方自彪，孙志国

(1.惠生(南通)重工有限公司，江苏 南通 226009；2.大连中交理工交通技术研究院有限公司，辽宁 大连 116023)

0 引言

在我国向“双碳”目标迈进的路上，风电等新型清洁能源将扮演重要角色。随着海洋资源的开发从近海走向深远海，离岸距离与水深不断增加，浮式海上风电是深远海风电未来发展的必然选择。三峡广东浮式海上风电项目是中国首个浮式风电示范性项目，位于广东阳江市附近海域，单机容量5 500 kW，应用半潜式基础平台。该平台在某舟山基地总装下水。舟山海域常年风力较大，为确保其在码头系泊舾装试验期间的安全，须对其码头系泊力进行详细计算分析，以得到合理安全的系泊布置方式。

系泊力和舾装数规范计算法主要针对常规船舶。浮式风电平台主体是三立柱半潜式结构，平台系泊阶段空载吃水小且重心高，上层建筑面积巨大，各个方向上都会受到很大的风载荷，与普通船舶在外形、结构、重心等方面均有很明显区别。其系泊特点有些类似半潜式和自升式石油钻井平台，规范计算法对此类平台系泊力计算已不适用，需要对其设计特定的系泊方案。

本文结合浮式风电平台结构特点和码头系泊设施，制定初步码头系泊方案，然后采用STAAD Pro软件建模，进行风、浪、流载荷等共同作用下的系泊力分析，逐步优化码头系泊方案。

1 计算对象及靠泊条件

1.1 平台参数

浮式风电平台平面形状大致呈三角形，见图1。其主要尺度为：总长78.95 m，型宽91.16 m，型深32.0 m，设计吃水(锚泊状态)13.5 m，拖航吃水(不带风机)3.5 m，下层浮体高度4.0 m，靠泊吃水(空载)3.0 m，靠泊吃水(倾斜试验)6.375 m，排水量10 098 t。

图1 浮式风电平台实物图

为增加缓冲接触面积和系泊缆绳长度，减少缆绳张力，平台与码头之间通过驳船靠泊。驳船尺度如下：总长55.0 m，总宽34.0 m，型深4.0 m，停泊吃水可调。

1.2 靠泊条件

靠泊时间：2021年6月初至6月底。

风：根据码头环境条件的统计数据，平台靠泊期间为非台风季节，可能遭遇的最大风速为9级阵风，因而取6～9级为设计风速。

浪：浪高<1.0 m。

流：满堂式顺岸码头可不考虑海流影响。

水位：(根据1985国家高程基准面)最高潮位3.08 m，平均高潮位1.14 m，平均潮位0.17 m，平均低潮位-0.80 m，最低潮位-2.05 m。

1.3 平台初始系泊方案

该平台拟靠泊于某舟山基地海域码头。码头为沉箱重力式连续实体结构的顺岸码头，总长225 m，系缆桩额定载荷为3个1 500 kN，9个2 000 kN；护舷型号为DF-SA500L3000和DF-SA500L1500两种，压缩55%时吸收能分别为231 kJ和116 kJ。风电平台上的现有系泊设施布置于下浮箱4 m甲板上和32 m高度主甲板处，供拖航和远海锚泊设计工况下系泊使用。由于其高度无法与码头进行正常系缆，因此考虑在下浮箱甲板上方3个垂向立柱上设置临时系泊眼板进行系缆(眼板布置尽量考虑安装在强构件位置)。

风电平台系靠于码头中间实体部分。考虑平台整体构造为“三头”形式，靠泊方案需能有效约束浮体“三头”，因此选带风机筒结构一端下浮箱端平面(宽度约32 m)作为类似船舶平行中体与码头靠泊。平台与码头垫驳船以增加接触面积和缆绳长度。驳船与平台之间利用橡胶轮胎缓冲，并分别在下浮箱甲板上方2 m和4 m位置的3个垂向立柱上增设12套系泊眼板，额定载荷为850 kN，系泊缆绳直径为65 mm,理论破断力为480 kN(现有缆绳)；远端2个立柱各设系缆绳4根，靠码头侧风机端立柱系缆绳4根，总计12根缆绳。初始系泊方案见图2。

图2 初始系泊方案示意图

2 平台系泊载荷计算

2.1 风载荷

(1)基本风压

平台为非台风季节短期靠泊。考虑安全性，风载荷按照6～9级分别计算。根据《港口工程载荷规范》(以下简称《规范》)，基本风压按下式计算：

式中：为基本风压，kPa；为设计风速，m/s。

计算结果见表1。

表1 基本风压计算

(2)风压力

垂直于建筑物表面上的风载荷标准值，根据《规范》应按下式计算：

=

式中：为风载荷标准值，kPa；为高度处的风振系数，取1.0；为风载荷体型系数，取1.0；为风压高度变化系数。根据距离平均水面高度5、10、15、20、30 m分别取1.17、1.38、1.52、1.63、1.80。

