128 m打樁船樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析

汪 宏 王文 周禮軍

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212000）

128 m打樁船樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212000）

以128 m打樁船樁架為分析對(duì)象，利用ANSYS有限元軟件建立樁架結(jié)構(gòu)三維模型，模擬其在有風(fēng)起吊、放置拖航這兩種工況下的各構(gòu)件應(yīng)力及結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)，校核樁架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)樁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。模擬結(jié)果表明，樁架在這兩種工況下的材料強(qiáng)度滿足安全要求，并就所得數(shù)據(jù)對(duì)樁架的運(yùn)行安全提出建議。

打樁船；樁架；ANSYS軟件；強(qiáng)度校核；模態(tài)分析

引 言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、海洋資源的開(kāi)發(fā)，海上工程從港內(nèi)施工作業(yè)發(fā)展為外海乃至遠(yuǎn)洋作業(yè)，帶動(dòng)了海上工程技術(shù)的進(jìn)步。隨著海上大型結(jié)構(gòu)逐步向深海發(fā)展，對(duì)樁基的長(zhǎng)度、質(zhì)量、強(qiáng)度等方面的要求也逐步提高。樁架是專(zhuān)門(mén)為海上樁基施工作業(yè)建造的起重與導(dǎo)向設(shè)備，樁基的要求提高，帶動(dòng)了樁架的優(yōu)化和發(fā)展。

從最初的樁架設(shè)計(jì)建造［1］、安裝工藝［2］，到現(xiàn)時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算［3］、優(yōu)化改造［4］和穩(wěn)定性校核的有限元化［5］，國(guó)內(nèi)對(duì)于打樁船樁架的相關(guān)研究取得了一些實(shí)際成果。本文通過(guò)利用有限元ANSYS軟件［6］，就目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)和最龐大的128 m打樁船樁架進(jìn)行研究，對(duì)樁架進(jìn)行強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

1 樁架分析工況選取及理論分析

樁架主要由大平臺(tái)、主弦桿、前后弦桿、側(cè)水平桿及斜桿、龍口、液壓油缸、前后支座等構(gòu)件組成，是空間型桁架-箱體結(jié)構(gòu)。樁架的主要功能可歸納為以下幾類(lèi)：吊樁、打樁、樁基導(dǎo)向。根據(jù)功能分類(lèi)，可獲得打樁船出海后樁架出現(xiàn)的工況：非工作狀態(tài)時(shí)，樁架放置拖航；吊樁工況下，分為單鉤吊樁和雙鉤吊樁；打樁工況；引導(dǎo)樁基方向時(shí)的樁架變幅工況。若再細(xì)分，還能在每種工況下分成不同的樁架傾角。

通過(guò)各項(xiàng)資料的整理和綜合，本文決定針對(duì)樁架典型的兩種工況進(jìn)行分析。這兩種工況分別是放置拖航以及風(fēng)浪作用下的吊樁。樁架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，對(duì)放置拖航狀態(tài)進(jìn)行分析主要考慮到樁架在放置狀態(tài)即工作未開(kāi)始或者工作已結(jié)束，此時(shí)打樁船在海上航行，船舶在航行過(guò)程中除了受到波浪作用，考慮到強(qiáng)風(fēng)因素，風(fēng)壓會(huì)作用在船身以及樁架上，樁架受風(fēng)荷載作用的情況不可忽視，不僅會(huì)對(duì)船舶吃水產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)船舶穩(wěn)性產(chǎn)生影響，因此該工況必須考慮。

圖1 樁架結(jié)構(gòu)

而在吊樁作業(yè)時(shí)，不可能時(shí)刻保證無(wú)風(fēng)，因此將整個(gè)作業(yè)過(guò)程設(shè)定在有風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行，而且樁架結(jié)構(gòu)承受的載荷也會(huì)隨風(fēng)向改變而改變。顯而易見(jiàn)，有風(fēng)吊樁比無(wú)風(fēng)吊樁作業(yè)環(huán)境更為復(fù)雜，考慮有風(fēng)吊樁，則可以忽略無(wú)風(fēng)吊樁［7］。工況相應(yīng)參數(shù)則按照極限作業(yè)要求選取。具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 打樁船工作工況

