組合載荷下大型抓斗挖泥船定位樁的動力響應(yīng)

，，，，

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064； 2.上海交通大學(xué) a.海洋工程國家重點實驗室，b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引 言

對于海洋疏浚工程中的大型樁定位式抓斗挖泥船而言，其船體定位或行走作業(yè)通常由數(shù)根定位樁完成。當(dāng)抓斗船到達(dá)指定海域后，通過升降油缸或絞車操作將鋼樁插入海底，利用海底土體對于鋼樁的約束作用維持抓斗船的正常作業(yè)。與自升式平臺不同的是，樁定位式挖泥船在作業(yè)時仍部分浮于水面，除承受風(fēng)載荷與抬船載荷以外，還承受波流以及作業(yè)載荷等復(fù)雜多變的動載荷作用，定位樁動力響應(yīng)不容忽視。定位樁在作業(yè)時需約束挖泥船整體運動，其上端變形直接影響挖泥船抓斗作業(yè)的定位精度，特別是在惡劣海況下，定位樁的可靠性將直接影響抓斗船作業(yè)的安全性。

目前，國內(nèi)外對于工程船定位樁的靜動力響應(yīng)問題進(jìn)行了一些研究。吳若一[1]、谷安瀾等[2]分析采金船樁柱的破壞形式，認(rèn)為定位樁斷裂一般為脆性破壞，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度討論樁柱截面尺寸的選擇，并認(rèn)為作業(yè)載荷是連續(xù)反復(fù)的，在設(shè)計時應(yīng)考慮疲勞強度。白木由春等[3]通過數(shù)值計算和模型試驗研究在波浪中水深對船體運動與樁腿受力的影響、緩沖裝置對減小樁腿上載荷的作用、船體運動與海底對樁腿支承力的聯(lián)系，并進(jìn)行可靠性分析。苗得雨[4]采用ANSYS的殼單元和彈簧單元模擬樁與土的相互作用，基于“m”法建立樁-土空間體系的有限元模型，并進(jìn)行計算分析。季勇志等[5]在全面分析風(fēng)、浪、流對絞吸船定位樁沖擊荷載的基礎(chǔ)上，建立樁-土相互作用模型，對絞吸船施工中定位樁的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)問題提出編程計算和有限元分析相結(jié)合的研究方法。

綜上所述，對于樁定位式挖泥船樁腿系統(tǒng)的研究，大多采用基于結(jié)構(gòu)力學(xué)梁模型的簡化靜力學(xué)分析方法。但上文已述樁定位式挖泥船實際所受外載荷為復(fù)雜的動載荷，對于多樁結(jié)構(gòu)，各樁之間還存在連體影響，靜力學(xué)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此外，定位樁樁底與海底土體的相互作用實際上是一個非線性接觸過程，將樁底土體約束簡化為固支或鉸支的方法很難保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)外對于該類樁-土相互作用問題也有一些研究：李強[6]以自升式海洋平臺樁靴、樁腿為研究對象，采用Winkler地基梁模型模擬樁-土相互作用，對其在風(fēng)暴自存海洋環(huán)境下與海底土的相互作用進(jìn)行分析； KIM等[7]、 ABDEL-MOHTI等[8]和KHODAIR等[9]基于樁-土相互作用，對單樁在側(cè)向或軸向載荷作用下的承載能力進(jìn)行研究，但對遭受波流載荷作用的樁定位船特別是多樁連體系統(tǒng)的研究則較少。

因此，本文在建立某抓斗船三樁聯(lián)合樁-土相互作用模型的基礎(chǔ)上，考慮船體質(zhì)量及其附加質(zhì)量的影響，在1個抓斗作業(yè)周期內(nèi)研究極端工況組合載荷作用下抓斗挖泥船定位樁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題，并著重分析該工況下主船體的水平位移響應(yīng)、各樁樁靴承載力的變化規(guī)律及其樁周土體的受力特點等。

