风电安装平台海工吊与绕桩吊组合方式分析
摘要：风电机组采用吊装的方式进行安装，对风电平台和吊机精度的要求比较高，在海上作业过程中容易受到风力、水力等因素影响，导致吊装精度较差、施工效率较低。因此，为提高风电安装平台的吊重能力，将以往常用的海工吊方法和绕桩吊方法进行组合应用，依据风电安装平台结构进行强度分析，对吊机作业过程中的技术参数进行优化设计，使其可以满足风电安装平台结构强度要求，提高风机安装的精度。
关键词：风电安装平台；海工吊；绕桩吊；有限元分析；组合作业
引言：海上风电安装过程中需要避免碰撞，并需要控制安装精度在合理的范围之内。风机安装的核心装置使用风电安装平台，平台具有强大的吊重能力，并使用2台吊机进行同步吊装方可完成作业。结合海上风机安装的特点，采用何种吊装方式对吊装质量有着直接的影响，传统吊装采用绕桩吊为主、海工吊为辅的吊机组合方式，成本投入较高，对平台吊重要求较高，如果采用海工吊为主、绕桩吊为辅的方式进行吊机组合方式，可在增加吊距的同时，降低吊机作业成本，提高吊装精度。
1组合方式分析
1.1海工吊与绕桩吊概述
海工吊和绕桩吊是两种吊装设备，均在海工工程建设中发挥着重要的作用。海工吊也被称之为船用吊机，将其安装到船舶之中进行货物的装卸以及零件的运输绕桩吊则是指围绕平台桩腿建设而成的起重机，在使用过程中可以将大臂收缩到桩腿位置，作业过程中尾部摆动的动作比较小，可以减少海工工程中船舶的空间。在海上风机安装过程中，同时应用到海工吊和绕桩吊可以起到良好的吊装效果，但两种设备如何组合应用是值得探讨的问题。
1.2组合方式
海工吊和绕桩吊在使用过程中，需要以自升式风电安装平台为基础，在平台上进行吊装作业。不同的组合应用方式对平台的要求也有所不同，平台的吊重能力是衡量风电平台性能、强度最重要的指标。对平台进行设计主要验算桩腿的强度和窗体平台强度是否可以满足海工吊和绕桩吊组合应用的要求。目前，比较常用的为华电稳强自升式风电安装平台，该平台建设投入成本比较高，采用绕桩吊为主、海工吊为辅的吊机组合应用方式，该组合方式对平台桩腿承载能力要求较高[1]。
对比传统的吊机组合方式和本文设计的新型吊机组合方式，均采用海工吊与绕桩吊组合的方式进行作业，传统吊机组合方式以绕桩吊为主，新型吊装方式以海工吊为主。对两种吊机组合方式下的相关参数进行对比分析，具体内容如下
传统组合方式：传统组合方式以绕桩吊为主进行作业，吊机支持79000KN以上重力的吊装，绕桩吊可以实现6000KN以下重力零件和货物的运输，可控制吊距距离在20m左右。安装平台的桩腿最大承载力为35000KN。使用该组合方式进行作业过程中，对升降的要求比较高，需要安装四个桩腿进行承载，对船体的承载能力也有一定的要求。
新型组合方式：新型组合方式以海工吊为主进行作业，在吊机的布设方式上与传统布设方式存在明显的不同。当两种组合方式的主尺度相同时，平台支持85000KN的重力抬升，海工吊可支持6500KN以下重物的运输。该组合方式下的吊机设备作业可控制吊距距离在25m以下，桩腿数量与传统组合方式相同的，单腿承载压力在30000KN以下。
对比两种组合方式，以海工吊为主的组合方式的作业抬升能力更高，进一步对风电安装过程中的平台设计应用进行分析，采用有限元分析法进行强度的验证，判断其是否可以满足强度标准。
2风电安装平台设计应用
2.1平台桩腿强度分析
2.1.1载荷分析
