自升式海洋牧场综合平台抗倾稳定性分析

张 波， 李永顺， 徐丰光

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；2.舟山海驰船舶技术有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

海洋牧场建设是推进渔业转型升级和海上粮仓建设的重要内容。目前，海洋牧场建设发展迅速，但用于海洋牧场管理的大型装备仍较落后，严重制约海洋经济的规模化发展，需要研发一种新型的海洋牧场管护装备。

自升式海洋牧场综合平台是一种智能化海洋工程装备，适用于大规模海洋牧场管护和环境监测，可改变传统管护模式，提高管护效率，提升工作条件。与传统自升式海洋平台相比，其主体尺寸小，桩腿采用圆柱式，工作海域水深较浅，平台主体一侧配备专用登船梯以方便船只停靠。电力主要由柴油机发电装置提供，可同时使用太阳能和风能发电装置收集电能。平台配备海洋牧场水质、水文和气象环境监测设备。平台主体部分形状为方形，由4个圆柱形桩腿支撑，平台主体和桩腿间通过升降围阱进行连接。桩腿可插入海底泥面以下，将平台牢牢固定于海底。桩腿下端设置桩靴，起到支撑桩腿的作用。升降作业使用液压装置顶升，正常作业使用插销固定桩腿。

平台受到的载荷包括风载荷[1]、波浪载荷[1]、海流载荷[1]、P-Δ附加力矩[1]、波流动力放大效应力矩、结构自重和桩腿浮力等。在上述载荷计算过程中，波浪载荷计算是难点。目前，波浪载荷计算广泛采用线性波浪理论和非线性波浪理论[2]。与线性波浪理论(Airy波)相比，非线性波浪理论可较为准确地模拟水质点的瞬时速度和加速度，代入莫里森方程，可更为精确地计算小尺度桩腿受到的波浪载荷[3-4]。在桩腿波浪载荷计算过程中利用5阶斯托克斯波非线性波浪理论。

1 计算模型

平台主船体为方形，采用4个圆柱形桩腿站立，桩腿底部带桩靴，升降装置采用液压缸升降。桩腿长为33 m；主甲板长为25 m，宽为20 m；吃水深度为14 m。船体甲板、底板、围阱和桩腿等多个关键部位采用DH36高强度钢，其余部位采用中国船级社(CCS)A级钢。平台总布置图如图1所示。

图1 平台总布置图

计算模型包括桩腿和主船体，桩腿采用管单元模拟，主船体采用刚性梁单元模拟。简化计算模型如图2所示。DH36高强度钢的物理特性参数如下：弹性模量为2.06×1011N/m2，泊松比为0.3，屈服强度为355 MPa，密度为7.85 t/m3。

图2 简化计算模型

2 工况和载荷

根据平台工作海域实际风浪流测量统计数据，在计算中选取风速为36.90 m/s，最大波高为2 m，波浪周期为6 s，表面流速为1.03 m/s。根据平台受风(浪)方向取如下13种计算工况：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°。边界条件为在泥面以下3 m铰支。在计算过程中主要考虑空船质量、风载荷、波流载荷、P-Δ附加力矩和波流动力放大效应力矩等。

2.1 风载荷

根据CCS规范[5]，作用于构件的风力F应按下式计算，单位为kN：

F=ChCsSP

(1)

式中：Ch为受风构件高度系数；Cs为受风构件形状因数；S为受风构件正投影面积，m2；P为风压，kPa。

在风载荷计算过程中需要建立受风部位模型。受风部位指位于水面以上的平台结构，包含桩腿、上层建筑主体、围阱、生活楼、起重机等。在0°～180°风向下，每隔15°计算一次风力。由于不同角度的迎风面积不同，因此风力存在差异。45°和135°风向的风力最大，165°风向的风力最小。风载荷计算结果如表1所示。

表1 风载荷计算结果

2.2 波流载荷

根据CCS规范[5]，小尺度孤立桩柱的波浪力F可用莫里森方程计算。莫里森方程的一般形式为

F=FD+FI

(2)

式中：FD为单位长度上的曳力，kN/m；FI为单位长度上的惯性力，kN/m。

根据CCS规范[5]，作用在水下部分桩腿的海流载荷F可按下式计算：

(3)