1.1 工況1

在工況1時(shí)，樁架承受自重G1=800 t、樁基重 G2=500 t、起升機(jī)構(gòu)重G3=100 t（固定部分G31=50 t，運(yùn)動(dòng)部分重G32=50 t）。根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《船起規(guī)范》）中，江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所提供的起升速度資料V=3.4 m/min=0.057 m/s及起升系數(shù)公式可得：

式中：φh為起升系數(shù)；C為決定于起重機(jī)剛度的系數(shù)，臂架式取0.3；V為起升速度，m/min。作業(yè)系數(shù)取λ=1.05。風(fēng)荷載表達(dá)式為：

式中：v為當(dāng)?shù)貙?duì)應(yīng)風(fēng)速，m/s；q為風(fēng)壓計(jì)算值，Pa；c為風(fēng)力系數(shù)；A為構(gòu)件投影面，m2。

由于安全工作負(fù)荷SWL=500×9.8=4 900 kN＞490 kN，因此作用于起升荷載上的風(fēng)力：

按照規(guī)范［8］v = 20 m/s，各構(gòu)件風(fēng)載荷Fw= cqA = 0.613 cAv2。

風(fēng)載荷數(shù)值如表2所示。

表2 工況1 各主要構(gòu)件所受風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果匯總

對(duì)于工況1，結(jié)構(gòu)所受總載荷

將該總載荷施加到樁架有限元模型上進(jìn)行計(jì)算。其中，Gih為船體傾斜時(shí)產(chǎn)生的水平分力，（i=1、2、31、32）。風(fēng)荷載作用方向取最危險(xiǎn)工況方向，即往樁架傾斜方向運(yùn)動(dòng)，不考慮背風(fēng)面構(gòu)件的受風(fēng)情況。

1.2 工況2

在工況2時(shí)，G1=800、G2=500、G3=100 ；Fw的計(jì)算同工況1，取v=55 m/s，可得到如表3所示的計(jì)算結(jié)果。

表3 工況2 各主要構(gòu)件所受風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果匯總

對(duì)于工況2，結(jié)構(gòu)所受總載荷G1+G2+G3+G4+Fw。G4是樁架放置狀態(tài)下桿所受慣性荷載，考慮其垂直于甲板的慣性力考慮和重力荷載分力方向相同時(shí)最為不利；平行于甲板的慣性力考慮和重力荷載分力方向相同，并考慮X、Z方向即船舶橫傾和縱傾兩種情況。根據(jù)規(guī)范，取垂直于甲板加速度為 1.0g的慣性載荷，平行于甲板橫向加速度為 0.5g的慣性載荷。

2 樁架有限元模型及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

結(jié)合圖1，樁架有限元模型的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下頁(yè)圖2。根據(jù)樁架兩種工況的參數(shù)，對(duì)樁架進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，并在有限元中設(shè)定坐標(biāo)，X軸與甲板平面平行，指向左舷為正方向；Y軸與甲板平面垂直，指向上為正方向；Z軸與甲板平面平行，指向船首為正方向。樁架前后支腿均固定在船體上，因此對(duì)其施加線位移全約束。其中，起升機(jī)構(gòu)固定部分質(zhì)量等效到頂架平臺(tái)上，而運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量則附加至樁柱上。

圖2 樁架有限元模型

2.1 工況1（有風(fēng)起吊）

在有風(fēng)起吊工況下，由于風(fēng)向作用可能來(lái)自各個(gè)方向，因此必須考慮風(fēng)載荷方向，此時(shí)的風(fēng)載荷作用根據(jù)表2進(jìn)行加載。在起吊過(guò)程中，存在兩種不同的起吊方式，即單鉤起吊和雙鉤起吊，因此在考慮風(fēng)向的同時(shí)還要對(duì)起吊方式加以區(qū)分。根據(jù)資料，風(fēng)向分別為沿X方向（船橫向）和Z方向（船縱向），有風(fēng)起吊工況如圖3所示。

