李輝，張明

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200120）

0 引言

海上風(fēng)電從潮間帶和近海走向深遠海是風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢，目前國內(nèi)潮間帶和近海風(fēng)電的輸電方式主要為高壓交流輸電（HVAC）[1]，但其傳輸容量和傳輸距離會受到限制，對于深遠海風(fēng)電場[2]，直流輸電的優(yōu)勢越來越明顯，可大幅減少線損和增加輸送容量。海上換流站能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電，是柔性直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

三峽如東海上換流站上部模塊為7層建筑，平面尺寸約84 m×94 m，高約44 m，重量約為2.33萬t，建成后將成為亞洲第一座海上換流站，也是迄今為止世界最大的海上換流站。因重量和外形因素制約，在海上安裝時無法采取傳統(tǒng)的浮吊安裝模式，需采用浮托方式進行安裝[3]，本次采用的是高位浮托的安裝模式，所以陸地建造[4]階段通過使用大型龍門吊將分段在DSF（甲板支撐框架）基礎(chǔ)上逐層搭載實現(xiàn)將上部模塊架高的目的，其中DSF重量約為0.42萬t，與上部模塊一起合計重量約為2.8萬t。制造碼頭布置了5條專用的下水滑移承重梁（以下簡稱“承重梁”），產(chǎn)品下水滑移時需與其對應(yīng)，所有載荷都由承重梁承受。圖1為上部模塊與DSF在碼頭后場總裝位置。由于承重梁數(shù)量和間距固定，碼頭對不同類型的產(chǎn)品適應(yīng)性較差，其承載能力也較沉箱式、重力式碼頭要弱[5]。通常此類結(jié)構(gòu)形式碼頭適用的產(chǎn)品滑移下水重量在1萬t左右。所以對于三峽換流站上部模塊與DSF結(jié)構(gòu)合計達2.8萬t的產(chǎn)品，無論在碼頭上進行總拼搭載還是滑移下水[6-8]都是史無前例的。

圖1 上部模塊及DSF后場總裝位置圖（mm）Fig.1 Building position of topside and DSF in the backyard(mm)

1 研究內(nèi)容

在設(shè)計的過程中主要遇到以下技術(shù)難題：

1）由于換流站上部模塊重力分布、DSF高度有限及桁架式設(shè)計形式的原因，DSF底架下5條滑道間載荷分布不均，且每條滑道上不同位置載荷分布也不均，個別滑道的載荷峰值遠超碼頭許用。

2）由于換流站上部模塊在海上浮托安裝寬度受限，DSF底架外側(cè)2條縱梁無法正對碼頭承重梁，又由于承重梁在碼頭前、后場的寬度和結(jié)構(gòu)形式不同的原因，導(dǎo)致DSF底架下的5號滑道在碼頭后場時不在碼頭承重梁范圍內(nèi)。

基于以上兩點，本文研究了一套有效的碼頭分載及載荷轉(zhuǎn)移的方法。此方法不需改變現(xiàn)有DSF的結(jié)構(gòu)形式，也不需對碼頭進行改造或加強，即可實現(xiàn)自重2.8萬t換流站上部模塊（含DSF）在承載能力受限碼頭上的總拼搭載和下水滑移，使得該項目不需轉(zhuǎn)移至具有更大承載能力的碼頭完成，節(jié)約了大量的成本，同時也為后續(xù)可能遇上類似問題的項目提供了設(shè)計思路和解決辦法。

2 問題分析

DSF作為換流站上部模塊海上浮托安裝時的支撐結(jié)構(gòu)，在陸上亦起到總裝和滑移下水支架的作用。DSF由9個上部承臺、9組承臺斜撐組及下部底架組成。DSF所有承臺的設(shè)計位置與上部模塊指定的強結(jié)構(gòu)對應(yīng)，DSF下部底架設(shè)計有5條縱梁，5條縱梁下鋪設(shè)滑移軌道分別對應(yīng)制造碼頭的5條承重梁。換流站上部模塊碼頭搭載完成后需連同底下的DSF一起滑移至碼頭前沿，并最終滑移上船，運往海上風(fēng)場進行浮托安裝，如圖2所示。

