打樁船樁架強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核計(jì)算

宋 書 博

（上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

打樁船樁架的工作過程受船舶運(yùn)動(dòng)、工作擺角、風(fēng)向等因素影響，在分析過程中對(duì)此要予以充分考慮。同時(shí)樁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況繁多，載荷多樣，因此在建立模型的過程中，每個(gè)細(xì)節(jié)都要仔細(xì)推敲，以確保分析正確。

1 計(jì)算模型

根據(jù)該船樁架的工作特點(diǎn)，將樁架主架、吊樁平臺(tái)、樁架副架和吊錘平臺(tái)組合建立有限元模型[1]。模型中平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用四邊形或三角形板單元，樁架結(jié)構(gòu)采用兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?。在個(gè)別連接位置采用多點(diǎn)約束單元。

對(duì)樁架進(jìn)行分析之前，需要檢查模型的質(zhì)量分布。由于樁架上的設(shè)備較多，要將各分布質(zhì)量合理有效地加載到模型中，計(jì)算根據(jù)各分布質(zhì)量的具體形式選擇不同的加載方式，如質(zhì)量點(diǎn)加載、集中力、均布力，還通過改變部分桿件的密度調(diào)節(jié)其重量及分布，從而使計(jì)算模型的重量分布和樁架在非工作狀態(tài)時(shí)的重量分布一致。

本文主要討論桁架式結(jié)構(gòu)的校核，有限元模型見圖1。

圖1 樁架有限元模型

2 載荷工況

詳細(xì)分析樁架在海上作業(yè)時(shí)的每種工況所受載荷及約束條件后，選擇幾個(gè)比較危險(xiǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分析。本文選取樁架實(shí)際工作過程中的幾個(gè)特定擺角、特定吊重情況下的起吊工況、倒架工況和通航放置工況進(jìn)行分析。

2.1 作業(yè)條件

該打樁船樁架作業(yè)于港區(qū)或遮蔽水域。在此水域內(nèi)，船舶在波浪作用下無明顯的運(yùn)動(dòng)，并在風(fēng)力不大于蒲氏2級(jí)所定義的海況[2]。其作業(yè)條件為：

1) 船舶橫傾 5°、縱傾 2°；

2) 大氣環(huán)境溫度為–10～+40℃；

3) 風(fēng)速不超過20m/s，相應(yīng)風(fēng)壓不超過250Pa；

4) 起重載荷處于靜止?fàn)顟B(tài)；

5) 起重作業(yè)的性質(zhì)與所規(guī)定的因素載荷相一致；

6) 作業(yè)系數(shù) φd=1.05；

7) 起升系數(shù) φh=1.10。

2.2 載荷組合

船舶在海上作業(yè)，作業(yè)海況將直接影響到樁架的強(qiáng)度。在實(shí)際計(jì)算中，在吊重工況下須考慮船體橫傾縱傾的耦合作用；在拖航狀態(tài)下還要考慮船舶運(yùn)動(dòng)加速度的影響。

根據(jù)船舶的作業(yè)條件，考慮以下3種載荷組合[2]：

1) 樁架工作處于無風(fēng)狀態(tài)，考慮的載荷有：(1) 自重載荷；(2) （起升載荷＋船舶傾斜所產(chǎn)生的起升載荷水平分力）×起升系數(shù)hφ；(3) 由船舶傾斜產(chǎn)生的自重載荷水平分力。組合載荷為：[(1)+(2)+(3)]×作業(yè)系數(shù)φd；

2) 打樁樁架工作處于有風(fēng)狀態(tài)，應(yīng)取的組合載荷為無風(fēng)狀態(tài)下所述的組合載荷加上最不利的風(fēng)載荷：(1) 作用在自重載荷上的風(fēng)壓為 250Pa；(2) 作用在起升載荷上的風(fēng)力按每 9.8kN安全工作負(fù)載的風(fēng)力為300N；