采用海工吊为主的吊机组合方式，在对吊机各项参数进行明确的基础上，对平台的强度进行检验，设计满足该组合方式的风电安装平台。平台桩腿的强度检验需要同时考虑到环境的载荷能力、附加载荷和主机操作载荷对平台的影响。不同载荷采用不同的强度分析方法，具体内容如下：
环境载荷：考虑到吊机作业会受海上环境影响，对环境载荷进行分析，使用莫里森方程进行分析，依据作业环境的水深、浪潮、水位周期等进行计算。分析主要使用波浪理论。例如，在水深环境为50m的环境下进行验算，重力加速度为固定值9.8m/S，海上作业环境波浪每8s来袭一次，在已经确定相关参数的情况下近无量纲的计算，可以确定相对水深的数值为0.82，相对波陡数值为0.007，设定波浪来袭是最大的波浪高度为H，依据上述理论进行计算。该理论考虑到海上存在波浪情况下会产生拖曳力和惯性力，使用流力表示力的综合，并对作业环境的阻力系数和惯性系数进行确定。平台使用圆柱形的桩腿，其阻力和惯性系数确定为0.6和2，对桩腿的相关参数进行修正，桩腿直径修正值为0.95，粗糙度修正值为2.01，根据上述参数进行流速的确定。
附加载荷：由于组合吊机在作业过程中会产生动态放大效应，并在波浪来袭的过程中会导致船体出现偏移，船体出现不稳定性因素。依据莫里森方程在模型之中添加水平力参数和倾覆力参数，对附加载荷产生的动态放大因子进行确定。确定平台固有周期、波浪周期、阻尼系数的情况下，进行动态放大因素的计算。在明确动态放大因子后进行惯性力的计算，惯性力计算主要依据桩腿的剪力值进行计算。吊机作业过程中船体处于垂直荷载的状态，在惯性力的作用下会产生位置偏移，形成弯矩，基于弯矩效应进行船体的位移参数计算，确定一阶位移和二阶弯矩系数。经过计算后可以确定弯矩变化后所影响的形变，并对桩腿的支反力和欧拉力进行确定。因此，在附加载荷状态下，船体会产生偏离，桩腿的支反力会增加[2]。
主机载荷：在主机荷载的状态下，绘制主钩的负载曲线，并对吊机作业过程中产生的最大荷载进行计算。吊机在作业环境下可以在360°范围内执行动作，在此过程产生的载荷会与环境载荷叠加。因此，平台设计沿着环境载荷的方向，在最大载荷的状态下，围绕固定柱旋转360°。吊机作业的最大载荷会根据工况发生改变，吊重不同、吊距不同所产生的载荷存在差异，具体吊机的支反力值变化如表1所示。
表 1 吊机作业最大荷载数值表
工况环境 垂向力 弯矩值
吊重：6000KN吊距：20m 18500KN 205000（KN·m）
吊重：5000KN吊距：30m 17830KN 248500（KN·m）
吊重：6000KN吊距：25m 18743KN 2298560（KN·m）
2.1.2强度校验
对吊机作业过程中桩腿的强度进行效验，需要考虑到船体自重以及可变载荷参数，并计算作业环境下桩腿的靴重量以及浮力值。依据上述工况对桩腿的支反力进行计算，并考虑环境载荷对平台桩腿产生的要求。如果在风浪流与环境载荷处于同相的状态，平台沿着宽度位置具有对称属性，环境荷载的角度范围可以确定在180°范围内。由于风浪流的条件不同，吊机的旋转角度具有灵活性，支持执行工况的数量共计存在80个左右。设计平台桩腿的最大支座力为32000KN，桩腿靴底反力值为32400KN，对桩腿的强度进行效验，预计桩腿的最小支撑能力可以达到28500KN。使用的桩腿材料为EH40，该材料的屈服应力可以达到350MPa左右。当吊机处于正常作业状态下时，组合吊安全系数取值为1.2，确定允许应力为280MPa。结合实际参数进行桩腿强度的校验，平台的设计可以满足CCS标准中的要求。依据上述工况并对各项参数明确的基础上，计算桩腿轴向应力最大值与允许应力的比值，可得出结果为0.564，弯曲应力的比值为0.498，计算结果可以满足风电安装海工吊为主、绕桩吊为辅组合应用的要求。
