62m水泥攪拌打樁船設計

惠紅星

摘 要：近年來，隨著海洋工程施工的需要，為適應港航事業(yè)的發(fā)展，對更高技術性能的打樁船的需求越來越大。本文設計建造的62 m打樁船為非自航水泥攪拌樁工程船，可在無限航區(qū)調(diào)遣和沿海航區(qū)作業(yè)。針對其主尺度、不同工況的穩(wěn)性校核、船體結(jié)構(gòu)、樁架結(jié)構(gòu)設計及受力分析等主要性能進行了研究，解決了關鍵技術。

關鍵詞：水泥攪拌打樁船；樁架結(jié)構(gòu)；設計建造

中圖分類號：U664.33 文獻標識碼：A

Abstract： In the last century， pile driving vessels manufactured in China were basically operated in the river and harbor scope with the weak driving ability. In recent years， with the more demand of ocean engineering construction adapt to the development of shipping industry， high-tech pile driving vessels are needed. This paper expounds the design and manufacture of 62m non self-propelled cement mixing & piling vessel， it can navigate in unrestricted navigation area and operate in coastal area. The main scales， stability check， hull structure， pile structure design and stress analysis of it are studied.

Key words： Cement mixing & pile driving vessel； Pile Holder Structure； Design and manufacture

1 前言

打樁船是在船舶主甲板的頂部或前部設有打樁樁架設備，用于水上打樁的工程船舶。近年隨著海洋工程和港航事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一大批輔助各類海上或港內(nèi)的打樁工程船應運而生。這些打樁船根據(jù)作業(yè)海域、作業(yè)需求、作業(yè)方式不同又各有特點。但總體來說，樁架作業(yè)受力、穩(wěn)性計算工況、整體結(jié)構(gòu)強度都是打樁這類船能否達到預定目標的關鍵，也是在設計初期關注的重點。

2 船型及主要要素概述

2.1 船型概述

62 m打樁船為非自航水泥攪拌樁工程船，可在無限航區(qū)調(diào)遣和沿海航區(qū)作業(yè)。其穩(wěn)性按照無限航區(qū)核算，結(jié)構(gòu)強度按遠海航區(qū)設計，主要設備按沿海航區(qū)配置[3]。并參照如下規(guī)范：中國船級社（CCS）2012《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》、中華人民共和國海事局 2011 《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術規(guī)范》；另外穩(wěn)性還按照IMO A.749（18）決議《關于 IMO 文件包括的所有船舶的完整穩(wěn)性規(guī)則》對無限航區(qū)的有關穩(wěn)性要求進行核算。

該船在設計過程中對樁架及相關結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)有限元分析，具備足夠的強度和剛度。

2.2 主要尺度

3 總體性能設計分析

本船為了保證在各種作業(yè)工況下良好的浮態(tài)，在主甲板下左右前后均布置有淡水艙、燃油艙、平衡水艙和足夠數(shù)量的壓載調(diào)節(jié)艙，用以在不同狀態(tài)時調(diào)整浮態(tài)。確保在各作業(yè)工況時，具有較小的橫傾和縱傾，滿足打樁要求。

該船穩(wěn)性按照國際海事組織 A.749（18） 決議《關于 IMO 文件包括的所有船舶的完整穩(wěn)性規(guī)則》的有關要求進行核算，主要核算6種工況，計算結(jié)果滿足規(guī)則要求，在作業(yè)時穩(wěn)性仍有富裕。另外由于打樁船為非自航船，免除破艙穩(wěn)性的核算要求。其設計干舷為1 132 mm，滿足規(guī)則要求，且為富裕干舷船。

4 錨泊定位及作業(yè)設備

本船采用四點八字錨泊定位方式作為船舶作業(yè)定位和移船，首部右舷增設一臺錨機備用，4臺 20 t拉力絞車分別配 4 只 5 t波爾錨進行錨泊定位；另本船左右舷分別配有五對 A500 帶纜樁、4 個 A 200 普通帶纜樁和 1 個 B300 船用十字形纜樁。

本船主要作業(yè)設備為在甲板面FR32處設置供水泥攪拌和攪拌樁設備用的 25 t 拉力絞車、FR100 處設置 5 t 拉力絞車各 3 臺。在露天甲板中部為支架架起的 3 個水泥罐，首部設置打樁船作業(yè)的A字架和3個樁架。

