓式
　　法兰螺栓式，即通过螺栓连接两段桩腿的法兰，螺栓采用预紧连接，法兰采用阶梯式以承受桩腿截面所承受的剪力。螺栓需承受轴向力和弯矩。螺栓选取及简要计算如下。
　　选取螺栓直径60mm，螺栓数量150个，分为3圈分布。螺栓等级为12.9级，外圈螺栓半径r1=1870，中圈螺栓半径r2=1760，内圈螺栓半径r3=1650;安全系数Ss按设计手册，为6～7.5，取7，则许用应力[σ]为154.29MPa[1]。
　　按照机械设计手册Ss=7，则[σ]=154.29MPa，Uc=290.09/154.29=1.88>1。不满足强度要求。若考虑在中部设置多个螺栓，对轴向应力有改善，但对于承受弯矩因力臂小而贡献很小。重量约增加60t。
　　1.2  插销式
　　选取一段长约3.8m套管，在分段桩腿处内部设置，套管上下端分别设置一组插销，为4只，共8只插销，插销位置与升降插销位置错开，此种方法称为插销式。
　　选取插销直径为350mm，套管直径为3800mm，此段桩靴处壁厚为100mm，套管壁厚为150mm。插销需设置液压动力装置实现液动插拔。
　　此种连接型式插销主要承受垂直力（对于销轴来说为剪力），套筒承受弯矩和水平力。
　　此种连接方式强度可满足要求，但销轴直径大，安装及操作困难，需要设置液压油缸及液压系统;插拔销时在桩腿内部，很难现场直观指导操作;增加空船重量约500t，吃水增加，干舷减小，航行阻力增大，船体强度也许重新计算，拔桩载荷，对地压力，现阶段破舱稳性余量较小;且由于桩腿升降，需要设置绞车收放油管，存在很大危险性，且绞车布置困难。
　　1.3 法兰抱箍式
　　设置一组法兰，用螺栓将抱箍与法兰固定，法兰面设置倾角为6°，垂直力可通过倾角转化为水平力，水平力则与摩擦力相抵消，弯矩和轴向力由抱箍承受。强度计算如下。
　　2  结语
　　通过3种连接方式的分析，可以得出，桩腿截面弯矩较大，法兰螺栓式不满足强度要求，若考虑在中间多设螺栓，由于距离中心近，可承受的弯矩非常小，同样无法满足弯曲强度要求;插销式可以满足强度要求，但增加结构重量大，需要增设液压油缸、液压系统、控制设备、管路收放系统等，桩腿拆装困难，检修不便，若出现漏油也很难解决;法兰抱箍式工艺复杂，若出现少量间隙或连接松脱，本身设计意图为摩擦面受力，若接触面有间隙时将由抱箍螺栓承受，抱箍螺栓设计为仅仅固定抱箍作用，抱箍螺栓无法承受整个桩腿截面外载荷而被崩断，桩腿上半段将倾倒，对整个平台将是致命的风险，建议用在非重要截面且载荷较简单的机构中。
　　综上所述，桩腿可拆连接风险较大，目前自升式平台未找到可拆连接的案例，建议按焊接处理，若不频繁通过大桥，割断再焊接也能实现通过大桥，每次通过切割位置应不在同一位置。
　　参考文献
　　[1] 杨庆生，崔芸，龙连春.工程力学[M].2版.北京：科学出版社，2014.
　　[2] 成大先.机械设计手册[M].6版.北京：化学工业出版社，2016.
　　[3] 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（19）：15-16.
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