2.2平台船体强度分析
以海工吊为主、绕桩吊为辅的吊装作业下，对平台船体进行设计，通过强度校验的方式计算其是否满足实际应用的要求。平台的船体设计依据的标准是CCS标准，在确定具体工况和实际载荷条件的此基础上，对平台窗体各结构的应力参数进行确定，判断其是否满足实际工况要求。平台船体结构应力构件主要包括底板、甲板、围阱、固桩室、横向和纵向强构件六个部分。设计风电安装平台的船体材料为AH32钢材，该材料的屈服强度最高可以达到310MPa，安全系数可以达到1.2，允许应力可以达到250MPa，依据上述数据进行计算，判断其是否满足能力要求。
根据强度校验结果船底板的强度值在2.18至4.58之间，主甲板的强度值在3.21只5.92之间，纵向强构件的强度值在5.0至8.31之间，横向强构件的强度值在5.26至8.71之间，围阱的强度值在3.43只5.69之间，固桩室的强度值在1.13至1.87之间。依据上述参数及船体部分材料的强度值计算结果，设计风电安装平台在关键能力上可以满足要求，符合CCS标准中对平台船体强度提出的要求。
3组合吊机作业方式应用
3.1桩腿强度计算结果
在使用海工吊作为主吊，绕桩吊作为辅助的吊装作业方式过程中，对两台吊机同时作业情况下的强度进行效验，判断其是否可以满足组合使用的强度要求。设计组合作业过程中的工况，将其设定为A、B、C、D四种，强度计算过程中保持环境荷载与主吊机的方向具有一致性，在此基础上进行桩腿强度的计算，具体工况设计内容如表2所示。
表 2 海工吊与绕桩吊同时作业情况表（°）
工况 重力、浮力方向 环境荷载方向 主吊机方向 绕桩吊方向
A 垂向 269.5 269.5 269.5
B 垂向 243.5 288.4 243.5
C 垂向 255.7 288.4 330.2
D 垂向 330.2 210.1 330.2
在两台吊机同时作业的情况下进行桩腿的强度计算，在计算过程中需要考虑到绕桩吊及海工吊情况下主吊机同时作业会增加桩腿的支撑力，并对桩腿的支撑能力和强度提出较高的要求。将上述条件输入到具体的工况之中，在正常作业环境下进行桩腿支座反力的计算，并将计算结果用于评价桩腿的强度是否满足要求，具体计算结果如表3所示。
表 3 海工吊与绕桩吊组合作业桩腿支反力参数表（KN）
工况 桩腿A 桩腿B 桩腿C 桩腿D
A 19854.2 31008.2 31885.4 16548.6
B 20330.5 29874.4 30769.6 18833.9
C 20587.9 27456.3 32108.5 19357.4
D 22844.5 28965.7 27747.1 19663.9
根据上述结果确定组合作业情况下平台桩腿的支座反力，考虑到组合方式作业环境下的空船重量和可变载荷情况，将桩腿的桩靴重量和桩腿浮力等参数输入到计算条件之中，计算最终的支反力参数为99847.6KN，较起吊的总重量较大，可以满足实际应用的要求。对该情况产生的主要原理进行分析，由于海工吊和绕桩吊同时作业过程中，吊机的载荷在支座位置施加反力，计入了吊机的安全系数，因此，支反力的计算较总重量较大。经过计算后确定桩腿的最大支座反力为32108.5，桩靴底位置的反力至为32500KN，预压载单桩腿的支撑能力在29000KN以上，桩腿使用的材料为EH36。该材料制作的桩腿的屈服应力参数为355MPa，取值安全系数为1.2，允许应力参数为280MPa。在两台吊机同时作业的情况下，对风电安装平台进行设计，并对桩腿的强度进行验算，其最终设计结果可以满足CCS标准对平台强度提出的要求。考虑到在上述条件作业下的绕桩吊可能会处于全回转的状态，对轴向应力与允许应力的最大比值进行计算，最终结果为0.5，弯曲应力最大比值为0.22，最终结果表示，设计平台的桩腿强度可以满足以海工吊为主、绕桩吊为辅的作业方式。