圖2 DSF及底架滑道布置圖Fig.2 Layout of DSF and underframe slideway

根據(jù)各承臺作用載荷，利用有限元分析軟件計算得出中間3條滑道的總載荷遠大于外側(cè)2條滑道。DSF通過斜撐管將換流站重力傳遞至DSF底架上的5條縱梁，且單條滑道上的載荷分布也是不均勻的，斜撐管與縱梁相貫連接節(jié)點處的力非常大，導(dǎo)致最終作用在碼頭上的線荷載峰值遠超過碼頭許用。所以需要研究如何在不同滑道間和同一滑道內(nèi)部進行分載，最終達到降低滑道線載荷峰值的目的。

因換流站上部模塊海上浮托安裝時施工寬度限制，DSF的設(shè)計寬度不能太大，導(dǎo)致DSF底架外側(cè)的2條縱梁無法像中間3條縱梁一樣與碼頭承重梁中心線正對。同時，因承重梁在碼頭前、后場的梁寬及結(jié)構(gòu)形式不同，使得DSF底架5號縱梁下對應(yīng)的5號滑道僅能與碼頭前場承重梁對應(yīng)，在碼頭后場會偏出承重梁范圍，如圖3所示。為此，需要研究如何解決5號縱梁與碼頭前、后場承重梁對樁的問題。

圖3 5號滑道碼頭前后場位置比較Fig.3 Comparison of wharf front and back yard of No.5 slideway

3 研究思路

3.1 不同滑道間荷載分載

圖4為上部模塊與DSF橫截面圖。

圖4 上部模塊與DSF橫截面圖（mm）Fig.4 Cross section of topside and DSF(mm)

因換流站自身結(jié)構(gòu)形式和海上浮托安裝高度的原因，其下的DSF支撐結(jié)構(gòu)無法設(shè)計得更高，造成DSF外側(cè)斜撐管角度欠佳，換流站自身重量無法向1號、5號縱梁進行充分傳遞，使得中間3條縱梁分配的總載荷多而外側(cè)2條縱梁分配的總載荷少。

為此，在不改變現(xiàn)有DSF結(jié)構(gòu)形式、不增加DSF結(jié)構(gòu)重量的基礎(chǔ)上，通過頂升提供預(yù)壓力的方法對DSF底架5條縱梁上的載荷進行重新再分配，達到不同縱梁上荷載均載的目的。具體方法如下：

在撤除DSF底架上的總裝胎架前，對于整體受力較小的1號、5號兩處縱梁進行多點同步頂升，使其承受一定的預(yù)壓力并產(chǎn)生適當(dāng)預(yù)變形，然后再敲緊木方進行撤墩，這樣可使卸載后部分荷載從受力大的中間3條縱梁轉(zhuǎn)移到受力較小的外側(cè)2條縱梁上來，分載結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，通過對外側(cè)2條縱梁施加預(yù)壓力，與其臨近的2號、4號縱梁上的荷載向1號、5號縱梁進行了有效轉(zhuǎn)移，僅余最中間3號縱梁的荷載仍較大。

表1 分載處理前后的各滑道載荷Table 1 Load of each slideway before and after load sharing treatmentkN

