打樁船結(jié)構(gòu)強度數(shù)值模擬研究

張吉萍，楊　陽（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山　316022）

打樁船結(jié)構(gòu)強度數(shù)值模擬研究

張吉萍，楊陽
（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022）

研究了打樁船的結(jié)構(gòu)強度問題。建立了打樁船樁架與其支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型，按照規(guī)范要求，考慮作業(yè)載荷、風力、傾斜載荷以及船舶運動狀況下的動載荷，對樁架及樁架支撐結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)和放置狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)強度數(shù)值模擬。同時，考慮打樁船的作業(yè)特性，針對起升狀態(tài)下的樁架及樁架支撐結(jié)構(gòu)的進行強度分析。結(jié)果顯示作業(yè)狀態(tài)及放置狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求，但是樁架的起升狀態(tài)不滿足規(guī)范要求，樁架結(jié)構(gòu)及船體支撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的高應力區(qū)域。因此，對于打樁船這類特殊作業(yè)的工程船，在進行結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計及強度校核時需要針對整個作業(yè)流程進行強度分析，以保證作業(yè)的安全與可靠。論文研究對同類船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考價值。

打樁船；強度校核；起升工況；作業(yè)工況

隨著海洋平臺、深海港口、新能源裝備等海上工程的建設(shè)，打樁船這類特殊作業(yè)工程船的需求也急劇增加，已經(jīng)成為海上基礎(chǔ)施工工程領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備，打樁船設(shè)計研發(fā)也越來越受人們的關(guān)注。作為特種船舶，打樁船在作業(yè)以過程中受波浪、風力和樁架變幅影響［1］，載荷復雜，工況繁多。另外，區(qū)別于其他的海上起重設(shè)備，打樁船存在樁架自身結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量龐大的特點，而且依據(jù)其作業(yè)特性樁架結(jié)構(gòu)與船體的連接設(shè)計相對較弱，作業(yè)時打樁船往往又處于滿負荷的工作狀態(tài)下［2］。因此，打樁船結(jié)構(gòu)的強度問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性能指標［3］。目前打樁船的設(shè)計一般都參考《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》進行，但是其強度分析往往局限于規(guī)定的放置狀態(tài)以及作業(yè)狀態(tài)，事實上，打樁船的整個作業(yè)環(huán)節(jié)都應該進行結(jié)構(gòu)強度評估，以保證其安全性與可靠性。論文基于有限元方法的高精確度和高可靠性［4］，對90 m打樁船樁架模型及相應的船體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，考慮了樁架放置狀態(tài)、起升狀態(tài)以及作業(yè)狀態(tài)的整個作業(yè)環(huán)節(jié)進行結(jié)構(gòu)強度的數(shù)值模擬，并為該類船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出具有重要參考價值的建議。

1　船體及有限元模型

90m打樁船，船長58 m，型寬26 m，型深4.6 m，吃水2.5 m。船體采用CCSA級鋼。主船體區(qū)域為縱骨架式，單殼、單底結(jié)構(gòu)，船體區(qū)域肋骨間距為600 mm；強框架間距有1 800、2 400 mm；模型區(qū)域設(shè)有3道縱艙壁，2道橫艙壁和艏封板，10根底縱桁以及象鼻梁與船體結(jié)構(gòu)的縱向加強壁4道，樁架以及象鼻結(jié)構(gòu)布置在船體的艏部。

有限元模型取全寬模型，包括樁架（包括吊樁平臺和吊錘平臺）、象鼻（樁架基座）以及主船體艏部的結(jié)構(gòu)。樁架部分、撐桿采用梁單元模擬，油缸采用桿單元模擬，樁架與船體連接處采用MPC連接，保證梁單元與板單元間三個位移自由度的傳遞。樁架及象鼻結(jié)構(gòu)模型、樁架吊樁平臺及吊錘平臺結(jié)構(gòu)模型如圖1、圖2所示。

