基于實際工程替打樁安裝設(shè)計流程介紹

秦一楠

摘 要：本文基于實際工程，詳細介紹了海洋工程中替打樁安裝設(shè)計流程，此設(shè)計包括可打入性分析、自由站立分析及替打段設(shè)計分析。替打樁安裝設(shè)計的特點是涉及相關(guān)方多、設(shè)計過程多、各項工作相互聯(lián)系制約。鑒于上述特點，建議全面考慮、統(tǒng)籌兼顧，采用螺旋方式穩(wěn)步推進工作，以實現(xiàn)替打樁安裝既安全又經(jīng)濟的目的。

關(guān)鍵詞：海洋工程； 替打樁； 可打入性分析； 自由站立分析； 替打段設(shè)計分析

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0074-04

海上平臺、單點系泊、海上風電的固定及在海中臨時結(jié)構(gòu)物的搭設(shè)都需要用鋼管樁進行固定?；谏a(chǎn)、技術(shù)、實用、安全、生態(tài)、環(huán)保要求，需要將整根樁打入泥面以下甚至更深處。這對海上樁基的安裝提出更高要求：在常規(guī)鋼樁安裝設(shè)計的基礎(chǔ)上增加替打段設(shè)計，滿足工程需要。

海洋工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價昂貴，且其所處的海洋環(huán)境惡劣。要實現(xiàn)海上施工即安全又經(jīng)濟，有必要對海上樁基安裝過程進行細致、詳細、全面的設(shè)計分析，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。最終保證工程安全順利實施，同時降低工程費用。

本文將結(jié)合海外工程項目——西非海管及單點安裝項目，詳細介紹替打樁設(shè)計流程，借此同廣大海洋工程界同行分享經(jīng)驗、交流思想，以達到促進海洋工程技術(shù)發(fā)展，為我國海洋工程走出去盡一份微薄力的目的。

1項目數(shù)據(jù)簡介

根據(jù)材質(zhì)、樁徑、樁長、壁厚、設(shè)計入泥深度等，此項目的50根樁可分為三種，一種樁為例，其數(shù)據(jù)如下：樁徑1372 mm，樁長20 m，設(shè)計入泥深度20 m，壁厚30-40 mm，材質(zhì)DH36。

根據(jù)現(xiàn)有施工條件，選用MHU 150S 錘作為主打錘，IHC S90錘作為備用錘，參數(shù)如下：

海況數(shù)據(jù)如下：

（1）波浪數(shù)據(jù)： Hmax = 4.5 m，Tass = 13.0 sec。

（2）流速采用95%概率不超過的月最大數(shù)據(jù)：表層流速Uso = 0.42m*s-1，中層流速Umid = 0.36 m*s-1，底層流速Ubot = 0.14 m*s-1。

（3）水深：Dw = 23.1 m。

2可打入性分析

此分析是驗證所使用安裝設(shè)備，在樁體強度不破壞情況下、滿足規(guī)范拒錘標準要求下能否將樁安裝到位。美國石油協(xié)會（API）給出的拒錘標準是：不能超過300次/英尺[2] [6]。

2.1主要原理及公式

可打入性分析計算原理是先通過各段樁尺寸及各層土壤參數(shù)計算土壤阻力Soil Resistance to Driving （SRD）數(shù)值，再根據(jù)Roussel理論選取各層土的震動（Quake）和阻尼（Damping）參數(shù)，最后將以上得到的數(shù)據(jù)采用GRLWEAP軟件進行數(shù)值模擬分析打樁過程，進而預(yù)測打樁情況為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)建議。

土壤阻力計算，主要計算側(cè)阻、端阻，根據(jù)土壤塑性指數(shù)不同，將土壤大致分為粘性土和非粘性土，分別計算兩種土的土壤阻力。

2.2工程實際計算分析

考慮到實際打樁施工中由于土壤受擾動其阻力系數(shù)會有所折減的情況，另外打樁過程中是否發(fā)生土塞，可將打樁工況分為低阻值不土塞、高阻值不土塞、低阻值土塞及高阻值土塞情況。此項目采用兩種錘分別對以上四種工況進行分析，最大錘擊數(shù)，錘擊數(shù)與樁入泥關(guān)系（如表3、圖1）。

