海上獨(dú)立鋼樁導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元計(jì)算

撰文/廣東華爾辰海上風(fēng)電工程有限責(zé)任公司 方晶

海上獨(dú)立鋼樁導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元計(jì)算

撰文/廣東華爾辰海上風(fēng)電工程有限責(zé)任公司 方晶

海上獨(dú)立鋼樁進(jìn)行插樁作業(yè)時(shí)，需要導(dǎo)向架對其定位導(dǎo)向及垂直度調(diào)節(jié)，導(dǎo)向架主要由上層抱箍、中層立柱結(jié)構(gòu)、下層導(dǎo)向桁架結(jié)構(gòu)，以及若干調(diào)節(jié)油缸組成。本導(dǎo)向架的設(shè)計(jì)充分考慮了水流力、風(fēng)載對導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)施工條件考慮了多個(gè)工況，確保導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，通過ANSYS有限元分析軟件，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。

一、引言

導(dǎo)向架用于大直徑單樁基礎(chǔ)施工過程中的導(dǎo)向和垂直度調(diào)節(jié)，為保證打入鋼樁的垂直度，需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的導(dǎo)向架平臺；本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)向架由導(dǎo)向架本體和四根定位樁組成，在打樁過程中，導(dǎo)向架與船體脫離開，通過四根定位樁將導(dǎo)向架固定，形成獨(dú)立的海上施工平臺，即使在大風(fēng)浪的情況下，船體橫縱搖也不會對導(dǎo)向架在打樁過程中的垂直度產(chǎn)生影響。

二、導(dǎo)向架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)向架用于海上施工平臺，需要考慮水流力和風(fēng)載對結(jié)構(gòu)的影響，因此首先需要風(fēng)載和水流進(jìn)行計(jì)算。

風(fēng)壓： q=245.2kg/ms2，q=245Pa

按型鋼制成的平面桁架風(fēng)力系數(shù)取：C=1.3

結(jié)構(gòu)的充實(shí)率?。害誼=0.4，φy=0.6

擋風(fēng)折減系數(shù)：ηx=0.43，ηy=0.43

單根桁架的迎風(fēng)面積： Ax=27.6m2，Ay=26.4m2

總迎風(fēng)面積：Ax1=3(1+ηx)·AxAx1=118.404m2

Ay1=3(1+ηy)·AyAy1=113.256m2

風(fēng)載荷：PWx=C×q×Ax1，PWx=3.849tf PWy=C×q×Ay1，PWy=3.681tf

三、有限元模型建立

設(shè)船長方向?yàn)閄方向，船寬方向?yàn)閅方向，考慮到Y(jié)方向?yàn)閷?dǎo)向架計(jì)算控制工況，因此計(jì)算主要以Y方向?yàn)橹鳌?/p>

ET，1，beam188 !單元類型

MP，EX，1，2.06E11 !彈性模量

MP，PRXY，1，0.3 !泊松比

MP，DENS，1，7850 !密度

ACEL，0.0，0.0，10.29 !重力加速度

節(jié)點(diǎn)力加載位置為抱箍圓圈均布在四分之一位置，受力點(diǎn)在四個(gè)抱緊油缸上。圖1為導(dǎo)向架總體設(shè)計(jì)圖，圖2為導(dǎo)向架有限元模型。

考慮到垂直度千分之二：鋼樁67m。

允許最大位移為： td=2/1000×67m

圖1 為導(dǎo)向架總體設(shè)計(jì)圖

圖2 為導(dǎo)向架有限元模型

其中，ρ為1015kg/m3；v為2m/s；Cw為0.73；A為6.5m×10m。

水流產(chǎn)生力：Fw=Cw×ρ/2×v2×A，F(xiàn)w=96.3KN

導(dǎo)向架材料為Q345C，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，許用應(yīng)力為226MPa左右；通過設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入，導(dǎo)向架各工況應(yīng)力分布如表所示。

根據(jù)實(shí)際情況，在導(dǎo)向架受橫向水流和橫風(fēng)作用情況下，為最危險(xiǎn)工況，以此基礎(chǔ)建立有限元模型。圖3為導(dǎo)向架整體有限元受力分析。

圖3 導(dǎo)向架整體有限元受力分析

四、上層抱箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對鋼樁直徑、重心以及施工地質(zhì)條件等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，鋼樁入泥后，會自重下沉一定深度；施工前，導(dǎo)向架會提升10m，以保證鋼樁重心在上層機(jī)械手下面，使油缸水平推力減小，減輕導(dǎo)向架本身負(fù)荷，上下兩層導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以分別對鋼樁垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)，中間立柱采用桁架結(jié)構(gòu)，重量輕，傳力明確，通過綜合分析，導(dǎo)向架整體高度在17m左右比較合適；考慮到碰撞間隙，上層機(jī)械手在合攏狀態(tài)下內(nèi)徑為7m，水平推力油缸安裝固定后，前端單個(gè)滾輪結(jié)構(gòu)伸出0.2m，從而保證在閉合狀態(tài)下，鋼樁和機(jī)械手油頂滾輪之間有10cm間隙，避免調(diào)整垂直度前發(fā)生碰撞。圖4中上層抱箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，圖5上層抱箍應(yīng)力云圖。

表 各工況受力計(jì)算

圖4 上層抱箍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖5 上層抱箍應(yīng)力云圖

五、中層立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中層立柱結(jié)構(gòu)主要承受打樁時(shí)向下的水平力和以及起吊過程中對下層導(dǎo)向桁架的拉力，考慮到迎風(fēng)面積，立柱設(shè)計(jì)成桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)輕，受力明確；中層立柱主肢采用無縫鋼管φ500×12，通過模型建立，局部應(yīng)力云圖如圖6所示，圖6中層立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，圖7中層立柱應(yīng)力云圖。

六、下層導(dǎo)向桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下層導(dǎo)向桁架與鋼套設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，下層導(dǎo)向桁架分為上下兩層，兩層之間間距有5m，鋼套直徑為φ2460mm，上下兩端分別與兩層桁架焊接，鋼套中間用于插定位樁，鋼套外側(cè)均設(shè)計(jì)有加勁板，為保證打樁過程中整體結(jié)構(gòu)的剛度，兩層桁架設(shè)計(jì)成箱型結(jié)構(gòu)，通過抗彎計(jì)算，確定箱型截面尺寸，然后計(jì)算應(yīng)力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，減輕重量。如圖8下層導(dǎo)向桁架設(shè)計(jì)圖，圖9下層導(dǎo)向桁架應(yīng)力云圖。

圖6 中層立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖7 中層立柱應(yīng)力云圖

圖8 下層導(dǎo)向桁架設(shè)計(jì)圖

圖9 下層導(dǎo)向桁架應(yīng)力云圖

七、結(jié)語

本導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全依據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)文件參數(shù)，在初步設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)后，用ANSYS有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，在滿足項(xiàng)目對油缸水平力和垂直力的各項(xiàng)指標(biāo)要求后，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕重量。目前，經(jīng)此方案生產(chǎn)的導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于施工現(xiàn)場。同時(shí)，這種平臺式導(dǎo)向架的靈活、高效和精確調(diào)整垂直度的優(yōu)點(diǎn)，對近海大型風(fēng)電場建設(shè)快速施工的鋼管樁插打、試樁數(shù)據(jù)采集及后期風(fēng)機(jī)安裝具有典型意義。