圖1　樁架及象鼻結(jié)構(gòu)模型Fig.1　Structure Model of PileHolder and Trunk

圖2　樁架平臺結(jié)構(gòu)模型Fig.2　Structure Model ofPlatform

2　樁架放置及作業(yè)狀態(tài)模擬

2.1載荷及工況選取

按照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求，需要對打樁船放置狀態(tài)及作業(yè)狀態(tài)進行強度分析。放置時候樁架頂端向船體艉部后傾80°并在樁架的中部區(qū)域設(shè)置支撐點，作業(yè)時候通過油壓撐桿調(diào)整樁架至直立或前傾15°狀態(tài)下進行打樁作業(yè)。

作業(yè)狀態(tài)下，主樁架吊樁平臺的設(shè)計起升重量為130 t（包括樁120 t和替打10 t），吊錘平臺的設(shè)計起升重量為40 t（包括樁錘35 t和活塞5 t）。作業(yè)工況分別為樁架在直立和前傾15°狀態(tài)下的吊樁及吊錘作業(yè)。作業(yè)工況載荷包括自重載荷、作業(yè)載荷、風力載荷、船舶傾斜載荷以及船舶運動引起的動載荷。采取平斷面假設(shè)，在模型后端面的橫艙壁位置處施加六自由度全約束。

樁架放置狀態(tài)下，載荷包括自重載荷、風力載荷、船舶傾斜載荷以及船舶運動引起的動載荷。在模型后端面的橫艙壁位置處施加六自由度全約束，同時在樁架與尾部支撐架交點處限制垂直于樁架方向的線位移。

考慮風向影響，共選取10種工況進行結(jié)構(gòu)強度分析。

2.2結(jié)果及分析

經(jīng)過計算，各工況的樁架結(jié)構(gòu)應力見表1，象鼻和主船體結(jié)構(gòu)的應力見表2。

比較各工況的應力大小，顯然前傾15°作業(yè)工況下的應力較直立作業(yè)工況下的應力更大，同時象鼻結(jié)構(gòu)以及與油壓撐柱相連接的主船體區(qū)域結(jié)構(gòu)的應力也更大。雖然應力范圍都符合規(guī)范要求，但是因為前傾角度造成了樁架彎曲內(nèi)力的大幅度增加，因此應力裕度不大，存在一定的結(jié)構(gòu)安全隱患，也是打樁船在前傾狀態(tài)下作業(yè)應該關(guān)注的問題。另外，除放置狀態(tài)側(cè)風與正風因受力面積區(qū)別較大外，風力方向?qū)都芤约按w結(jié)構(gòu)的影響不大。

表1　樁架結(jié)構(gòu)的應力（MPa）Tab.1　Stress of pile holder（MPa）

表2　象鼻和主船體結(jié)構(gòu)的應力（MPa）Tab.2　Stress of trunk and ship structure

3　樁架起升狀態(tài)模擬

3.1樁架起升狀態(tài)

打樁船的樁架結(jié)構(gòu)不僅需要承載作業(yè)載荷，同時樁架結(jié)構(gòu)本身就存在結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量龐大的特點。放置狀態(tài)下樁架結(jié)構(gòu)在中間部位由船體支撐，樁架起升時通過控制在油缸后支承點與船體連接的油壓撐桿實現(xiàn)樁架整體的起升，樁架起升到一定高度后將樁架與油壓撐桿的連接位置由油缸后支承點轉(zhuǎn)換到油缸前支承點，并繼續(xù)通過控制油壓撐桿調(diào)整樁架姿態(tài)并進行作業(yè)，樁架起升支承點位置如圖3所示。放置狀態(tài)以及作業(yè)狀態(tài)已經(jīng)依據(jù)規(guī)范進行強度衡準，但是樁架起升時其自重對樁架結(jié)構(gòu)以及船體結(jié)構(gòu)都是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，樁架起升瞬間的結(jié)構(gòu)強度衡準也是相當重要的。