5 主要結(jié)構(gòu)設計

5.1 船體結(jié)構(gòu)強度

本船船體結(jié)構(gòu)按《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2012年）對遠海航區(qū)駁船的要求進行設計，為鋼質(zhì)單底單甲板方駁，采用 CCSA 鋼建造，全船外殼采用縱骨架式，橫艙壁、縱艙壁采用扶強材形式。甲板骨架按 10 t/m2 壓力進行設計。

5.2 樁架設計及結(jié)構(gòu)強度分析

本船為特種用途船，為滿足作業(yè)需要，在主甲板上設置 A 字架及三個樁架，依據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）、《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)直接計算指南（2002）》（以下簡稱《指南》）的相關規(guī)定和要求以及運營工況采用結(jié)構(gòu)有限元方法進行直接計算分析。

（1）計算模型

按照艙段結(jié)構(gòu)作三維有限元強度直接計算分析。模型中采用了以下幾種單元：

板殼單元：模擬樁架中的加強圍板等板殼結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）。板殼單元大多采用四邊形單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡。

梁單元：模擬 A 字架支承桿及樁架角鋼等。梁單元考慮各構(gòu)件的實際截面和偏心。endprint

板單元大小以肋距和縱骨間距為基準，邊長比控制在 1：3 以內(nèi)；板結(jié)構(gòu)上的開孔若小于單元尺寸，予以忽略；若開孔大于單元尺寸則安裝其實際形狀扣除相應的單元；梁單元依板單元的邊建立，其大小與板單元相適應。

樁架的三維有限元計算總體模型如圖1所示。

（2）計算工況

樁架強度按兩個工況進行校核。

工況1：旁樁機距船舯 4 m；

工況2：旁樁機距船舯 4.8 m。

（3）計算載荷

本船在樁架強度計算時所考慮的載荷為自身重力和由吃水引起的靜水壓力，具體如下：

① 船體自身重力

取重力加速度為 9 810 mm/s 2 ，重力加速度的施加如圖 2所示。

② 樁架支承動力頭的受力

樁架的上端是樁架頂平臺，鋼絲繩通過樁架頂平臺的滑輪組與動力頭及樁桿頂部的滑輪組連接，動力頭及樁桿的重力全部作用在水平梁的滑輪組中心。該重量以集中力的形式加在節(jié)點上，考慮最危險狀況，計算重量按估算重量乘以 1.3 倍的值施加。實際動力頭及樁桿重量為 92 t，在計算時動力頭及樁桿計算重量取 120 t，并用該節(jié)點 MPC 關聯(lián)樁架與頂平臺的法蘭連接處。受力圖如圖3所示。

（4）計算結(jié)果分析

本船樁架支承頂部的滑輪組，吊重 92 t 的動力頭及樁桿，該樁架可等效為起重機柱分析其許用應力，等效應力按《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）3.10.7 強度衡準進行校核。各種工況下，構(gòu)件的計算應力不大于其許用應力值，其中構(gòu)件的許用應力值為材料的屈服強度除以相應安全系數(shù)。按工況較危險值校核，Q235鋼的板單元的相當應力為235/1.43=164 MPa，剪應力為 235/2.5 =94 MPa，桿單元及梁單元的最大合成應力為235 MPa。計算結(jié)果表明各工況均滿足強度要求。

6 主要設計特點

62 m打樁船作為特種水泥攪拌打樁船，其在設計過程中有以下特點：

（1）在船舶首尾設置足夠容積的壓載水艙，以滿足船舶在各種工況時以及有無水泥時調(diào)整浮態(tài)；

（2）上層建筑、機艙、燃油艙以及淡水艙均設在尾部主甲板下，從而減小由于首部樁架和水泥重量引起的縱傾；

（3）上層建筑艙室的設計布局合理，功能滿足要求，工作生活環(huán)境方便舒適；

（4）采用改進樁架結(jié)構(gòu)，提高樁架強度，減輕樁架重量、重心對船舶穩(wěn)性的影響。

7 結(jié)語

62 m水泥攪拌打樁船作為特種打樁工作船，其設計方案具有較好的合理性和創(chuàng)新性，目前已順利完成建造，不久將會服務于航道和港口的水泥攪拌打樁作業(yè)。

參考文獻

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[3] 張鵬萬.93.5m打樁船設計研究[J].船舶與海洋工程，2014（03）.

[4] 吳曉源，王一飛，李 輝.打樁船樁架結(jié)構(gòu)強度有限元分析[J].計算機輔 助工程，2006（09）.endprint