基于以往工程經(jīng)驗，連續(xù)打樁土壤受擾動不會發(fā)生土塞，用MHU 150S錘可以將樁打入預(yù)定深度。從錘擊數(shù)和入泥深度關(guān)系圖可見，沙土中打樁越往深處越難打入，這和在沙土中打樁更容易將土壤壓密實的性質(zhì)相符合，建議施工時在樁入泥超過15m后采用大錘送樁以保證順利施工。

3自由站立分析

此分析是基于已有的施工條件（結(jié)構(gòu)的建造最大偏差、選用的錘、最不利的海況條件等），在打樁過程中確保樁身不損害的目的下，采用動態(tài)分析的方法對樁身強度進行校核。

3.1主要原理及公式

此分析采用SACS軟件，用動力放大系數(shù)方法，模擬樁在波浪、海流、樁自重、錘重及渦流共振作用下受力情況，進而校核樁身強度。首先是根據(jù)樁、導(dǎo)向架的尺寸、建造偏差確定樁的傾斜角度。其次是用SACS軟件建立模型，模型須真實模擬各段樁的壁厚、長度、直徑及整樁傾斜角度，模型中還要體現(xiàn)錘重、錘重心高度及導(dǎo)向架對樁支撐的邊界條件等信息。再次是分步驟進行計算樁所受到的波浪、海流及合成力。最后提取樁身應(yīng)力值進行校核，根據(jù)Timoshenko彈性穩(wěn)定性理論[5]計算軸向許用應(yīng)力，根據(jù)API規(guī)范[2]計算彎曲許用應(yīng)力。此外，根據(jù)DNV規(guī)范[4]進行渦流振動校核，防止樁振動破壞。主要公式如下：

3.2工程實際計算分析

打樁過程中，隨著樁逐漸進入泥中，懸在導(dǎo)向架上部的長度不斷減小，同時考慮各段樁壁厚，可將自由站立分析分為三個工況進行強度分析。自由站立分析結(jié)果如表4。

基于以上結(jié)果，可知施工環(huán)境條件好于或等于給定最差條件（波高、流速），采用現(xiàn)有的MHU 150S錘來安裝樁，樁身強度滿足要求。

4替打段的設(shè)計分析

替打段是底部插入樁頭，上部伸入錘套，用于送樁入泥，反復(fù)使用的一段鋼管結(jié)構(gòu)物。打樁時的錘擊力較大，替打段的設(shè)計就需要進行強度校核。另外，替打段有變徑段，就需要對其進行形狀校核，以防止出現(xiàn)局部屈曲失穩(wěn)。此外，多根樁施工需反復(fù)使用替打段，這就要對其進行疲勞驗算。最后，替打段除了滿足自身的強度、屈曲、疲勞及施工工藝要求外，還要盡量減輕重量、減少高度，這有利于施工安全、操作方便。

4.1替打段強度分析

強度校核采用有限元ANSYS軟件。采用Shell181單元進行建模，建模盡量用規(guī)則四邊形單元，單元尺寸控制在3-4倍板厚的水平，這樣有利于計算的精度。根據(jù)打樁分析，將打樁過程中最大的打樁力，加載在頂部作為設(shè)計荷載。替打段底部插入樁頭與樁接觸部位，將其鉸支固定。

計算結(jié)果最大應(yīng)力為274.07 MPa小于鋼材的屈服強度，根據(jù)AISC規(guī)范[1]，替打段強度滿足安裝樁的施工要求。

4.2替打段形狀校核

為了確保變徑段不發(fā)生屈曲失穩(wěn)，根據(jù)API RP 2A-WSD[2]要求，要對變徑段的角度進行驗算，對縱向應(yīng)力驗算，以及驗算環(huán)向應(yīng)力。

變徑段的臨界角度采用直徑與壁厚的比值進行確定，實際變徑段角度小臨界角度即可?？v向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力的驗算依照規(guī)范公式進行，確保實際應(yīng)力小于許用應(yīng)力。主要公式列于下面：

