海洋工程替打樁替打段設(shè)計(jì)介紹

張樂(lè) 秦一楠

摘 要：替打段作為替打樁的施工工具，在替打樁施工中有不可替代的作用。設(shè)計(jì)好替打段有助于現(xiàn)場(chǎng)打樁施工安全、高效進(jìn)行。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)替打段設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，其主要設(shè)計(jì)包括強(qiáng)度分析、屈曲分析和疲勞分析。

關(guān)鍵詞：替打樁；替打段；強(qiáng)度分析；屈曲分析；疲勞分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）9-0068-02

近年來(lái)隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)海洋工程日益增多，這對(duì)我們既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。海洋石油開(kāi)采固定平臺(tái)，單點(diǎn)系泊的管匯、錨樁，海上風(fēng)電等些結(jié)構(gòu)物在海洋復(fù)雜惡劣條件下，要實(shí)現(xiàn)正常工作就需要有牢固的基礎(chǔ)。這給海上樁基工程的發(fā)展提供了更多機(jī)會(huì)，同時(shí)也帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。替打樁是在常規(guī)樁的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的新型樁，基于生產(chǎn)工藝、安全和環(huán)保的要求，這種樁施工時(shí)需要把整根鋼樁完全送入泥面以下，這對(duì)海上樁基施工提出了更高的要求。

海上樁基工程的施工往往占據(jù)結(jié)構(gòu)物海上安裝的大部分時(shí)間，而海上施工的費(fèi)用是非常昂貴的，一天就需要幾百萬(wàn)，比如中海油的藍(lán)鯨工程船一天就需要二百多萬(wàn)的費(fèi)用。保證樁的安全、順利、高效地安裝勢(shì)必給海洋開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

本文基于上述海洋工程發(fā)展要求、樁基礎(chǔ)工程特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)替打樁替打段設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，以此探討替打樁的安裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)用有效設(shè)計(jì)來(lái)服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)施工，最終達(dá)到施工既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

替打段是為替打樁順利安裝而設(shè)計(jì)鋼管結(jié)構(gòu)物。為了保證樁的安裝順利進(jìn)行，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核、屈曲校核及疲勞校核。除了滿(mǎn)足上述要求外，替打段的設(shè)計(jì)還要盡量減輕重量、減少高度，以實(shí)現(xiàn)既安全又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

1項(xiàng)目數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

本文將采用實(shí)際工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)來(lái)介紹替打樁替打段的安裝設(shè)計(jì)過(guò)程。此項(xiàng)目為中國(guó)海洋石油公司海外工程項(xiàng)目——西非海管及單點(diǎn)安裝項(xiàng)目。該項(xiàng)目有50根樁，按材質(zhì)、樁徑、樁長(zhǎng)、壁厚、設(shè)計(jì)入泥深度等，可將其分成三種。以直徑1219mm的樁為例進(jìn)行介紹，此類(lèi)樁樁長(zhǎng)20m，設(shè)計(jì)入泥也是20m。根據(jù)可打入性分析可預(yù)測(cè)此類(lèi)樁安裝過(guò)程中最大錘擊力為17647.9 kN，最大錘擊數(shù)為9.577×104。

此項(xiàng)目選用MHU 150S錘和IHC S90錘作為打樁錘。根據(jù)錘套內(nèi)徑、內(nèi)壁深度和樁徑，確定替打段上端直徑為914mm，底端直徑為1219mm，中部位為變徑部位。

2強(qiáng)度校核

打樁時(shí)，替打段安放在錘與樁之間，打樁錘擊力將通過(guò)替打段傳遞給樁。強(qiáng)度校核采用有限元分析，應(yīng)用ANSYS軟件，用Shell181單元建模，進(jìn)行常規(guī)分析。此分析目的主要是校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另外還可為后面的屈曲、疲勞分析提供應(yīng)力數(shù)據(jù)。此部分分析簡(jiǎn)單，毋庸贅述，但計(jì)算過(guò)程中注意以下幾點(diǎn)：建模盡量用規(guī)則單元，單元尺寸控制在3～4倍板厚水平；加載采用最大打樁力，方向沿軸向以模擬錘擊力；邊界條件采用底部鉸支模擬替打段與樁的接觸。

計(jì)算結(jié)果為最大應(yīng)力222.40MPa，小于鋼材屈服強(qiáng)度。變徑段最大應(yīng)力幅值為74.85MPa，此數(shù)值用于后面分析。

3屈曲校核

3.1理論公式

替打段的屈曲校核采用形狀控制校核方法。替打段變徑部位，往往是容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)的部位，根據(jù)API規(guī)范的相關(guān)要求[2]，形狀控制校核方法就是要通過(guò)控制變徑段的角度使其小于臨界角來(lái)防止發(fā)生屈曲失穩(wěn)。此外，還需對(duì)縱向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力驗(yàn)算。主要公式羅列如下[4]：

3.2項(xiàng)目應(yīng)用

根據(jù)直徑與壁厚的比值，來(lái)查得變徑段的臨界角度。此替打段的最大臨界角為7.5度，實(shí)際設(shè)計(jì)為7度，滿(mǎn)足形狀控制要求。

由于替打段上下端是插入錘套和樁頭中，在打樁過(guò)程中替打段主要受的軸向錘擊力。作用的錘擊力為17647.9kN，根據(jù)截面性質(zhì)，可以求得其受的壓應(yīng)力為fa=182.584 MPa，彎曲應(yīng)力為fb=0 MPa。將求得的壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力代入上面的實(shí)際應(yīng)力計(jì)算公式，可以求得實(shí)際的縱向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力分別為fb‘=97.215 MPa和fh‘=51.556 MPa。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。將實(shí)際應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度、環(huán)向許用應(yīng)力比較，可知實(shí)際值小于許用值，替打段滿(mǎn)足防止屈曲發(fā)生的要求。

4疲勞校核

4.1理論公式

替打段的疲勞校核，采用工程界最常用到的損傷分析法。參照DNV規(guī)范[3]，損傷分析法的主要公式如下：

4.2項(xiàng)目應(yīng)用

結(jié)合本項(xiàng)目具體介紹下疲勞分析過(guò)程。首先，提取替打段強(qiáng)度校核結(jié)果中過(guò)度段的應(yīng)力幅值74.85MPa，采用應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)（S-N Curve）中的D曲線(xiàn)[5]，可確定在此應(yīng)力水平下的最大循環(huán)次數(shù)N為9.479×105。然后，將打樁分析中總的錘擊數(shù)9.577×104作為實(shí)際循環(huán)次數(shù)。將實(shí)際循環(huán)次數(shù)與最大循環(huán)次數(shù)對(duì)比，最終求得損傷系數(shù)D。

5結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)替打樁替打段設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。替打段作為打樁施工的工具，看似微不足道，但只有把其設(shè)計(jì)做全、做細(xì)、做深，才能有效服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)施工、保證施工過(guò)程的安全，最終達(dá)到施工既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[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] 海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法—工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法[M].國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2004-07-03.

[5] 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.