江苏龙源振华海洋工程有限公司
摘要：结合海上风电吊装的实际经验，根据行业的施工规范和相关规定，介绍了DNVGL规范对系数的要求，对吊装作业中的载荷系数的选择及确定进行了分析，避免过于保守的系数选择，造成设计冗余过大，增加工程成本费用。
关键词：海上风电；吊装分析；系数；规范
1 引言
一次成功的吊装作业，关键在于制定出合适的吊装工艺以及正确地设计吊耳与选择吊索具，只有考虑了吊装过程的细节问题和风险因素，才能安全圆满地完成吊装作业。
在注重吊装风险控制的同时，既要考虑吊耳及杆件结构的强度，也要考虑吊耳及杆件结构的经济成本，避免结构设计冗余量过大。
吊耳及杆件的结构设计取决于各种吊索具、吊耳的载荷的选择，而吊装载荷的选择与吊装工艺中的计算载荷有关，吊装计算载荷又与确定的吊装工艺中的载荷系数有关。吊装工艺中的载荷系数的选取是一个涉及到控制吊装风险最小要求的问题。
本文结合工程吊装应用中的实际经验，就吊装设计中载荷系数的选取给出借鉴与启示。
2 规范要求
国内相关海洋工程施工的吊装规范不是很完善，大多海洋工程施工依据以往的工程经验，国外冠以海洋工程吊装施工的规范主要有美国石油协会的API规范和挪威船级社的DNVGL-ST-N001规范，DNVGL-ST-N001规范关于吊装施工的规定较为全面。
本文按照DNVGL-ST-N001的要求选择吊装载荷系数，针对风机基础桩起吊翻身的过程来逐一介绍载荷系数的选取与应用，需要强调的是规范中的要求大都是一些给出宽泛的范围，实际吊装设计中还是给设计者对载荷系数的选取带来很大困惑。
3 载荷系数的应用与选取
风机基础桩的运输，通常水平放置在运输船上从码头运输至海上安装地点，然后利用风电安装船起吊翻身至直立状态，随后打入海床。
此风机基础桩长度为75.5m，总重约为934T，由浮吊船的双钩起吊翻身至直立状态，吊耳布置位置如图所示。
3.1重量系数
根据DNVGL-ST-N001规范规定，将重量控制分为A、B、C三个类别，定义如下；
A类结构：重量大小或者重心位置对吊装操作影响非常重要。
B类结构：重量大小或者重心位置对吊装操作的影响相对A类比较小。
C类结构：重量大小或者重心位置对吊装操作的影响不是很敏感。
按照DNVGL-ST-N001规范规定，A、B、C类的重量系数规定为：
A类：重量系数为1.05；B和C类：重量系数为1.1；
被吊物实际的重量往往与理论计算的重量存在偏差，通过合理选取重量不确定系数来调整重量偏差。
根据此吊装方案中吊绳的布置，重量及重心位置延长度方向的变化，会影响吊绳载荷以及结构局部强度。可将重量归类为A类结构物，重量系数取1.05。
3.2 重心不确定系数
按照DNVGL-ST-N001规范规定：
A、B类结构采用不小于0.05L x 0.05B x 0.05H的中心包络线进行结果分析。
C类结构，重心不确定系数取1.1。
重心位置的不确定性导致吊绳载荷分布的不确定性。通过重心包络线法和不确定系数法弥补重心变化的敏感性。
由于风机基础桩在安装阶段，无其他繁杂的附属结构物，结构形式比较简单，重心位置计算相对比较准确，仅受钢板密度和风机基础桩长度公差影响，建议采用重心不确定系数法，取值1.1。
3.3 动态放大系数（DAF）
动态载荷的产生包括：吊装的开始阶段，吊装过程中吊装速度的不均匀性，吊机或者吊臂等运动，被吊物的运动等。
影响动态载荷的主要因素：环境条件，吊索具的分布，吊机的型号和匹配，吊机吊臂等结构的刚度，被吊物的重量等。
动态载荷的动态放大系数见下面表格。
3.4 偏心载荷系数（SKL）
偏心载荷是指由于制造公差等因素的影响造成吊绳载荷分布不均，主要影响因素有：
1）钢丝绳长度制造公差；2）吊点制造公差；3）钢丝绳的延展性；4）吊装绳索布置
引起偏心载荷的分布主要包括如下几种情况：
1）对于简单的确定性的吊装绳索布置（一个吊梁或者没有吊梁），并且钢丝绳公差在允许范围之内，不会对吊绳载荷产生明显影响，取1.0的偏心载荷系数。
2）对于吊装绳索布置包含2个或者2个以上吊梁，并且钢丝绳公差在允许范围之内，取1.1的偏心载荷系数。
3）对于复杂的不确定性的吊装绳索布置复杂，并且钢丝绳公差在允许范围之内，取1.25的偏心载荷系数。
风机基础桩在水平起吊初始状态时，根据力学特性，吊绳的长度公差造成起吊倾斜，并不会对上端与下端吊点吊绳载荷分配产生敏感影响。此情况下，偏心载荷系数可取1.0。
3.5 倾斜系数
考虑到吊装过程中，被吊物可能发生倾斜，按照DNVGL-ST-N001规范规定，吊装结构物的倾斜角度取值为2°~5°或者吊钩之间±1m的高度差。
由偏心载荷系数介绍可知，风机基础桩在吊装过程中的倾斜不会对吊绳载荷产生敏感影响，倾斜系数可取1.0.
3.6 艏摇系数
当超过一根吊绳连接至同一个钩头时，考虑摇摆因素的影响，艏摇系数至少取值1.05。
风机基础桩翻身主要由双钩配合起吊，双钩起吊时，被吊物几乎不发生摇摆，艏摇系数可取1.0。
可以注意到，对于吊装载荷系数，规范中大都是给出一些宽泛的范围，结合风机基础桩的实际吊装情况，选取合理的载荷系数，风机基础桩的整体吊装载荷系数1.05*1.1*1.2*1.0*1.0*1.05=1.455. 如果设计者采用保守设计理念，载荷系数取最大值，整体载荷系数则为1.1*1.1*1.2*1.25*1.1*1.05=2.096.
4 结论
通常如果一个风场的安装数量为150台，通过结构设计优化每一个吊耳，每一个风机基础上的吊耳重量减轻1吨，整个风场的吊耳减轻重量为150吨，每吨钢材的采购和加工制造成本按1万元人民币计算，可直接节省150万人民币。
根据案例介绍可知，载荷系数选取的过大，会直接造成索具、吊耳、吊梁选择上的裕度过大，带来工程费用上的增加；载荷系数选取的小，又会带来吊装作业中的吊物失稳损坏及吊索具断裂等等风险。根据现场吊装方式及被吊物的情况，正确合理的选取载荷系数，将有效降低吊装整体分析的载荷系数。在满足吊装强度要求，为吊装作业提供安全保障的同时，同时直接降低工程的成本费用。
参考文献：
[1]DNVGL-ST-N001，Marine Operation and Marine Warranty，2016
[2]吕志贤，起重吊装中的载荷系数选取的探讨，石油化工建设期刊，文章编号1672-9323（2016）06-0045-02
论文作者:刘志伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/1
标签：载荷论文; 系数论文; 重量论文; 风机论文; 重心论文; 公差论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第27期论文;