2.2 平台系泊载荷

(1)撞击力

根据《规范》，浮式平台靠岸时的有效撞击能量可按下式计算：

式中：为浮式平台靠岸时的有效撞击能量，kJ；为有效动能系数；为浮式平台质量，t，按满载排水量计算；为浮式平台靠岸法向速度，m/s。

计算结果见表2。

表2 平台靠岸时的有效撞击能量计算结果

根据上述计算结果可知，靠岸时平台即使仅与一组护舷发生作用，码头护舷吸收能可满足要求。

(2)系缆力

根据《规范》，一般船舶系缆力按下式计算：

式中：为系缆力标准值；Σ、Σ分别为可能同时出现的风和水流对船舶作用产生的横向风力总和及纵向风力总和；为系缆桩受力分布不均匀系数；为计算船舶同时受力的系缆桩数量；为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角，=30°；为系船缆与水平面之间的夹角，=15°。

规范计算法针对常规船舶，并且以横向吹开风控制。对于本项目不规则的“三头式”浮式风电平台，规范计算法并不适用，因此本文采用STAAD Pro软件，对浮式风电平台系实际系缆状态进行建模仿真计算分析。该软件是结构计算软件，适用于各种材料构成的框架、悬索等各种结构，可进行线性、非线性静力、反应谱及时程反应分析，也适用于系泊计算。采用STAAD Pro建模分析时进行如下设定：

(1)考虑浮式风电平台自身为刚体。

(2)仅考虑浮式风电平台所受的竖向位移约束和所受橡胶护舷的水平弹性支撑。

(3)缆绳仅受拉力作用。缆绳材料为尼龙缆(所有缆绳材质相同的情况下材料性质仅影响浮式风电平台位移，对缆绳内力无影响)。

(4)浮式平台空船状态下水时，吃水较小(约3 m)，受风面积较大，为系缆力计算时的吃水控制工况。另外，倾斜试验时系泊状态下吃水最大(6.375 m)也作为一种计算工况供参考。

(5)考虑风向为横向风、两侧纵向风和两侧斜向风(45°吹离岸)5种风向工况。

计算模型及风向约定见图3～图6。

图3 横向风受力示意图

图4 向右纵向风受力示意图

图5 向左纵向风受力示意图

图6 风向约定示意图

根据上述假定建立计算模型，输出系泊方案各工况下系缆力的计算结果。

3 系泊力分析及系泊方案优化

3.1 初始系泊方案缆绳受力分析

初始系泊缆绳布置见图7。根据STAAD Pro模型对输出初始系泊方案下的各缆绳受力进行计算，其结果显示：

空载3 m吃水7级风时缆绳最大受力349 kN，是纵向(平行于码头前沿线)风引起的，未超出缆绳破断力；但8级风时，缆绳最大受力达到511 kN；9级风时，缆绳受力更是达到710 kN，远超出缆绳破断力480 kN。因此，需调整优化系缆布置。

①～—缆绳编号；1号～12号—码头缆桩编号。

从缆绳受力特点来说，缆绳越短，应变越大，受力就越大；缆绳破断顺序与缆绳长度密切相关，在风浪流的来袭方向，最先破断的缆绳基本是长度最短的缆绳。因此，应增加近端缆绳数量，适当减少远端缆绳数量。

3.2 优化后系泊方案缆绳受力分析

系泊方案将近端立柱缆绳由4根调整为6根，并尽量对称布置，远端2个立柱各减少1根缆绳。由于码头缆桩承载力高，可允许2根缆绳系于1个缆桩上。

优化后的系泊方案见图8。在空载工况吃水3 m情况下，各缆绳受力计算结果显示：

在空载吃水9级风工况下，优化后的系泊方案的缆绳最大受力从初始方案的710 kN降到344 kN，降幅明显，未超出缆绳破断力480 kN。

①～—缆绳编号；1号～12号—码头缆桩编号。

优化后的系泊方案在倾斜试验工况时(吃水6.375 m)，各缆绳受力计算结果显示：

在9级风情况下，缆绳最大受力为286 kN，未超出缆绳破断力。

4 结论

本文采用STAAD Pro有限元软件结合码头设施状况对国内首制三立柱浮式风电平台进行系泊张力计算分析，得出如下结论和建议：

(1)在缆绳规格、数量及风力载荷不变的情况下，优化前系泊方案的缆绳最大张力达到710 kN，而优化后系泊方案的缆绳最大张力大幅度减小，仅为344 kN，未超出缆绳破断载荷。

(2)系泊缆绳缆张力受平台上缆绳系固点与码头间距影响，越短的缆绳受力越大，因此平台与码头之间垫驳船增加间距可以使各缆绳受力差异减小。

(3)根据STAAD Pro软件系泊力计算分析结果，平台靠码头近端缆绳系固点受力大，缆绳数量原则上比远端的要增加。

(4)经计算及实际工程项目检验，优化后系泊方案满足平台系泊安全要求，得到了可用于实际施工的工程解决方案。

(5)平台所受风载荷根据现有规范计算。由于平台结构复杂，且系统受力按静力模型计算，故计算结果可能较实际情况有所偏差，大风天气时应密切关注系缆设施稳定性。