3) 打樁樁架處于放置狀態(tài)，應(yīng)取下述載荷的組合：(1) 船舶升沉加速度為±1.0g；船舶縱蕩加速度為±0.5g；靜橫傾 15°；風(fēng)速 55m/s，作用于前后方向；(2) 船舶升沉加速度為±1.0g；船舶橫蕩加速度為±0.5g；靜橫傾15°；風(fēng)速55m/s，作用于橫向。

2.3 計(jì)算工況

2.2節(jié)分析了3種載荷組合（無風(fēng)狀態(tài)、有風(fēng)狀態(tài)和放置狀態(tài)）下的受力情況。現(xiàn)計(jì)算樁架工作在四個(gè)不同角度時(shí)的樁架強(qiáng)度，共有10種工況。各工況如圖2和表1所示。

圖2 工況

表1 計(jì)算工況

3 強(qiáng)度計(jì)算

3.1 許用應(yīng)力

由相關(guān)的桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范[2～4]可知，桁架桿件的許用應(yīng)力[]σ按式（1）計(jì)算：

式中：σs——材料的屈服強(qiáng)度，MPa；n——安全系數(shù)，無風(fēng)狀態(tài)n=1.5；有風(fēng)狀態(tài)n=1.33；放置狀態(tài)n=1.15。

3.2 強(qiáng)度校核

各工況下樁架應(yīng)力如表2所示。從計(jì)算結(jié)果可知：該樁架的強(qiáng)度滿足要求。

表2 各工況應(yīng)力 N/mm2

4 桿件穩(wěn)定性計(jì)算

桁架式結(jié)構(gòu)桿件穩(wěn)定性計(jì)算是一個(gè)非常繁瑣的過程，由于樁架結(jié)構(gòu)桿件眾多，如果對(duì)每根桿件一一計(jì)算校核應(yīng)力，工作量相當(dāng)巨大。所以，選擇一套簡(jiǎn)單有效的校核方法非常重要。

4.1 校核方法

在建模之初對(duì)結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行分組，同一類規(guī)格的構(gòu)件分為一組。利用構(gòu)件最大的長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算臨界應(yīng)力σcr，之后通過有限元的工具提取同一組所有構(gòu)件在同一工況下的相關(guān)最大應(yīng)力值，并對(duì)此類構(gòu)件進(jìn)行校核，如其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，則此類型所有構(gòu)件穩(wěn)定性滿足要求；如不滿足，則選取應(yīng)力最大的構(gòu)件，按其長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算其臨界應(yīng)力及安全系數(shù)，并校核。依此類推對(duì)其他各組構(gòu)件進(jìn)行校核，使計(jì)算變繁為簡(jiǎn)，大大節(jié)約時(shí)間。

4.2 校核標(biāo)準(zhǔn)

同時(shí)承受壓力和彎曲的構(gòu)件，應(yīng)按式（2）應(yīng)力衡準(zhǔn)校核穩(wěn)定性[2～4]。

式中：mσ——構(gòu)件承受的彎曲應(yīng)力，MPa；sσ——材料的屈服強(qiáng)度，MPa；cσ——構(gòu)件承受的壓應(yīng)力，MPa；crσ——構(gòu)件承受的臨界應(yīng)力，MPa；由構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和截面形狀決定。

4.3 校核結(jié)果

從校核結(jié)果（見表3）可知，所選擇的構(gòu)件能夠滿足穩(wěn)定性要求。

表3 穩(wěn)定性校核結(jié)果

4.4 應(yīng)力云圖（見圖3、4、5）

圖3 桿件φ500×10的軸向壓應(yīng)力云圖

圖4 桿件φ500×10的x向彎曲應(yīng)力云圖

圖5 桿件φ500×10的y向彎曲應(yīng)力云圖

5 結(jié) 語

采用有限元計(jì)算了海上打樁船樁架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在計(jì)算過程中，準(zhǔn)確模擬船舶在工作和拖航期間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況，分析了影響樁架強(qiáng)度的各個(gè)影響因素，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的評(píng)估，并為桁架式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核提供了一種方法。

[1] 孫麗萍. 船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[2] 中國船級(jí)社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè)（結(jié)構(gòu)分冊(cè)）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[4] 陳有芳，徐 立. 船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析中應(yīng)力的選取[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004 (2).