3.2船体强度计算结果
根据设计平台的船体的相关参数，将条件输入到有限元模型之中进行计算和分析，并考虑绕桩吊和海工吊同时作业情况下，船体的强度是否可以满足平台设计和应用的具体要求。以CCS中对海上风机安装作业提出的要求，进行有限元的强度测试，将甲板、船低、横向舱壁、纵向舱壁以及固桩室作为主要结构进行强度计算，最终计算结果如表4所示。
表 4 船体强度有限元分析结果表（MPa）
工况 船体结构 等效应力 允许应力
D 甲板 28.5 250
D 船底 8.19 250
D 横舱壁 29.3 250
D 纵舱壁 37.6 250
D 固桩室 185.2 250
基于有限元模型的构建对船体的强度进行计算，以海工吊为主、绕桩吊为辅的同时作业情况下，船体设计可以满足CCS中对船体提出的要求，强度可以满足同步作业的需要。
3.3组合应用方式优势对比
在对风电安装平台进行设计，并建立有限元模型对海工吊和绕桩吊同时作业下的应用情况进行对比分析。一种是以绕桩吊为主吊、海工吊为辅吊的吊装方式，新型吊装方式为海工吊为主吊、绕桩吊为辅吊的吊装方式，在满足强度设计的条件下对两种组合方式的经济性、适用性进行对比，具体结果如下：
成本投入：传统组合方式下进行海上风机的安装，平台及吊机共计总成本达到1852.6万元以上，以海工吊为主的组合方式成本投入值在1427.8万元左右，经过对比分析后，新型组合方式在风电安装平台上的设计应用可以节约成本数量在20%左右。
吊距：通过对吊距的分析，传统组合方式基于平台作业的吊距在20m左右，新型组合方式的吊距有所延长，吊距可以延长至25m左右，在海上作业过程中具有明显的灵活性，且在使用过程中安全系数较高，不会因吊距过短导致作业过程中出现结构碰撞的问题，吊装过程更加稳定。
吊重能力：传统组合方式应用以绕桩吊为主，海工吊为辅的作业方式，绕桩吊作业过程中的吊重能力在6000KN左右，而海工吊的吊重能力可以达到6500KN左右，且对吊机的升降能力要求比较低。使用新型的组合方式同步作业过程中，吊装性能更加良好。
综合对比两种组合方式，传统组合方式已经投入到海上风机的安装之中，且满足CCS中对桩腿和船体强度提出的要求。使用新型的吊机组合形式进行作业，经过有限元分析和强度校验，其在桩腿和船体强度上均可以满足CCS标准中提出的要求。本文采用自升式的风电安装平台进行作业，采用限定组合工况进行强度检验和分析，最终结果满足CCS规范，但需要进一步对其进行验证，考虑复杂的海上作业环境。
结论：综上所述，应用组合吊装方式进行海上风机的安装，将海工吊作为主要吊装方式，辅助应用绕桩吊可以有效降低作业从成本，且可以控制吊距不会出现机械碰撞的情况，可满足高精度吊装的要求。经过验证后，该吊装方式在作业阶段平台桩腿、船体的强度可以满足吊装的要求，吊装质量较好。因此，采用海工吊为主、绕桩吊为辅的方式进行吊机组合应用，具有技术可行性和经济可行性，可对该方式进行推广应用。
参考文献：
[1]黄俊宏.坐底风电安装船600t吊机吊重试验与有限元分析应用[J].中国修船,2022,35(05):28-30.