1 分析方法與參數(shù)

研究對象是一艘200 m3大型三樁定位抓斗挖泥船，如圖1所示，主要船體參數(shù)：船長131.72 m，船寬36.00 m，型深9.00 m，設(shè)計吃水5.60 m，排水量24 242 t；船舶重心位于中樁后7.7 m、距基線9.22 m的船舶中剖面上。定位樁參數(shù)為：樁長L為53 m，樁徑D為3.5 m，插樁深度值d為2 m(樁靴上表面位于海床平面)。定位樁系統(tǒng)包括3根鋼樁，三樁尺度與形式均一致，中樁與尾樁之間的距離為62.4 m，中左樁與中右樁之間的距離為25.2 m。船體固樁區(qū)、定位樁與海底土體相互作用形式如圖2所示，定位樁通過插銷裝置與船體固樁區(qū)相連(插銷裝置布置于上甲板)，用以限制船體的運動響應(yīng)。這種挖泥船定位樁一般都是淺插深樁且具有較大的土體外露段，為保證樁的定位能力，在樁腿底部通常會設(shè)有某種形式的樁靴結(jié)構(gòu)。

圖1 抓斗船船體坐標(biāo)系

圖2 船體固樁區(qū)、定位樁與海底土體相互作用形式

1.1 抓斗船的荷載分析

以船長方向為x軸、船寬方向為y軸建立船體笛卡爾坐標(biāo)系,如圖1所示。挖泥船在作業(yè)時受到的組合荷載主要包括風(fēng)壓力、水流力、波浪力、抓斗作業(yè)載荷以及抬船載荷等，這些載荷均需通過插銷裝置作用于3根定位樁上。風(fēng)、流載荷應(yīng)用OCMIF[10]推薦方法進(jìn)行估算，波浪載荷基于勢流理論進(jìn)行仿真計算。抓斗作業(yè)是一個動態(tài)循環(huán)過程(假定抓斗臂從中剖面初始位置向船舶左舷旋轉(zhuǎn))，單個抓斗作業(yè)過程所用時間見表1。抓斗作業(yè)載荷根據(jù)抓斗臂每一時刻所處位置確定。抬船載荷根據(jù)抬船高度值參考靜水力曲線進(jìn)行求解(在惡劣海況下，為保證抓斗船定位精度，根據(jù)需要會使抓斗船主體部分抬起一定高度)，等于船體在作業(yè)吃水下的重力與浮力之差。為便于后續(xù)處理，利用力的分解和合成方法將以上船體外載荷(包括合力和合力矩)轉(zhuǎn)換至船體重心處[11]，即

(1)

式中：Fij與Mij(i=1對應(yīng)環(huán)境載荷,i=2對應(yīng)抬船載荷，i=3對應(yīng)抓斗工作載荷)分別為3類外載荷作用于船舶重心處的載荷分量；t為時間變量。

表1 單個抓斗作業(yè)過程用時 s

抓斗船在惡劣海況下作業(yè)時，會受到較大的水平方向波流載荷作用，會對抓斗船定位樁的定位精度及其結(jié)構(gòu)強度帶來較大影響；為此，抓斗船會利用定位樁抬升一定高度即設(shè)計抬船高度來減小抓斗船定位樁所受到的側(cè)向載荷及增大定位樁對地預(yù)壓力，但過大的抬船高度值會增大抓斗船定位樁的軸向載荷，對定位樁的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性同樣不利，因此設(shè)置合理的抬船高度值對于抓斗船在惡劣海況下的安全作業(yè)非常重要。根據(jù)抓斗船定位樁設(shè)計需要，以單個抓斗作業(yè)過程為計算時域，并考慮較為危險的極端海況橫浪載荷(橫浪、流、風(fēng)方向均與船體y方向一致)，選取抓斗船典型在位作業(yè)工況對抓斗船定位樁系統(tǒng)進(jìn)行動力響應(yīng)計算，計算工況見表2。圖3為在計算工況下作用于抓斗船重心處單個作業(yè)周期內(nèi)的幾個主要載荷(Fy，Mx，My)分量的時歷曲線。