有風(fēng)起吊工況下，考慮X風(fēng)向，最大受力點(diǎn)出現(xiàn)在前弦桿及大平臺(tái)處，樁架各部分的最大應(yīng)力見(jiàn)表4。風(fēng)荷載風(fēng)向的改變，導(dǎo)致了樁架構(gòu)件受力的改變，其中應(yīng)力變化較大的構(gòu)件是后弦桿、側(cè)斜撐桿，在Z方向風(fēng)荷載作用下，這兩個(gè)構(gòu)件可看做是正面承受風(fēng)荷載的作用，并且在雙鉤起吊情況下，風(fēng)向的改變對(duì)樁架構(gòu)件應(yīng)力也產(chǎn)生一定影響。在風(fēng)荷載的作用下進(jìn)行起吊作業(yè)的樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖3 工況1 樁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大

2.2 工況2（放置拖航）

在放置拖航工況下，樁架放倒在船上，此時(shí)風(fēng)載荷作用的橫截面積改變，且無(wú)起升載荷，起升機(jī)構(gòu)作靜力處理。自重載荷通過(guò)施加加速度的方法作用于結(jié)構(gòu)模型上。經(jīng)過(guò)計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況2 船舶橫傾和縱傾樁架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

表4 工況1 樁架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值MPa

樁架應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表5和表6。對(duì)比可知，在風(fēng)向相同時(shí)，船舶橫縱傾對(duì)桿系構(gòu)件影響較大，而箱型結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力變化不大，三個(gè)支座處的左支腳受力最大，而樁架后弦桿構(gòu)件是整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大的構(gòu)件。根據(jù)計(jì)算，樁架整體所受應(yīng)力均滿足許用應(yīng)力，支座處節(jié)點(diǎn)反力在許用范圍之內(nèi)。其中，材料屈服應(yīng)力為=550 MPa，安全系數(shù)取n=1.5，支座處截面面積A=0.087 m2。

表5 工況2 樁架各構(gòu)件最大應(yīng)力值MPa

表6 工況2 樁架三支點(diǎn)反力MN

3 樁架整體結(jié)構(gòu)屈曲分析

針對(duì)工況1，達(dá)到屈曲極限的樁架結(jié)構(gòu)和屈曲前的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖5所示。

圖5 屈曲時(shí)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)

實(shí)體部分為屈曲后的結(jié)構(gòu)，虛線圈部分為屈曲前的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用ANSYS對(duì)樁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，施加單位起吊載荷，即樁架結(jié)構(gòu)主要受力方向作用值為1的Y負(fù)方向載荷（考慮樁架傾角），求解特征值屈曲解，得到10階以?xún)?nèi)的屈曲系數(shù)（見(jiàn)表7），周期/頻率即為所求屈曲系數(shù)，具體結(jié)果如下。

表7 工況1 樁架整體屈曲系數(shù)

樁架結(jié)構(gòu)在單位荷載作用下，所求的特征值為1階屈曲系數(shù)，而屈曲極限載荷則為特征值與單位載荷的乘積，即0.107 84×108×1 N=10.784×106N，而起吊載荷G2+G32=（500+50）×9.8=5.39×106N。此時(shí)，5.39×106N＜10.784×106N，結(jié)構(gòu)在工況最大載荷情況下并未達(dá)到屈曲極限，樁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 樁架有限元模型及模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)樁架自振特性的一種解釋?zhuān)治霰旧聿恍枰魏瓮廨d荷。在頻率0～100 Hz范圍內(nèi)計(jì)算樁架的固有振動(dòng)頻率，共計(jì)算結(jié)構(gòu)100階振型結(jié)果，取前6階模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，1階模態(tài)振型為沿X方向即沿船橫向搖擺；2階模態(tài)振型為沿Z方向即沿船縱向擺動(dòng)；3階模態(tài)振型則為由Z方向向X方向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形；4階模態(tài)振型同一階模態(tài)一樣沿著船橫向搖擺運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作彎曲和扭轉(zhuǎn)；5階模態(tài)振型沿船縱向搖擺，而且其搖擺幅度遠(yuǎn)大于2階模態(tài)；6階模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)振型，其扭轉(zhuǎn)幅度遠(yuǎn)大于3階模態(tài)。根據(jù)計(jì)算所得結(jié)果，第100階模態(tài)對(duì)應(yīng)頻率為24.4 Hz，并且100階模態(tài)頻率均在0～25 Hz范圍內(nèi)。