按照規(guī)范要求、應(yīng)用具體公式，結(jié)合本項目實際情況，對替打段進行形狀校核。

根據(jù)直徑與壁厚的比值，來查得變徑段的臨界角度。此替打段的允許最大臨界角為9.1度，實際設(shè)計為8 度，滿足形狀控制要求。

替打段防止屈曲應(yīng)力校核過程如下：首先，在22956.4 kN錘擊力作用下，根據(jù)替打段截面性質(zhì)，可以求得其受的壓應(yīng)力為fa=209.017 MPa，而彎曲應(yīng)力為fb=0 MPa；再將求得應(yīng)力帶入上面的實際應(yīng)力計算公式，可以求得實際的縱向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力分別為fb'=119.15 MPa和fh'=63.189 MPa；再次根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸可以求得環(huán)向許用應(yīng)力為Fhc=335 MPa；最后將實際縱向、環(huán)向應(yīng)力分別與材料屈服強度、環(huán)向許用應(yīng)力比較。由于實際應(yīng)力小于許用應(yīng)力，此替打段是滿足防止失穩(wěn)發(fā)生要求的。

4.3替打段疲勞驗算

疲勞分析主要有損傷、時域和譜疲勞分析法。參照DNV規(guī)范 [3]，替打段疲勞采用損傷疲勞法進行驗算。損傷分析法是基于應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)曲線（S-N Curve）[7]，用提取的替打段強度校核結(jié)果中過度段應(yīng)力幅值S，來確定在此應(yīng)力水平下的最大循環(huán)次數(shù)N。然后，將打樁分析中總的錘擊循環(huán)次數(shù)作為實際循環(huán)次數(shù)n。最后，將實際循環(huán)次數(shù)與最大循環(huán)次數(shù)作比，最終求得損傷系數(shù)D。

（15）

本項目，變徑段最大應(yīng)力幅值為58.656 MPa時，在此應(yīng)力水平下最大循環(huán)次數(shù)N為1.818×106，而預(yù)測實際打樁錘擊數(shù)不超過1.403×105，因此替打段的抗疲勞滿足樁的安裝要求。

5結(jié)語

本文基于實際工程，介紹替打樁安裝設(shè)計流程。此設(shè)計涉及的分析多，包括可打入性、自由站立和替打段設(shè)計分析；此設(shè)計需要校核的方面全，包含強度、屈曲及疲勞校核；此設(shè)計所用的規(guī)范多，既用到API、DNV等常用海洋工程規(guī)范，也涉及到Timoshenko彈性穩(wěn)定性理論、土壤振動與阻尼Roussel理論。另外，此設(shè)計的各個分析是彼此聯(lián)系、又相互制約。比如可打入性分析為替打段設(shè)計分析提供打樁力、錘擊次數(shù)等，而替打段設(shè)計分析所確定的替打段重量、長度又影響可打入性分析、自由站立分析?；谔娲驑栋惭b設(shè)計特點和實際工程工作任務(wù)量大、時間緊的要求，在保質(zhì)保量的前提條件下，特提出以下幾點建議以提高工作效率。

（1）項目實施前要充分了解業(yè)主的要求，領(lǐng)會詳細設(shè)計的意圖，掌握施工現(xiàn)場的具體情況。這就需要多方溝通，避免不必要的設(shè)計浪費。

（2）深入研究設(shè)計資料文件，需要準確洞察，把握好項目的關(guān)鍵點、難點，這有助于工作中抓重點、集中精力攻克難點。

（3）統(tǒng)籌好各項工作，可以采用螺旋漸進穩(wěn)步推進工作，將設(shè)計方案逐步推進到即安全又經(jīng)濟的最優(yōu)程度。這就要求設(shè)計時各個計算分析協(xié)調(diào)進行、及時溝通、信息暢通，保證工作順利有序的進行。

參考文獻：

[1] American Institute of Steel Construction， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition， 1989.

[2] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design，21st Edition， 2007.

[3] DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures， 2012.

[4]DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， 2014.

[5] TIMOSHENKO， “Theory of Elastic stability， Section 2.12， Buckling of Bar under Distributed Axial Load”.

[6] 海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法—工作應(yīng)力設(shè)計法[M].國家發(fā)展和改革委員會，2004-07-03.

[7] 胡毓仁，陳伯真. 船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.11.