表2 抓斗船定位樁計算工況

圖3 船體外載荷時歷曲線

1.2 數(shù)值分析模型

由于船體結(jié)構(gòu)相對于定位樁來說具有更大的剛度，將船體結(jié)構(gòu)簡化為剛性質(zhì)量點集中于船體重心處，同時將船體在橫浪狀態(tài)(見表2)下的橫搖附加質(zhì)量一同計入質(zhì)量點。船體質(zhì)量點通過多點約束方式與定位樁插銷載荷作用點耦合(插銷載荷作用點位于固樁模塊與定位樁連接處)，船體外載荷直接作用于船舶重心質(zhì)量點處，如圖4所示。

圖4 抓斗船三樁幾何模型

建立各定位樁局部坐標(biāo)系，與船體坐標(biāo)系方向一致，局部坐標(biāo)系原點取為定位樁軸向中心線與泥面的初始交界點。根據(jù)圖1和圖2建立抓斗船三樁聯(lián)合樁-土有限元分析模型，土體模型在長、寬方向分別取35 m(10倍樁徑)，在深度方向取10 m(5倍插樁深度)，如圖5所示。為真實反映無限大海床對于定位樁的約束作用，必須對所取土體邊界施加約束條件：(1)約束土體模型側(cè)面徑向位移(長寬方向)；(2)約束土體模型底部垂向位移。

圖5 樁-土有限元模型

1.3 土體與樁的計算參數(shù)

根據(jù)200 m3抓斗挖泥船定位樁設(shè)計需要，定位樁所用材料為高強度鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。作業(yè)區(qū)域土體主要為砂性土(塑性、黏著性弱，透水性強)，材料密度為2 000 kg/m3，彈性模量為2 600 MPa，內(nèi)摩擦角為30°，膨脹角為5°，土體凝聚力為12 kPa。由于土體與樁在材料上存在較大差異，接觸面間的相互作用非常復(fù)雜，用樁-土節(jié)點耦合的方法難以準(zhǔn)確模擬樁-土之間的相對滑動與分離現(xiàn)象，因此，用Mohr-Coulomb塑性模型模擬樁-土接觸面，接觸面摩擦系數(shù)取0.3。

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

主要從以下因素分析數(shù)值仿真結(jié)果：(1)由于抓斗船定位樁的主要作用為限制船體的水平位移響應(yīng)，選擇船舶重心質(zhì)量點作為評估船體水平方向位移響應(yīng)的參考點。(2)為評估定位樁在計算工況下的結(jié)構(gòu)強度儲備，對各樁單元相當(dāng)應(yīng)力最大值對應(yīng)時刻下的樁身應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行分析；通過此時最大應(yīng)力單元對應(yīng)的應(yīng)力變化曲線對定位樁在整個作業(yè)周期過程中的受力情況進(jìn)行分析。(3)對典型時刻樁周土體的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，討論方形樁靴下樁周土體的承載特點。(4)作為對比，對各定位樁樁底絞支的情況也進(jìn)行仿真計算。

考慮到待求解問題的有限元模型規(guī)模較大，利用模態(tài)疊加法對抓斗船三樁系統(tǒng)在計算工況下的瞬態(tài)響應(yīng)問題進(jìn)行求解。在對船舶重心處施加動載荷之前，應(yīng)使抓斗船各樁在定位樁自重及抬船載荷等靜載荷作用下的初始應(yīng)力達(dá)到平衡(取前5 s)。