式中：CD为曳力系数；ρW为海水密度，t/m3；V为设计海流流速，m/s；A为构件在与流速垂直平面上的投影面积，m2。

浪向角与风向角一致为最危险工况。在0°～180°浪向下，每隔15°计算一次波浪载荷。在计算海流载荷时取表面流速为1.03 m/s。假设桩腿为直立小尺度圆柱体，采用莫里森方程计算海水对桩腿的波浪载荷，水质点运动理论采用5阶斯托克斯波理论。波流载荷计算结果如表2所示。

表2 波流载荷计算结果

2.3 P-Δ效应

根据CCS规范[5]，由轴向拉力和桩腿整体侧向位移联合作用所产生的力和力矩应加以考虑，并按下式计入P-Δ效应：

(4)

式中：δ为主船体弹性一阶侧向位移，m；P为桩腿平均受压载荷，kN；PE为桩腿弹性临界力(欧拉力)，kN。

通过平台的空船质量、桩腿桩靴质量和可变载荷质量，计算得到P=850 kN。在计算PE时，根据CCS规范中的压杆屈曲应力相关规定[5]，对照存在侧移杆件的失稳形式，在计算时杆件的有效长度系数K取2.00。P-Δ弯矩计算结果如表3所示。

表3 P-Δ弯矩计算结果

2.4 波流动力放大效应

根据CCS规范[5]，在站立工况条件下，在采用下式求得的动力放大因数(Dynamic Amplification Factor，DAF)大于1.1时，应考虑由波浪或波浪与海流共同作用产生的动力放大效应：

(5)

式中：Tn为平台平动自振周期，s；T为波浪周期，s；ζ为临界阻尼百分比(一般取不大于7%)。

波流动力放大效应水平力如表4所示。平台DAF计算值为1.187，大于1.1，按上述方法计算惯性力。

3 平台抗倾稳定性校核

根据CCS规范[5]，平台抗倾稳定性应满足下式要求：

(6)

表4 波流动力放大效应水平力

式中：Mk为平台坐底时的抗倾力矩，kN·m；Mq为平台坐底时的倾覆力矩，kN·m；Kq为抗倾安全因数，自升式平台最危险工况的Kq须大于1.1。

将上述各种力矩进行叠加，计算得到总倾覆力矩。倾覆力矩如图3所示。由图3可知：各角度的风倾力矩远大于波流力矩、P-Δ附加力矩和波流动力放大效应力矩。45°和135°风向的风倾力矩达最大值。在平台站立时，其复原力(矩)可根据空船质量、桩腿桩靴质量和桩腿浮力进行计算。复原力矩如图4所示。由图4可知：复原力矩随波浪入射角的变化而变化，且呈现一定的变化规律。在入射角为0°时，复原力矩最小；0°～45°，复原力矩逐渐增大；在入射角为45°时达最大值，并在45°～90°逐渐减至最小值；90°～180°出现相似的变化规律。产生上述结果原因在于：复原力矩的大小等于平台总质量乘以平台重心位置至对应倾覆轴线的距离，在入射角为45°和135°时该距离最大。

图3 倾覆力矩

图4 复原力矩

将13个计算角度的平台总倾覆力矩和复原力矩进行汇总，计算得到平台抗倾安全因数，即复原力矩与总倾覆力矩的比值。抗倾安全因数如表5所示。由表5可知：站立工况各方向的抗倾安全因数均大于1.1，满足CCS规范要求。

表5 抗倾安全因数

进一步对桩腿强度进行校核，得出4个桩腿的UC值。桩腿最大UC值如表6所示。由表6可知：各桩腿最大UC值均小于1，证明桩腿强度满足CCS规范要求，可支撑主船体和上层建筑。

表6 桩腿最大UC值

4 结 论

建立自升式海洋牧场综合平台有限元模型，计算13个波浪入射角的平台倾覆载荷，即风载荷、波流载荷、P-Δ效应和波流动力放大效应，并对各角度的平台抗倾稳定性进行校核。计算结果表明：

(1)不同风向的迎风面积不同，风倾力矩不同。

(2)在总倾覆力矩中，风倾力矩占比最大，原因在于平台较大的受风面积和较高的风力中心位置。

(3)站立工况各方向的抗倾安全因数均大于1.1；桩腿最大UC值为0.374，桩腿强度满足CCS规范要求。