93.5m打樁船設計研究

張 鵬 萬

（原上海船舶研究設計院海工部，上海 201203）

0 引 言

93.5m打樁船是上海船舶研究設計院海工部在 21世紀初為滿足沿海大型工程需要而研發(fā)設計的超大型打樁船之一，是目前國內(nèi)同類型打樁船中，作業(yè)能力最大，技術性能最先進的打樁船，并以其優(yōu)異的作業(yè)性能和性價比受到用戶的青睞。

1 概 述

1.1 船型

打樁船為非自航箱型船，在沿海作業(yè)（蒲氏風級7級，水流速≤3.0m/s，有義波高H1/3=0.8m），無限航區(qū)調遣。GPS定位，自動化程度高，配備大型變幅油缸變幅和全船液壓系統(tǒng)移船和作業(yè)。設計過程中進行了耐波性和錨系泊力的分析。全船建模，對樁架、象鼻梁和主船體進行有限元分析，具有足夠的強度和剛度。按CCS國際船舶要求入級，具有起重設備證書。船舶的主尺度見表1。

表1 船舶主尺度

1.2 總體布置

打樁船的總體布置見圖1、2。

圖1 打樁船樁架

圖2 打樁船平面

2 縱傾及穩(wěn)性

主甲板下左右前后均布置有淡水艙、燃油艙、橫傾水艙和足夠數(shù)量的壓載水艙，調整浮態(tài)。

2.1 縱傾

作業(yè)工況時，均無橫傾和艏傾，滿足植樁要求。

2.2 穩(wěn)性

該船B/H＞3.0（為5.385），作業(yè)穩(wěn)性按“國內(nèi)航行海船法定檢驗技術規(guī)則”對起重船要求計算；拖航時完整穩(wěn)性按“國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則”對近海供應船要求計算[1]，并由CCS上海審圖中心上報國家海事局批準。本船穩(wěn)性校核12種工況：

工況 01 100%油水，樁重120t，作業(yè)（樁架直立）；

工況 02 10.0%油水，樁重120t，作業(yè)（樁架直立）；

工況 03 100%油水，吊重200t，作業(yè)（樁架前傾8°）；

工況 04 10.0%油水，吊重200t，作業(yè)（樁架前傾8°）；

工況 05 100%油水，避風（樁架放倒）；

工況 06 10.0%油水，避風（樁架放倒）；

工況 07 設計吃水t=2.60m，100%油水，無限航區(qū)調遣（樁架放倒）；

工況 08 設計吃水t=2.60m，10.0%油水，無限航區(qū)調遣（樁架放倒）；

工況 09 滿載吃水t=2.86m，100%油水，無限航區(qū)調遣（樁架放倒）；

工況 10 滿載吃水t=2.86m，10.0%油水，無限航區(qū)調遣（樁架放倒）；

工況 11 滿載吃水t=2.86m，100%油水，無限航區(qū)調遣，結冰（樁架放倒）；

工況 12 滿載吃水t=2.86m，10.0%油水，無限航區(qū)調遣，結冰（樁架放倒）；

計算結果滿足法規(guī)要求，在作業(yè)時穩(wěn)性有富裕。

由于打樁船為非自航船，按SOLAS公約“國際海上人命安全公約”免除破艙穩(wěn)性計算[2]。

3 船體結構

船體的主要構件遵照中國船級社“鋼質海船入級規(guī)范”[3]及最新修改通報的有關要求，參照規(guī)范對起重船（或駁船）的要求進行設計。

打樁船為單甲板、全焊接鋼質非自航工程船[4]。主船體設四道全通的水密橫艙壁和兩道貫通艏、艉的水密邊縱艙壁。主船體上甲板、船底、舷側及邊縱艙壁均采用縱骨架式，強框架的間距不大于4檔肋距。機艙區(qū)域兩縱艙壁間設置雙層底，其高度為1.0m，隔檔設置實肋板。由于主船體采用了縱骨架結構形式，具有足夠的總縱強度。甲板室采用橫骨架式。橫艙壁為垂直扶強材加水平桁的橫骨架結構形式。在船體主要受力區(qū)域和受有集中力的構件及應力復雜區(qū)域進行強度校核并作局部加強。