樁架放置狀態(tài)下的響應(yīng)可以忽略不計(jì)，而作業(yè)狀態(tài)下的響應(yīng)分析不可忽略。在有風(fēng)起吊工況下對(duì)樁架整體進(jìn)行單鉤和雙鉤吊重響應(yīng)分析，分析頻率在0～100 Hz范圍內(nèi)。對(duì)樁架整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果選取外載荷承受點(diǎn)，得到如下頁(yè)圖7所示結(jié)果。

由圖7中的結(jié)果可以看出，單鉤和雙鉤吊重狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)的響應(yīng)幅值隨頻率增大而逐漸減小。該點(diǎn)的最大響應(yīng)峰值在0～20 Hz之間，1階模態(tài)頻率為0.542 96 Hz（見(jiàn)下頁(yè)表8），而其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)賦值約為0.031 2 m。單鉤吊重情況該點(diǎn)最大峰值為0.165 m，雙鉤吊重情況該點(diǎn)最大峰值為0.107 m，其對(duì)應(yīng)頻率均在15 Hz左右，出現(xiàn)在低頻區(qū)域內(nèi)，而此時(shí)1階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的響應(yīng)幅值0.031 2 m＜0.107 m，因而1階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)振動(dòng)效果不明顯。

圖6 工況1 樁架不同階位模態(tài)振型

圖7 工況1樁架某受力點(diǎn)響應(yīng)分析

表8 工況1 各階頻率Hz

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)各工況下128 m打樁船樁架進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于工況1和工況2，弦桿部分為結(jié)果主要受力構(gòu)件，最大受力部位在后弦桿中部，其所受應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件，仍滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，施工時(shí)應(yīng)注意不要超負(fù)荷作業(yè)；

（2）對(duì)于工況1，在樁架滿載情況下雙鉤起吊和單鉤起吊兩者計(jì)算結(jié)果相差不大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也滿足要求，3個(gè)支座反力均在安全范圍之內(nèi)；

（3）工況1，結(jié)構(gòu)前100階模態(tài)振動(dòng)頻率集中在0～25 Hz范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最大峰值約為15 Hz。通過(guò)對(duì)比，結(jié)構(gòu)1階模態(tài)振動(dòng)幅值小于結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大峰值。

［1］ 汪宏，曾憲邦，李志明.樁架改造設(shè)計(jì)方案的有限元分析［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，21（4）：29-32.

［2］ 王明祥，李家林.打樁船樁架制作及安裝新工藝［J］.船舶工程，2010，32（3）：50-53，71.

［3］ 吳曉源，王一飛，李輝.打樁船樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2006，15： 87-88.

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［6］ 李衛(wèi)民，楊紅義，王宏祥. ANSYS工程結(jié)構(gòu)實(shí)用案例分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［7］ 王立軍，韋家礎(chǔ)，林平根，等.打樁船樁架及支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究［J］.船舶工程，2008，30（3）：27-29，9.

［8］ 中國(guó)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.

Structural strength and modal analysis of pile frame of 128 m pile driving vessel

WANG Hong WANG Jing-wen ZHOU Li-jun
(College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu Sience and Technology University, Zhenjiang 212000, China)

The pile frame on 128m pile driving vessel is analyzed with a 3D pile holder model by ANSYS. It carries out the simulation of component stress and structural response under the two working conditions, lifting cargo with wind and laying towage, and check of the overall strength and stability of pile frame, as well as the modal analysis of pile frame structure. The simulation results show that the material strength of pile frame under the above two working conditions can meet safety requirements, which provide suggestion for the operation of pile frame based on the obtained results.

pile driving vessel; pile frame; ANSYS; strength check; modal analysis

U661.43

A

1001-9855（2014）03-0035-07

江蘇科技大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2007CH032F）。

2013-09-24 ；

2013-10-30

汪 宏（1960-），男，教授，研究方向：打樁船的樁架結(jié)構(gòu)承載力有限元技術(shù)。

王璟文（1989-），男，碩士，研究方向：船舶與海洋工程。

周禮軍（1978-），男，講師，研究方向：港口航道與海岸工程。