2.1 抓斗船三樁模態(tài)分析結(jié)果

在利用模態(tài)疊加法對瞬態(tài)響應(yīng)問題進(jìn)行求解之前，首先需要利用模態(tài)分析法對分析模型進(jìn)行解耦，確定足夠數(shù)量的與激勵力方向一致的結(jié)構(gòu)振型以滿足求解精度(位移響應(yīng)的最終計算結(jié)果不僅與激勵力的頻率有關(guān)，還與激勵力的方向有關(guān))。樁-土約束下抓斗船定位樁的前2階y向固有頻率為0.366 Hz(最小頻率)和14.655 Hz，前2階振型如圖6和圖7所示。樁底絞支約束下抓斗船定位樁的前2階y向固有頻率為0.395 Hz(最小頻率)和15.534 Hz，其前2階振型如圖8和圖9所示，可以看出：2種處理方式下的模態(tài)頻率結(jié)果略有差異，其模態(tài)振型形狀基本一致。

圖6 定位樁1階振型 (樁土約束) 圖7 定位樁2階振型(樁土約束)

圖8 定位樁1階振型(絞支約束) 圖9 定位樁2階振型(絞支約束)

圖10 船舶重心處水平位移響應(yīng)

根據(jù)計算工況要求，抓斗船定位樁系統(tǒng)所遭受的橫浪頻率為0.17 Hz(周期6 s)，可知挖泥船定位樁設(shè)計是合理的，能夠滿足避開激勵力頻率的要求。

2.2 抓斗船重心處位移計算結(jié)果

圖11 船舶定位樁變形云圖(t=57.5 s)

圖12 船舶橫偏角時歷曲線

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，利用模態(tài)疊加法對抓斗船三樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)計算，圖10為樁土約束及絞支約束下抓斗船重心處單個抓斗作業(yè)周期下水平x，y方向的位移響應(yīng)計算結(jié)果。圖11為重心處位移達(dá)到極值時(t=57.5 s)三樁系統(tǒng)的變形云圖，可以看出：在橫浪、流載荷作用下，抓斗船的y向位移在水平方向位移響應(yīng)中占主要成分，在計算工況下y向位移極值為95 mm(在設(shè)計抬船高度下，抓斗船水平位移響應(yīng)可以得到有效控制)；在2種樁底約束方式下的位移響應(yīng)變化趨勢基本一致，在絞支約束下的位移響應(yīng)極值明顯小于在樁土分析下的結(jié)果，這也從側(cè)面表明采用傳統(tǒng)樁底絞支約束方式的處理方法偏保守；樁身位移沿樁身向上逐漸增加，直至船體固樁區(qū)達(dá)到一個較大值，2根中樁的樁身最大變形比尾樁大。

2.3 主船體橫偏角分析

主船體在利用三樁進(jìn)行定位作業(yè)時，除船體重心處的位移響應(yīng)外，由于受到外載荷的影響及三樁承載力的不同，還存在橫向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這對于船體定位精度及定位樁結(jié)構(gòu)安全性不利。因此，對其在1個抓斗作業(yè)過程中橫偏角的變化規(guī)律進(jìn)行分析。橫偏角為船體重心與尾樁插銷載荷作用點連線與船體x方向的夾角。圖12為在計算工況下抓斗船的橫偏角時歷曲線，可以看出：船體在抓斗作業(yè)過程中會出現(xiàn)弱橫偏現(xiàn)象，且在大部分時間內(nèi)會向船體左舷偏轉(zhuǎn)(抓斗作業(yè)方向)。

2.4 抓斗船各樁應(yīng)力變化規(guī)律

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，選取中左樁和尾樁在整個瞬態(tài)響應(yīng)時間域內(nèi)應(yīng)力達(dá)到最大值時所對應(yīng)的單元，并提取該單元在整個時間域內(nèi)應(yīng)力隨時間變化的曲線，如圖13所示。圖14為三樁系統(tǒng)達(dá)到最大應(yīng)力(t=57.5 s)時的應(yīng)力云圖。

圖13 船舶定位樁應(yīng)力變化曲線

圖14 抓斗船定位樁應(yīng)力云圖(t=57.5 s)