4 移船定位設備

4.1 錨機及錨絞車

該船采用多點錨泊系統(tǒng)作為船舶作業(yè)定位和移船。在上甲板的左、右舷設置液壓移船錨絞車，每舷各5臺，其中1臺組合式錨機布置在左舷艉部，錨絞車可在操縱室集控，以實現(xiàn)船舶移位和定位集控；也可在機旁就地控制，進行單機拋錨起錨以及檢修調試。

表2 主要技術參數(shù)

10臺移船錨絞車由液壓馬達、減速機構、卷筒裝置、剎車裝置、離合器、機架和底座組成。結構合理緊湊、承載能力大、傳動平穩(wěn)、安全可靠、維護保養(yǎng)方便。卷筒出繩方向為下出繩。配置帶式制動器和離合器。剎車和離合器均采用液壓缸控制，并可手動應急操作。

錨絞車的液壓傳動和控制系統(tǒng)包括：絞車液壓馬達、絞車控制閥組（件）、液壓動力源（泵站）。設置必要的油液過濾、加熱冷卻、過載保護和安全報警等設備。操縱閥組具有換向調速功能，可以配置全液壓或電控方式。采用電控時，配套電控設備適應船舶環(huán)境條件。可在集控室遙控，以實現(xiàn)船舶移位和定位集控；也可在機旁就地控制，進行單機拋錨起錨以及檢修調試。

4.2 航行錨及鏈

按“規(guī)范”舾裝數(shù)要求配備C型6t霍爾錨1只，配AM2 φ68mm錨鏈、GB/T549-1996有檔電焊錨鏈1根，長285m；拖航調遣應配備的2個艏錨用艏部作業(yè)定位錨替代，并配有短錨鏈。另需配備2根φ44mm、破斷拉力和長度都能滿足“規(guī)范”要求的高強度鋼絲繩索作為航行錨索。

4.3 拖索及系泊索

拖索1根，鍍鋅鋼索6×37－1670，直徑φ44mm，長度220m，破斷負荷1030kN；系泊索八股高強丙綸繩，直徑φ48，長度200m，4根，破斷負荷336.5kN。鍍鋅鋼索 6×37－1670，直徑φ24mm，長度200m，5根，破斷負荷280kN。

5 設計分析

5.1 整船線型

根據(jù)船舶重量分布，艏部有樁架及樁，雖然船后部有甲板室及機艙，但機艙位置較前，其重量也較輕，全船重心仍偏舯前較多，故在線型設計時把浮心往前移，結合考慮減搖等情況。整船的線型有以下特征：1) 艏部為圓弧形平底，弧長較短，改善船舶拍擊，使浮心前移；2) 艉部采用較長的弧形平底；3) 船舶橫剖面為直角舭部，增加橫搖阻尼；4) 甲板梁拱高0.3m，使流水、泄水通暢；5) 艉部設兩道分水踵，使船在拖航中較穩(wěn)定，既減搖又減少左右擺艉，有利于拖航。

5.2 總布置特點

1) 艏艉設置足夠容積的壓載水艙，以滿足船舶在各種工況時調整浮態(tài)；

2) 機艙及燃油艙設在艉部（主甲板下），減小由于艏部樁架重量引起的縱傾；

3) 主甲板按功能和作業(yè)要求，相對集中布置幾個區(qū)域：艏部為樁架作業(yè)區(qū)域，舯部為移船和樁架作業(yè)絞車設備區(qū)域。三層甲板室布置在艉部，第一層為船員生活服務區(qū)域，第二層為船員居住區(qū)域，第三層為船舶操縱指揮區(qū)域，各層甲板室均設內(nèi)部梯道；

4) 按國際航行船舶“船員艙室設備”和入級要求，調整艙室設備的布置，設有高級船員會客室、醫(yī)務室和烘衣間等并配置相應設備。

5.3 移船定位錨泊設備

打樁作業(yè)時采用多點錨泊實現(xiàn)移船和定位，錨泊系統(tǒng)的性能至關重要，在設計中對超大型打樁船錨泊系統(tǒng)在外界風、浪、流環(huán)境載荷作用下受力的極限進行計算，為錨泊系統(tǒng)設計、分析和校核提供依據(jù)。