對樁架起升工況進行分析時，在船體結(jié)構(gòu)模型后端面進行平斷面假設(shè)并施加六自由度全約束，整個樁架只考慮自重載荷。

圖3　樁架起升狀態(tài)Fig.3　Lifting state of pile holder

3.2結(jié)果及分析

經(jīng)過有限元數(shù)值模擬，樁架及船體結(jié)構(gòu)應力見表3。

表3　起升狀態(tài)的結(jié)構(gòu)應力匯總（MPa）Tab.3　Stress distribution of tilting state（MPa）

顯然，與打樁船規(guī)范要求下的放置工況以及作業(yè)工況相比，在樁架起升狀態(tài)下，油壓撐桿軸向應力遠大于放置狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)，與油壓撐桿相接的樁架結(jié)構(gòu)的軸向應力和彎曲應力也都更大，油壓撐柱附近的船體結(jié)構(gòu)則由于需要支撐油壓撐桿而出現(xiàn)了更大的應力分布。這是由于樁架起升時，樁架頂端離開船舶的支撐點，樁架自身龐大的重量對樁架底座結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的彎矩及剪力。因此，與樁架的作業(yè)狀態(tài)相比較，樁架起升過程中更容易對油壓撐桿連接處的樁架以及船體結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)損傷，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要引起重視的。

4　結(jié)論

論文針對打樁船按照規(guī)范要求進行了放置狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)以及樁架起升狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強度以及穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，可以得出如下結(jié)論：

（1）在作業(yè)狀態(tài)下，樁架以及船體結(jié)構(gòu)的強度符合規(guī)范要求，但是前傾作業(yè)狀態(tài)下樁架結(jié)構(gòu)、象鼻結(jié)構(gòu)以及主船體結(jié)構(gòu)的應力將大幅增加。因此，樁架前傾作業(yè)時的承載能力應該予以重點關(guān)注。

（2）起升狀態(tài)下，樁架以及船體結(jié)構(gòu)的強度以不符合規(guī)范要求，油壓撐桿的軸向力較大，打樁船結(jié)構(gòu)設(shè)計時還需要考慮主樁架狀態(tài)改變對結(jié)構(gòu)承載的影響。

在進行打樁船的結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計以及強度衡準時，除按照規(guī)范執(zhí)行外，更需要根據(jù)實際作業(yè)過程進行分析，并針對作業(yè)過程的各個環(huán)節(jié)來進行嚴格的安全管理。

［1］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）：29-34.

［2］支李峰，王國治.打樁船樁架載荷的模擬與結(jié)構(gòu)加固［J］.江蘇科技大學學報：自然科學版，2007，21（2）：20-24.

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

［4］劉北辰.工程計算力學—理論與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

Numerical Simulation of Structure Strength for Pile Driving Vessel

ZHANG Ji-ping，YANG Yang
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Strength of pile driving barge is studied.Finite element model of pile holder and supporting structure is built，and structure strength is simulated in different load cases according to the specification requirements，in which the loads include operation load，wind load，tilting load，and the dynamic load resulted from ship moving.What's more，thinking about the operation characteristic of pile driving barge，the strength of pile holder and supporting structure under lifting state is analyzed.Results show that structure strength of operation state and placement state meet the specifications，but structure strength of lifting state doesn't meet and high-stress phenomenon happens at pile holder and supporting structure.Such，during structure design and strength verification for working ship just as pile driving vessel，it is necessary to carry on strength analysis for different states around the whole working process to improve safety and reliability.The research is of great reference for structure design of the same type ship.

pile driving vessel；strength verification；tilting state；working state

U661.4

A

1008-830X（2015）04-0350-04

2015-01-10

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項（201310111）

張吉萍（1978-），女，浙江金華人，博士研究生，研究方向：船舶計算力學.