海上平臺樁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值分析

張 雷，張 輝，李碩德，唐文獻(xiàn)

（1.招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇 海門 226116；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212114）

0 引言

隨著國家對海洋開發(fā)的戰(zhàn)略布局，海上工程項目陡然增加，使在海上施工的鉆井平臺、大型打樁平臺、風(fēng)電安裝平臺等迎來飛速的發(fā)展，樁架系統(tǒng)作為打樁船的重要組成部分，前景十分廣闊。

海上作業(yè)時，平臺樁架會受船體運(yùn)動、風(fēng)向、自身擺動等因素的影響，在分析過程中充分考慮到這些因素，同時樁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，工況和載荷種類多樣，樁架良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性確保滿足設(shè)計要求，完成打樁船工作。宋書提出一種簡化船舶桁架式結(jié)構(gòu)計算方法，采用有限元計算方法計算校核打樁船樁架在海上作業(yè)和拖航工況時的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1]。隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)不同高度的樁架符合不同的海上作業(yè)的要求。唐軍研究了93 m 打樁船樁架的起立工況分析[2]，張鵬萬研究了93.5 m 打樁船設(shè)計研究[3]和莊科挺研究了95 m 打樁船改造樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算[4]。許多研究人員對打樁船樁架穩(wěn)定性展開有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明其具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5-9]。此外，預(yù)測樁架結(jié)構(gòu)的疲勞可以防止樁架在有效壽命壽命預(yù)期內(nèi)報廢，從而造成惡性事故。聶婭青等研究人員對樁架結(jié)構(gòu)的進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果表明所數(shù)值分析的樁架架構(gòu)均符合使用要求[10-13]。

針對打樁船樁架設(shè)計的重要性，采用Abaqus 和Hyperlife 分別對海上打樁船樁架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并對其疲勞特性分析。

1 設(shè)計與建模

1.1 樁架結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模

樁架是打樁船樁架系統(tǒng)的主要組成部分，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅有利于提高打樁船的工作性能，還有利于保障海上工作人員的作業(yè)安全。打樁船樁架以主弦桿為主要構(gòu)件，主弦桿之間利用撐桿連接，改變撐桿的分布和數(shù)量可以適當(dāng)?shù)母纳茦都艿男阅?。結(jié)合樁架在海上所受的實際工況及性能需求，研究打樁船樁架的主要結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計的Z 型打樁船樁架結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 Z 型樁架結(jié)構(gòu)

影響圖1 所示的Z 型樁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的因素有主弦桿和撐桿等主要構(gòu)件。樁架主弦桿的主要結(jié)構(gòu)要素有弦桿間距（即布置的位置要素）及弦桿尺寸參數(shù)，樁架撐桿包括水平撐桿和斜撐桿。本設(shè)計的打樁船樁架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示。

表1 樁架的結(jié)構(gòu)參數(shù)

依據(jù)表1 中樁架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在SolidWorks 軟件中分別建立其主要構(gòu)件的幾何模型，并通過裝配形成樁架的整體三維模型，其中，樁架鉸接于船體的固定支座上，如圖2 所示。

圖2 Z 字型樁架結(jié)構(gòu)建模

1.2 有限元仿真建模

樁架同船體的連接處為樁架后弦桿上的后支腳和樁架前斜撐桿上2 個前支腳，當(dāng)樁架處于工作狀態(tài)時，樁架支座處與船體處于剛性固定，在有限元處理過程中樁架上這3 個地方可以模擬為與船體剛性固定端，設(shè)置為邊界條件。

經(jīng)過綜合分析8 種工況下的打樁船樁架，結(jié)果見表2。海上打樁船的樁架的工作條件為：20 m/s 的風(fēng)速且風(fēng)壓低于250 Pa，船舶橫向傾斜5°和縱向傾斜2°，外界溫度在-10～ 40 ℃，起升速度為0.057 m/s，起重機(jī)質(zhì)量為100 t，樁架質(zhì)量為1500 t 和樁基質(zhì)量為380 t。

表2 樁架工況分析

2 穩(wěn)定性分析

2.1 強(qiáng)度分析

因拖航工況3 和4 受影響較小，不予考慮。經(jīng)過對6 種工況下樁架強(qiáng)度分析可知，樁架所受應(yīng)力在前弦桿的中下端，與樁架后支腳在同一水平面。最大應(yīng)力集中在樁架的主弦桿，水平撐桿相對頂端及大平臺處而言，受力同樣比較明顯，而樁架的頂端及大平臺處應(yīng)力分布相對較小。6 種工況下的最大應(yīng)力分布在321.3～ 327.4 MPa，最小應(yīng)力發(fā)生在工況7，最大應(yīng)力發(fā)生在工況5，如圖3 所示。

圖3 Z 型樁架最大最小工況下應(yīng)力云圖

圖4 為工況3 和工況4 的Z 型樁架應(yīng)力云圖，樁架所受應(yīng)力由前弦桿轉(zhuǎn)移到后弦桿，且應(yīng)力分布在樁架后支腳上方，樁架下段的受力情況相對圖3 相對減少。最大應(yīng)力數(shù)值為264.3 MPa。

圖4 工況3 和工況4 的Z 型樁架應(yīng)力云圖

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》，計算樁架結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為398.27 MPa，由此可以得出樁架所受載荷組合的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。

考慮到樁架受風(fēng)載以及自重的作用，樁架的弦桿和撐桿一起受壓力和彎曲作用，對樁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性校核的結(jié)果如表3 所示。

表3 樁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核

表3 中8 種工況的穩(wěn)定性均遠(yuǎn)小于穩(wěn)定性許用應(yīng)力，滿足穩(wěn)定性要求。

2.2 疲勞特性分析

圖5 為Z 型樁架工況1 的疲勞特性云圖。圖5（a）為正常載荷下樁架的破壞為0，樁架的壽命為1.2 ×1020，可以等效為無限壽命。圖5（b）為當(dāng)載荷增大一倍時，其最大疲勞破壞為4.113 × 10-3，其疲勞壽命最小為2.431 × 102，樁架部分較為穩(wěn)定，龍口的下端附近最先被破壞，對樁架進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)對此處結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)。剩余7 種工況的Z 型樁架的疲勞特性見表4。

圖5 Z 型樁架工況1 的疲勞特性云圖

表4 種工況的Z 型樁架的疲勞特性

3 結(jié)語

本研究通過數(shù)值方法研究了海上打樁船樁架穩(wěn)定性。結(jié)論如下：

（1）強(qiáng)度分析結(jié)果表明，樁架在最大角度起吊工況下，所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力位于前風(fēng)狀態(tài)下樁架的前弦桿上，最大應(yīng)力為3.274 MPa。小于許用應(yīng)力，滿足樁架設(shè)計的規(guī)范要求。

（2）疲勞分析結(jié)果表明，樁架在所有工況條件下的最大疲勞破壞為0，樁架的疲勞壽命為1.2 × 1020，可以模擬為無限次循環(huán)使用；樁架龍口的下端附近最先被破壞，對樁架進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。