5.3.1 環(huán)境條件與環(huán)境力

環(huán)境條件：

風力： 7級（蒲氏風級）

風速： 15.48m/s

流速： 3m/s

有義波高： H1/3= 0.8m

波浪周期： T = 4.0s

按最惡劣的風、浪、流的方向組合共向情況進行計算，共選擇了12種典型的環(huán)境條件（見表2）。

表2 錨泊系統(tǒng)計算結果匯總

5.3.2 作業(yè)錨和錨索

采用改進型海軍錨為作業(yè)錨，與常規(guī)海軍錨比較，橫桿適當減小，錨桿加粗，錨冠加大，錨重增加，經(jīng)改進有助于克服上拔力，增加與泥沙的接觸面，提高錨抓力。

作業(yè)錨索選用6×37-1671、φ44mm鋼索，端部加配長度12.5～15m，AM2 φ68mm錨鏈，并配有轉環(huán)卸扣與錨連接，增強了錨抵抗上拔力的能力，使錨較易入土，提高錨爪力。

6 樁架設計

根據(jù)設計任務書要求，參照母型船舶選取樁架主結構的主要參數(shù)，采用樁架、象鼻梁、主船體三部分建模。用有限元法進行強度分析。樁架為三角形桁架結構（整體式），樁架頂部設置吊錘平臺、起重平臺。樁架共有11層平臺，主舷桿采用DH36高強度直縫管。

6.1 計算模型

包括樁架、象鼻梁及主船體3部分，其中主船體部分從FR0到FR106（在上甲板的甲板室相應區(qū)域內(nèi)以節(jié)點質量的形式替代計入）。

有限元模型包括船體的主要構件及樁架的主要桁架結構，如甲板、船底、舷側和艙壁結構等。計算模型的甲板板、舷側板、船體外板、艙壁板以及肋板、強橫梁、強肋骨、縱桁、水平桁及龍骨的腹板等均模擬為4節(jié)點或3節(jié)點板單元，普通肋骨、橫梁、縱骨、高腹板梁的面板以及樁架結構等均模擬為2節(jié)點梁單元。

6.2 構件尺寸和材料特性（見表3）

表3 樁架主要構件尺寸

物理參數(shù)為楊氏模量E=2.06×105/N/mm2；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85×10-9/t/mm3。

6.3 計算工況

根據(jù)CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（以下稱“起重設備規(guī)范”）的要求，參照《各種裝載情況穩(wěn)性計算書》，采用有限元法分析和計算3種作業(yè)狀態(tài)的不同工況：

1) 無風作業(yè)狀態(tài)。工況1，樁架直立吊樁120t；工況2，樁架前傾8°，最大吊重200t；工況3，樁架后仰69°位置起立；

2) 有風作業(yè)狀態(tài)。工況1，樁架直立吊樁120t；工況2，樁架前傾8°，最大吊重200t；工況3，樁架后仰69°位置起立；

3) 樁架放置狀態(tài)。根據(jù)“起重設備規(guī)范”3.2.11.1中的要求，在樁架放置狀態(tài)下，結構承受兩種情況的組合力：工況1，垂直于甲板的加速度1.0g；前后方向平行于甲板的加速度0.5g；靜橫傾30o；風速55m/s；工況2，垂直于甲板的加速度1.0g；橫向平行于甲板的加速度0.5g；靜橫傾30o；風速55m/s。

6.4 計算載荷

6.4.1 主船體載荷

1) 空船重量2601.4t；2) 壓載水艙內(nèi)壓載水壓力（壓載水高度見《各種裝載情況穩(wěn)性計算書》）；3) 舷外水壓力（吃水高度見《各種裝載情況穩(wěn)性計算書》）。

6.4.2 樁架載荷

1) 自重載荷樁架結構重量270t；

2) 吊重（起升）載荷大小見計算工況中所述。以節(jié)點質量的形式施加于吊樁平臺前端的吊點上。吊重載荷作為樁架起升載荷的一部分。

3) 風載荷根據(jù)“起重設備規(guī)范”3.2.12.1，有風作業(yè)狀態(tài)下風速為20m/s（大于蒲氏風級7級風時的風速），風壓值為245.2Pa，有效受風面積為214.85m2，故風壓力為5.268×104N；放置狀態(tài)下風速為55m/s，風壓值為1854.325Pa，故風壓力為3.984×105N。