3.2 同一條縱梁內(nèi)部荷載分載

對于每條縱梁，載荷峰值都發(fā)生在承臺斜撐管與縱梁相貫的連接處位置。對此，通過采取局部騰空的方法加以解決，具體方法如下：

根據(jù)有限元分析軟件計算結(jié)果，將載荷峰值區(qū)域的斜木與縱梁間預(yù)留出適當(dāng)?shù)拈g隙，讓荷載更多地向其周圍區(qū)域傳遞，可達到降低荷載峰值的目的。同時，因斜木在受力狀態(tài)下和自由不受力狀態(tài)下貼緊的程度不同，需采取措施保證預(yù)留的微量間隙的準確性。斜木在承受相等荷載的條件下預(yù)留出了要求的微量間隙，成功降低了單排滑道的荷載峰值，使線荷載峰值由最大時的223.7 t/m大幅降低至143.9 t/m，見表2，滿足了碼頭承載力的要求，實現(xiàn)了承載力受限碼頭在不改造或不加強的情況下完成換流站上部模塊的搭載和滑移下水，具有非常高的經(jīng)濟價值和借鑒意義。

表2 分載處理優(yōu)化后的各滑道載荷Table 2 Load of each slideway after optimized load sharing treatment

3.3 碼頭前后場不同下水滑道梁間荷載轉(zhuǎn)移

因浮托安裝寬度限制和前、后場碼頭下水滑移承重梁寬度不同，DSF底架無法設(shè)計得更寬，其下的5號縱梁無法滿足同時與碼頭前、后場承重梁對樁。為使換流站上部模塊在滑移時確保所有的滑道都在碼頭承重梁上，使用了以下方法：

對DSF底架5號縱梁進行局部加寬，在局部加寬處布置臨時的6號滑道，使得6號滑道處于碼頭承重梁范圍內(nèi)（為了不影響海上浮托安裝，加寬部分在上船前需拆除）。同時要求DSF底架在全部滑移至碼頭前場后，6號臨時滑道上的滑板梁能夠自主卸載，而不再隨上部模塊一起滑移。從而實現(xiàn)滑移過程中DSF的6號滑道荷載向5號滑道的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。

4 實施方法

4.1 碼頭支反力分載

本方法在實施碼頭分載的過程中需要使用的硬件主要由千斤頂、頂升胎架、頂升墊塊、頂升墊板、斜木、DSF、滑板梁、滑移軌道等組成。它們之間的相互關(guān)系如下：

DSF上部為管系結(jié)構(gòu)支撐換流站上部模塊，下部底架為組合箱型梁結(jié)構(gòu)，可在其下布置滑移軌道進行滑移。千斤頂、頂升胎架、頂升墊塊和頂升墊板為DSF底架1號、5號縱梁的頂升設(shè)備，可以對1號、5號縱梁施加預(yù)壓力。斜木、滑板梁、滑移軌道為滑移系統(tǒng)的一部分，其中斜木為DSF底架與滑板梁之間的柔性傳力媒介；換流站上部模塊及DSF的重力載荷通過滑板梁傳遞至滑移軌道，并由滑移軌道最終傳遞至碼頭的承重梁上。

本方法的具體實施如下：

1）撤除DSF底架下的總裝胎架及總拼輔助高胎架前，在碼頭上與DSF底架各條縱梁對應(yīng)的位置下鋪設(shè)6排滑道，滑道上放置移位用滑板梁。

2）拆除總拼輔助高胎架，在DSF底架1號、5號縱梁外側(cè)位置放置頂升設(shè)備，依次同步頂升1號、5號縱梁達到預(yù)定壓力，如圖5所示。

圖5 DSF底架1號、5號縱梁頂升布置圖Fig.5 Jacking arrangement of No.1 and No.5 longitudinal beam of DSF underframe

3）在6條滑道的滑板梁與DSF底面放置斜木并敲緊。

4）在3號滑道要求預(yù)留間隙的區(qū)域作標(biāo)記線，如圖6所示。

圖6 3號滑道荷載峰值處斜木與底架間隙預(yù)留（mm）Fig.6 Reserved gap between wood and underframe at the peak load of No.3 slideway（mm）

5）在所有斜木都統(tǒng)一被敲緊受力一致的狀態(tài)下，對需要預(yù)留間隙處斜木的兩側(cè)從上往下劃標(biāo)記直線，然后再敲松此處的木頭，將所劃標(biāo)記直線的間距調(diào)到計算值，圓滿地解決了施工過程中預(yù)留微量間隙的準確性，如圖7所示。