[2]张丁标,戴洪祥,蓝巨滔,等.自升式风电安装平台综合电力推进系统应用[J].船舶与海洋工程,2022,38(04):29-33+43.
摘要：风电机组采用吊装的方式进行安装，对风电平台和吊机精度的要求比较高，在海上作业过程中容易受到风力、水力等因素影响，导致吊装精度较差、施工效率较低。因此，为提高风电安装平台的吊重能力，将以往常用的海工吊方法和绕桩吊方法进行组合应用，依据风电安装平台结构进行强度分析，对吊机作业过程中的技术参数进行优化设计，使其可以满足风电安装平台结构强度要求，提高风机安装的精度。
关键词：风电安装平台；海工吊；绕桩吊；有限元分析；组合作业
引言：海上风电安装过程中需要避免碰撞，并需要控制安装精度在合理的范围之内。风机安装的核心装置使用风电安装平台，平台具有强大的吊重能力，并使用2台吊机进行同步吊装方可完成作业。结合海上风机安装的特点，采用何种吊装方式对吊装质量有着直接的影响，传统吊装采用绕桩吊为主、海工吊为辅的吊机组合方式，成本投入较高，对平台吊重要求较高，如果采用海工吊为主、绕桩吊为辅的方式进行吊机组合方式，可在增加吊距的同时，降低吊机作业成本，提高吊装精度。
1组合方式分析
1.1海工吊与绕桩吊概述
海工吊和绕桩吊是两种吊装设备，均在海工工程建设中发挥着重要的作用。海工吊也被称之为船用吊机，将其安装到船舶之中进行货物的装卸以及零件的运输绕桩吊则是指围绕平台桩腿建设而成的起重机，在使用过程中可以将大臂收缩到桩腿位置，作业过程中尾部摆动的动作比较小，可以减少海工工程中船舶的空间。在海上风机安装过程中，同时应用到海工吊和绕桩吊可以起到良好的吊装效果，但两种设备如何组合应用是值得探讨的问题。
1.2组合方式
海工吊和绕桩吊在使用过程中，需要以自升式风电安装平台为基础，在平台上进行吊装作业。不同的组合应用方式对平台的要求也有所不同，平台的吊重能力是衡量风电平台性能、强度最重要的指标。对平台进行设计主要验算桩腿的强度和窗体平台强度是否可以满足海工吊和绕桩吊组合应用的要求。目前，比较常用的为华电稳强自升式风电安装平台，该平台建设投入成本比较高，采用绕桩吊为主、海工吊为辅的吊机组合应用方式，该组合方式对平台桩腿承载能力要求较高[1]。
对比传统的吊机组合方式和本文设计的新型吊机组合方式，均采用海工吊与绕桩吊组合的方式进行作业，传统吊机组合方式以绕桩吊为主，新型吊装方式以海工吊为主。对两种吊机组合方式下的相关参数进行对比分析，具体内容如下
传统组合方式：传统组合方式以绕桩吊为主进行作业，吊机支持79000KN以上重力的吊装，绕桩吊可以实现6000KN以下重力零件和货物的运输，可控制吊距距离在20m左右。安装平台的桩腿最大承载力为35000KN。使用该组合方式进行作业过程中，对升降的要求比较高，需要安装四个桩腿进行承载，对船体的承载能力也有一定的要求。
新型组合方式：新型组合方式以海工吊为主进行作业，在吊机的布设方式上与传统布设方式存在明显的不同。当两种组合方式的主尺度相同时，平台支持85000KN的重力抬升，海工吊可支持6500KN以下重物的运输。该组合方式下的吊机设备作业可控制吊距距离在25m以下，桩腿数量与传统组合方式相同的，单腿承载压力在30000KN以下。
对比两种组合方式，以海工吊为主的组合方式的作业抬升能力更高，进一步对风电安装过程中的平台设计应用进行分析，采用有限元分析法进行强度的验证，判断其是否可以满足强度标准。
2风电安装平台设计应用
2.1平台桩腿强度分析
2.1.1载荷分析