由圖13和圖14可以看出：在整個作業(yè)過程中2根中樁的應(yīng)力狀態(tài)較為相似，在固樁區(qū)及樁底附近會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)；由于船舶重心位置更靠近2根中樁，使得中樁的單元極值應(yīng)力(507 MPa)明顯大于尾樁(176 MPa)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要特別注意2根中樁的結(jié)構(gòu)強度儲備。而且，2種樁底約束方式下各樁最大單元應(yīng)力的變化情況基本一致，中樁上的最大單元應(yīng)力在樁土約束下會略微偏大，而在尾樁上則會出現(xiàn)相反的情況，這與各樁的承載特性有關(guān)。

2.5 抓斗船各樁承載力計算

在定位樁結(jié)構(gòu)設(shè)計初期，需要對抓斗船各樁的承載特性進(jìn)行詳細(xì)分析。本文對于各樁在計算工況下的承載力情況進(jìn)行仿真計算，中左樁及尾樁在1個抓斗作業(yè)周期內(nèi)3個方向作用力(Fx,Fy,Fz)的變化結(jié)果如圖15所示。計算工況下前后樁各方向的承載力極值(Fxm,Fym,Fzm,Mxm,Mym,Mzm)與對應(yīng)方向船體外載荷極值的比值計算結(jié)果見表3，船體外載荷極值記為(Fxe,Fye,Fze,Mxe,Mye,Mze)。

圖15 抓斗船各樁承載力

表3 各樁承載力極值之比(計算工況)

由圖15和表3可以看出：在計算工況下2根中樁對主船體的承載力情況基本相似，中樁承載力極值約為尾樁的3～4倍，這在各樁結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計中需要特別注意；表中Fym/Fye,Mxm/Mxe和Mym/Mye為在計算工況下的主要載荷分量。

2.6 樁周土體承載特性

為評估樁周土體承載特性及改善定位樁樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計，對單元應(yīng)力最大時刻(t=57.5s)各樁樁周土體的應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，如圖16～18所示，從圖中也可以看出樁周土體的主要承載區(qū)域(σs≥1.0 MPa)。

圖16 中左樁樁周土體應(yīng)力(t=57.5 s)

圖17 中右樁樁周土體應(yīng)力(t=57.5 s)

圖18 尾樁樁周土體應(yīng)力(t=57.5 s)

由圖16～圖18可以看出：與樁靴內(nèi)部桁材位置相對應(yīng)的樁靴下表面土體會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，有效土體也主要集中在這些區(qū)域，說明定位樁樁靴形式和尺度的設(shè)計對于樁周土體的承載范圍和特點有較大的影響。樁周土體(樁靴底部)的承載區(qū)域與外載荷的特性有關(guān)，設(shè)置一定的抬船高度可以提高定位樁對地壓力，對提高抓斗船樁定位精度有宜。

3 結(jié) 論

(1) 在對抓斗船定位樁進(jìn)行在位分析時，應(yīng)充分考慮作用于船體上的外載荷，主要包括：波流載荷、風(fēng)載荷、抬船載荷及抓斗作業(yè)載荷等。計算結(jié)果表明：該船定位樁能夠滿足定位精度和自身結(jié)構(gòu)強度的要求，與尾樁相比兩中樁更容易面臨強度和剛度不足的問題。

(2) 詳細(xì)對比樁底絞支約束和樁土約束下抓斗船定位樁動力特性和動力響應(yīng)的計算結(jié)果，在絞支約束下的動力響應(yīng)結(jié)果在大部分情況下會顯得較為保守，這也表明在樁定位式工程船定位樁動力響應(yīng)計算中考慮樁-土相互作用的必要性。

(3) 對各樁承載力和樁周土體應(yīng)力分布情況的分析結(jié)果可以改善定位樁及其樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計，如增加樁靴面積和調(diào)整樁靴的結(jié)構(gòu)形式等，從而保證抓斗船樁定位精度和結(jié)構(gòu)的安全性。

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