圖7 斜木間隙預(yù)留步驟示意圖Fig.7 Steps of wood gap reservation

6）撤除DSF底架下的所有總裝胎架，將換流站上部模塊及DSF落到鋪設(shè)的滑移用的滑板梁上，完成碼頭分載。

4.2 碼頭前后場滑道荷載轉(zhuǎn)移

通過將6號臨時滑道在碼頭前后場設(shè)置成不同高度的方法，即前場滑道低于后場滑道，如圖8所示，隨著6號滑道上的滑板梁和斜木在牽引移位過程中逐漸脫離DSF底架，其荷載也逐漸轉(zhuǎn)移至邊上的與碼頭前場滑道梁正對的5號滑道上，完成碼頭前后場滑道梁間的載荷轉(zhuǎn)移。

圖8 6號滑道載荷轉(zhuǎn)移示意Fig.8 Load transfer diagram of No.6 slideway

5 技術(shù)優(yōu)點

基于三峽換流站項目，針對制造碼頭承載能力不足及DSF結(jié)構(gòu)形式原因造成的諸多問題，研究出一套碼頭分載及載荷轉(zhuǎn)移方法，優(yōu)點如下：

1）解決了換流站上部模塊從碼頭后場向碼頭前場滑移過程中，前、后場下水滑移承重梁寬度不一致以及結(jié)構(gòu)不同造成的滑移軌道與碼頭承重梁不對應(yīng)的問題。

2）實現(xiàn)了在滑移過程中的不同滑道間荷載的自主轉(zhuǎn)移，避免換流站在滑移過程中出現(xiàn)不必要的停頓，降低了滑移風(fēng)險。

3）將約2.8萬t總荷載在不改變DSF結(jié)構(gòu)形式的情況下對DSF下5條縱梁進行載荷的二次分配，使底架下各縱梁對應(yīng)滑道在碼頭滑移時的承載相對均勻，大幅降低了不同滑道間的壓力差。

4）在承受相等荷載的條件下對局部區(qū)域微量間隙的精準預(yù)留，實現(xiàn)單排滑道上荷載峰值大幅降低，受力更加均勻，大幅降低滑道上的壓力差。

5）在不對碼頭進行改造或加強的情況下，使得換流站上部模塊在碼頭滑移時的荷載情況滿足了碼頭承載要求，既很好地保護了碼頭，又增大了碼頭的適用性，節(jié)省了大量成本，并且為以后類似的項目提供了良好的經(jīng)驗及借鑒。

6 結(jié)語

本技術(shù)是在超大型風(fēng)電設(shè)備滑移下水領(lǐng)域中的一次重大創(chuàng)新，本技術(shù)已經(jīng)申請中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利。通過本技術(shù)方法，使在承載力受限碼頭制造自重2.8萬t的超大型風(fēng)電設(shè)備成為現(xiàn)實，實現(xiàn)了在滑移過程中碼頭前、后場下水滑道承重梁寬度及結(jié)構(gòu)形式不同的情況下，不同滑道間荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，使得滑移荷載始終能夠傳遞到碼頭的承重梁上，滿足了碼頭承載基本要求；實現(xiàn)了在不改變DSF基本結(jié)構(gòu)形式的情況下，碼頭上5條下水滑道梁間荷載的二次分配并對單條道梁上的荷載峰值進行再次分載優(yōu)化，使得最大滑移荷載降低至碼頭承載能力范圍內(nèi)。目前國內(nèi)外尚未有此技術(shù)方法的運用，因此可以說該項方法填補了國內(nèi)外自重2.8萬t的大型風(fēng)電結(jié)構(gòu)滑移在滑道梁、板結(jié)構(gòu)碼頭下水領(lǐng)域的空白。