采用海工吊为主的吊机组合方式，在对吊机各项参数进行明确的基础上，对平台的强度进行检验，设计满足该组合方式的风电安装平台。平台桩腿的强度检验需要同时考虑到环境的载荷能力、附加载荷和主机操作载荷对平台的影响。不同载荷采用不同的强度分析方法，具体内容如下：
环境载荷：考虑到吊机作业会受海上环境影响，对环境载荷进行分析，使用莫里森方程进行分析，依据作业环境的水深、浪潮、水位周期等进行计算。分析主要使用波浪理论。例如，在水深环境为50m的环境下进行验算，重力加速度为固定值9.8m/S，海上作业环境波浪每8s来袭一次，在已经确定相关参数的情况下近无量纲的计算，可以确定相对水深的数值为0.82，相对波陡数值为0.007，设定波浪来袭是最大的波浪高度为H，依据上述理论进行计算。该理论考虑到海上存在波浪情况下会产生拖曳力和惯性力，使用流力表示力的综合，并对作业环境的阻力系数和惯性系数进行确定。平台使用圆柱形的桩腿，其阻力和惯性系数确定为0.6和2，对桩腿的相关参数进行修正，桩腿直径修正值为0.95，粗糙度修正值为2.01，根据上述参数进行流速的确定。
附加载荷：由于组合吊机在作业过程中会产生动态放大效应，并在波浪来袭的过程中会导致船体出现偏移，船体出现不稳定性因素。依据莫里森方程在模型之中添加水平力参数和倾覆力参数，对附加载荷产生的动态放大因子进行确定。确定平台固有周期、波浪周期、阻尼系数的情况下，进行动态放大因素的计算。在明确动态放大因子后进行惯性力的计算，惯性力计算主要依据桩腿的剪力值进行计算。吊机作业过程中船体处于垂直荷载的状态，在惯性力的作用下会产生位置偏移，形成弯矩，基于弯矩效应进行船体的位移参数计算，确定一阶位移和二阶弯矩系数。经过计算后可以确定弯矩变化后所影响的形变，并对桩腿的支反力和欧拉力进行确定。因此，在附加载荷状态下，船体会产生偏离，桩腿的支反力会增加[2]。
主机载荷：在主机荷载的状态下，绘制主钩的负载曲线，并对吊机作业过程中产生的最大荷载进行计算。吊机在作业环境下可以在360°范围内执行动作，在此过程产生的载荷会与环境载荷叠加。因此，平台设计沿着环境载荷的方向，在最大载荷的状态下，围绕固定柱旋转360°。吊机作业的最大载荷会根据工况发生改变，吊重不同、吊距不同所产生的载荷存在差异，具体吊机的支反力值变化如表1所示。
表 1 吊机作业最大荷载数值表
工况环境 垂向力 弯矩值
吊重：6000KN吊距：20m 18500KN 205000（KN·m）
吊重：5000KN吊距：30m 17830KN 248500（KN·m）
吊重：6000KN吊距：25m 18743KN 2298560（KN·m）
2.1.2强度校验
对吊机作业过程中桩腿的强度进行效验，需要考虑到船体自重以及可变载荷参数，并计算作业环境下桩腿的靴重量以及浮力值。依据上述工况对桩腿的支反力进行计算，并考虑环境载荷对平台桩腿产生的要求。如果在风浪流与环境载荷处于同相的状态，平台沿着宽度位置具有对称属性，环境荷载的角度范围可以确定在180°范围内。由于风浪流的条件不同，吊机的旋转角度具有灵活性，支持执行工况的数量共计存在80个左右。设计平台桩腿的最大支座力为32000KN，桩腿靴底反力值为32400KN，对桩腿的强度进行效验，预计桩腿的最小支撑能力可以达到28500KN。使用的桩腿材料为EH40，该材料的屈服应力可以达到350MPa左右。当吊机处于正常作业状态下时，组合吊安全系数取值为1.2，确定允许应力为280MPa。结合实际参数进行桩腿强度的校验，平台的设计可以满足CCS标准中的要求。依据上述工况并对各项参数明确的基础上，计算桩腿轴向应力最大值与允许应力的比值，可得出结果为0.564，弯曲应力的比值为0.498，计算结果可以满足风电安装海工吊为主、绕桩吊为辅组合应用的要求。