6.4.3 船舶傾斜產(chǎn)生的分力

該船可以在沿?；蛳喈斢谘睾：r的水域作業(yè)，對應海況等級1級，作業(yè)時船舶橫傾5°、縱傾2°。船舶傾斜產(chǎn)生的分力以重力加速度 g按垂直于甲板方向和平行于甲板方向分解：aL=0.035g，aT=0.087g，aV=0.996g。

該船作業(yè)狀態(tài)下樁架上的載荷及載荷組合為：

(1) 樁架上的自重載荷；

(2) （起升載荷＋船舶傾斜（橫傾與縱傾）所產(chǎn)生的起升載荷水平分力）×φh；

(3) 由船舶傾斜（橫傾與縱傾）產(chǎn)生的自重載荷水平分力；

(4) 風載荷。

組合載荷為：

無風作業(yè)狀態(tài)：（(1)＋(2)＋(3)）×φd；

有風作業(yè)狀態(tài)：（(1)＋(2)＋(3)）×φd+(4)。

上述中：aL——船舶傾斜產(chǎn)生的平行于甲板的縱向加速度；

aT——船舶傾斜產(chǎn)生的平行于甲板的橫向加速度；

aV——船舶傾斜產(chǎn)生的垂直于甲板的加速度；

g——重力加速度，g＝9.81m/s2；

φd——作業(yè)系數(shù)，取φd=1.20；φh——起升系數(shù)，按下式計算：

式中：φw——波浪系數(shù)；

該船在無風作業(yè)狀態(tài)下，按H1/3=0.8m的海況，求得φw＝9.22；在有風作業(yè)狀態(tài)下，參照海況等級為2～3級，查得φw＝13.7；

式中：K——起重機系統(tǒng)的剛度，N/mm；Ql——起升載荷，N。

計算得： 無風作業(yè)狀態(tài)下φh=1.3555；有風作業(yè)狀態(tài)下φh=1.6109。

6.5 強度衡準

6.5.1 船體結構和象鼻梁結構

參照“起重設備規(guī)范”3.10.7，船體結構構件應力衡準。

6.5.2 樁架結構[5]

根據(jù)“起重設備規(guī)范”3.2.16中所述，樁架結構構件的許用應力為：

式中：σs——鋼材屈服強度，N/mm2；

n——安全系數(shù)，按“起重設備規(guī)范”表3.2.16.1選?。?/p>

β——系數(shù)，按“起重設備規(guī)范”表2.3.5選取，對于普通鋼β=1.0，對于H36高強度鋼β=1.018。

在不同狀態(tài)下，樁架結構構件許用應力值見表4～6。

表4 無風作業(yè)狀態(tài)，安全系數(shù)取為n=1.50的許用應力 單位：N/mm2

表5 有風作業(yè)狀態(tài)，安全系數(shù)取為n=1.33的許用應力 單位：N/mm2

表6 樁架放置狀態(tài)下，安全系數(shù)取為n=1.15的許用應力 單位：N/mm2

6.6 計算結果

經(jīng)計算，樁架前弦桿梁及后弦桿梁的單元應力最大值都滿足規(guī)范要求（見表7、8）。

表7 樁架前弦桿梁單元應力最大值（H36高強度鋼） 單位：N/mm2

表8 樁架后弦桿梁單元應力最大值（H36高強度鋼） 單位：N/mm2

7 結 語

93.5m打樁船系國內(nèi)自行設計和建造的超大型打樁船之一，具有獨立的知識產(chǎn)權，榮獲上海市 2005年重大科技進步三等獎。至今該系列超大型打樁船共建造13艘，為沿海工程建設作出了貢獻。

[1] IS Code[S]. 2008.

[2] SOLAS Consolidated Edition[S]. 2009.

[3] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4] 工程船舶設計基準[M]. 工程船舶設計基準翻譯小組. 北京：國防工業(yè)出版社，1977.

[5] 宋書博. 打樁船樁架強度及穩(wěn)定性校核計算[J]. 船舶與海洋工程，2013, (4): 29-33.