2.2平台船体强度分析
以海工吊为主、绕桩吊为辅的吊装作业下，对平台船体进行设计，通过强度校验的方式计算其是否满足实际应用的要求。平台的船体设计依据的标准是CCS标准，在确定具体工况和实际载荷条件的此基础上，对平台窗体各结构的应力参数进行确定，判断其是否满足实际工况要求。平台船体结构应力构件主要包括底板、甲板、围阱、固桩室、横向和纵向强构件六个部分。设计风电安装平台的船体材料为AH32钢材，该材料的屈服强度最高可以达到310MPa，安全系数可以达到1.2，允许应力可以达到250MPa，依据上述数据进行计算，判断其是否满足能力要求。
根据强度校验结果船底板的强度值在2.18至4.58之间，主甲板的强度值在3.21只5.92之间，纵向强构件的强度值在5.0至8.31之间，横向强构件的强度值在5.26至8.71之间，围阱的强度值在3.43只5.69之间，固桩室的强度值在1.13至1.87之间。依据上述参数及船体部分材料的强度值计算结果，设计风电安装平台在关键能力上可以满足要求，符合CCS标准中对平台船体强度提出的要求。
3组合吊机作业方式应用
3.1桩腿强度计算结果
在使用海工吊作为主吊，绕桩吊作为辅助的吊装作业方式过程中，对两台吊机同时作业情况下的强度进行效验，判断其是否可以满足组合使用的强度要求。设计组合作业过程中的工况，将其设定为A、B、C、D四种，强度计算过程中保持环境荷载与主吊机的方向具有一致性，在此基础上进行桩腿强度的计算，具体工况设计内容如表2所示。
表 2 海工吊与绕桩吊同时作业情况表（°）
工况 重力、浮力方向 环境荷载方向 主吊机方向 绕桩吊方向
A 垂向 269.5 269.5 269.5
B 垂向 243.5 288.4 243.5
C 垂向 255.7 288.4 330.2
D 垂向 330.2 210.1 330.2
在两台吊机同时作业的情况下进行桩腿的强度计算，在计算过程中需要考虑到绕桩吊及海工吊情况下主吊机同时作业会增加桩腿的支撑力，并对桩腿的支撑能力和强度提出较高的要求。将上述条件输入到具体的工况之中，在正常作业环境下进行桩腿支座反力的计算，并将计算结果用于评价桩腿的强度是否满足要求，具体计算结果如表3所示。
表 3 海工吊与绕桩吊组合作业桩腿支反力参数表（KN）
工况 桩腿A 桩腿B 桩腿C 桩腿D
A 19854.2 31008.2 31885.4 16548.6
B 20330.5 29874.4 30769.6 18833.9
C 20587.9 27456.3 32108.5 19357.4
D 22844.5 28965.7 27747.1 19663.9
根据上述结果确定组合作业情况下平台桩腿的支座反力，考虑到组合方式作业环境下的空船重量和可变载荷情况，将桩腿的桩靴重量和桩腿浮力等参数输入到计算条件之中，计算最终的支反力参数为99847.6KN，较起吊的总重量较大，可以满足实际应用的要求。对该情况产生的主要原理进行分析，由于海工吊和绕桩吊同时作业过程中，吊机的载荷在支座位置施加反力，计入了吊机的安全系数，因此，支反力的计算较总重量较大。经过计算后确定桩腿的最大支座反力为32108.5，桩靴底位置的反力至为32500KN，预压载单桩腿的支撑能力在29000KN以上，桩腿使用的材料为EH36。该材料制作的桩腿的屈服应力参数为355MPa，取值安全系数为1.2，允许应力参数为280MPa。在两台吊机同时作业的情况下，对风电安装平台进行设计，并对桩腿的强度进行验算，其最终设计结果可以满足CCS标准对平台强度提出的要求。考虑到在上述条件作业下的绕桩吊可能会处于全回转的状态，对轴向应力与允许应力的最大比值进行计算，最终结果为0.5，弯曲应力最大比值为0.22，最终结果表示，设计平台的桩腿强度可以满足以海工吊为主、绕桩吊为辅的作业方式。
3.2船体强度计算结果
根据设计平台的船体的相关参数，将条件输入到有限元模型之中进行计算和分析，并考虑绕桩吊和海工吊同时作业情况下，船体的强度是否可以满足平台设计和应用的具体要求。以CCS中对海上风机安装作业提出的要求，进行有限元的强度测试，将甲板、船低、横向舱壁、纵向舱壁以及固桩室作为主要结构进行强度计算，最终计算结果如表4所示。
表 4 船体强度有限元分析结果表（MPa）
工况 船体结构 等效应力 允许应力
D 甲板 28.5 250
D 船底 8.19 250
D 横舱壁 29.3 250
D 纵舱壁 37.6 250
D 固桩室 185.2 250
基于有限元模型的构建对船体的强度进行计算，以海工吊为主、绕桩吊为辅的同时作业情况下，船体设计可以满足CCS中对船体提出的要求，强度可以满足同步作业的需要。
3.3组合应用方式优势对比
在对风电安装平台进行设计，并建立有限元模型对海工吊和绕桩吊同时作业下的应用情况进行对比分析。一种是以绕桩吊为主吊、海工吊为辅吊的吊装方式，新型吊装方式为海工吊为主吊、绕桩吊为辅吊的吊装方式，在满足强度设计的条件下对两种组合方式的经济性、适用性进行对比，具体结果如下：
成本投入：传统组合方式下进行海上风机的安装，平台及吊机共计总成本达到1852.6万元以上，以海工吊为主的组合方式成本投入值在1427.8万元左右，经过对比分析后，新型组合方式在风电安装平台上的设计应用可以节约成本数量在20%左右。
吊距：通过对吊距的分析，传统组合方式基于平台作业的吊距在20m左右，新型组合方式的吊距有所延长，吊距可以延长至25m左右，在海上作业过程中具有明显的灵活性，且在使用过程中安全系数较高，不会因吊距过短导致作业过程中出现结构碰撞的问题，吊装过程更加稳定。
吊重能力：传统组合方式应用以绕桩吊为主，海工吊为辅的作业方式，绕桩吊作业过程中的吊重能力在6000KN左右，而海工吊的吊重能力可以达到6500KN左右，且对吊机的升降能力要求比较低。使用新型的组合方式同步作业过程中，吊装性能更加良好。
综合对比两种组合方式，传统组合方式已经投入到海上风机的安装之中，且满足CCS中对桩腿和船体强度提出的要求。使用新型的吊机组合形式进行作业，经过有限元分析和强度校验，其在桩腿和船体强度上均可以满足CCS标准中提出的要求。本文采用自升式的风电安装平台进行作业，采用限定组合工况进行强度检验和分析，最终结果满足CCS规范，但需要进一步对其进行验证，考虑复杂的海上作业环境。
结论：综上所述，应用组合吊装方式进行海上风机的安装，将海工吊作为主要吊装方式，辅助应用绕桩吊可以有效降低作业从成本，且可以控制吊距不会出现机械碰撞的情况，可满足高精度吊装的要求。经过验证后，该吊装方式在作业阶段平台桩腿、船体的强度可以满足吊装的要求，吊装质量较好。因此，采用海工吊为主、绕桩吊为辅的方式进行吊机组合应用，具有技术可行性和经济可行性，可对该方式进行推广应用。
参考文献：
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[2]张丁标,戴洪祥,蓝巨滔,等.自升式风电安装平台综合电力推进系统应用[J].船舶与海洋工程,2022,38(04):29-33+43.
