140 m級超大型打樁船的抱樁器設(shè)計

高 峰 李 杰

上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司 上海 226259

0 引言

打樁船作為支撐海洋工程建設(shè)的重要裝備，在海洋油氣開發(fā)、海上風(fēng)電開發(fā)、港口碼頭建設(shè)、跨海跨江大橋建設(shè)等方面發(fā)揮著不可或缺的基礎(chǔ)作用。隨著人類活動不斷向海洋延伸，縮短區(qū)域溝通距離等需要越來越多，對打樁船的作業(yè)能力要求也越來越高。

國外某跨海大橋采用的“雄程1號”樁架高度128 m，最大打樁樁重450 t，后續(xù)建造的“樁20號”打樁船高度130 m，最大打樁樁重450 t，如圖1所示。本文研究世界最大140 m級打樁船的核心構(gòu)件抱樁器的設(shè)計過程，其樁架高度140 m，最大打樁樁重700 t。

圖1 “樁20號”130 m級打樁船

1 抱樁器的工作原理及設(shè)計要求

打樁船的樁架最高距設(shè)計水線為140 m，抱樁器要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，本文為適應(yīng)各種打樁工況及維護(hù)方便的要求，設(shè)計了適合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的四臂抱樁器。

工作流程采用樁架安裝在船舶艏部，通過1組前支腳與結(jié)構(gòu)連接。樁架使用主液壓缸頂起和回收產(chǎn)生前傾和俯仰18.5°以內(nèi)完成打樁。樁架配備2套額定載荷700 t主吊鉤，1套額定載荷400 t副吊鉤，以滿足樁架吊起鋼樁和翻身的要求。樁架吊錘滑輪組能調(diào)整吊錘中心，以滿足不同直徑的鋼樁。抱樁器需滿足樁架前后傾角9°狀態(tài)下具有較大的強(qiáng)度，滿足最大700 t鋼樁的打樁需求，且需滿足一定的洋流沖擊情況下的抱樁力。

打樁船抱樁器安裝在樁架的中間龍口結(jié)構(gòu)上，且布置2套四臂抱樁器，分為上抱樁器和下抱樁器。上下2層抱樁器可同時工作也可單獨(dú)使用，抱樁器布置如圖2所示。龍口結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，滿足打樁錘的移動、打樁作業(yè)以及固定打樁錘。抱樁器安裝位置應(yīng)與龍口結(jié)構(gòu)對應(yīng)，提高抱樁器的安裝固定強(qiáng)度，減小額外的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖2 抱樁器布置圖

根據(jù)實(shí)際的打樁作業(yè)需求，下抱樁器應(yīng)盡可能靠近水面，確保在最低位打樁時下抱樁器仍可提供定位。上抱樁器應(yīng)根據(jù)船型大小進(jìn)行選配，140 m打樁船因其700 t的打樁作業(yè)能力需要配備上抱樁器，提高抱樁力同時可提供各種形式的抱樁模式，作業(yè)更為靈活。

2 四臂抱樁器的總體設(shè)計

140 m打樁船的抱樁器采用四臂抱樁器，即每套抱樁器左右臂又分為大臂和小臂。大臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)、行程大，由1根大行程液壓缸驅(qū)動；小臂結(jié)構(gòu)輕、行程短，由1根小行程液壓缸驅(qū)動。大臂和小臂通過絞點(diǎn)連接，大臂連接在龍口結(jié)構(gòu)上的焊接耳板上。左右小臂可使用安全鎖銷進(jìn)行鎖固，保證安全，減小液壓缸沖擊。為適應(yīng)不同樁徑，還需布置可伸縮臂爪，使用插銷進(jìn)行固定，布置如圖3所示。

圖3 四臂抱樁器布置

四臂抱樁器是在雙臂抱樁器的基礎(chǔ)上研發(fā)而來，主要解決了在大樁徑下液壓缸體積過大造成的布置問題和大型液壓缸由于行程過長壓桿穩(wěn)性無法滿足的難題。雙臂抱樁器由于抱樁和打開均為全行程，操作過程時間長，由于波浪的影響，抱樁器經(jīng)常與鋼樁碰撞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和活動部件需頻繁地維護(hù)。

四臂抱樁器在抱樁和打開時，均只需小臂動作即可，此時大臂可不動作，故大大縮短了抱緊和打開的時間。在海上施工時，抱樁的時間越短效率越高，也越安全，設(shè)備損耗更少。

3 四臂抱樁器的受力有限元分析

根據(jù)本抱樁器的打樁作業(yè)特點(diǎn)，對大臂進(jìn)行有限元幾何模型建模并進(jìn)行有限元分析，包括應(yīng)力分析、剪力分析和變形分析。由此可得大臂在最大工況下的受力分布，進(jìn)而開展樁架結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計和局部應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)。

根據(jù)大臂結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計圖紙，先對大臂進(jìn)行建模，模型如圖4所示；對不同的結(jié)構(gòu)板厚進(jìn)行建模并導(dǎo)出模型板厚云圖，板厚云圖如圖5所示。

圖4 大臂有限元模型

圖5 模型板厚云圖

3.1 邊界條件及受力分析

1）邊界條件 支持邊界條件的假定應(yīng)以不影響模型中心所考察單元的計算結(jié)果為原則。工況1約束各輥輪線性自由度，工況2約束一端輥輪線性自由度。工況1邊界條件施加如圖6所示，工況2邊界條件施加如圖7所示。

圖6 工況1邊界條件

圖7 工況2邊界條件

2）受力分析 參考以往經(jīng)驗(yàn)，取最大打樁樁重700 t的1/20為計算載荷，故抱樁器的最小設(shè)計載荷為343 kN，設(shè)計彎矩為727 kN·m。大臂受力作用點(diǎn)選擇螺栓節(jié)點(diǎn)中心位置，垂向距離上面板高度為100 mm，分別在工況1和工況2中加載受力，如圖8所示。

圖8 應(yīng)力云圖

3.2 分析結(jié)果

工況1構(gòu)件有限元分析應(yīng)力結(jié)果為：艙段位置σe為290 MPa、τ為152 MPa、變形量為0.82 mm。工況2構(gòu)件有限元分析應(yīng)力結(jié)果為：艙段位置σe為294 MPa、τ為149 MPa、變形量為2.57 mm。在摩擦力不超過35 t時，抱樁器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均不超過材料屈服強(qiáng)度。

4 樁架抱樁器主要構(gòu)件的設(shè)計校核

4.1 抱樁器液壓缸選型和計算

打樁船打樁時，需先將鋼樁垂直吊起，調(diào)整樁架角度使鋼樁與樁架平行，此時再進(jìn)行抱樁作業(yè)。抱樁時樁架為垂直狀態(tài)，此時抱樁器僅是將鋼樁進(jìn)行固定，抱樁器并不受鋼樁的壓力。待抱樁器抱緊，安全鎖銷鎖緊后，樁架調(diào)整打樁角度開始壓樁，此時抱樁器受力最大。

液壓缸選型按樁架打樁作業(yè)700 t樁重時，作業(yè)角度±9°為邊界受力進(jìn)行計算，可計算出抱樁器上的最大分力為

在樁未入泥之前，樁重分力完全由2臺抱樁器承擔(dān)，且力全部作用在小臂上?？傻妹颗_抱樁器小臂上的分力不小于55 t。將小臂臂爪受力反算到液壓缸上，依次計算小臂液壓缸的受力，簡化后的力學(xué)模型如圖9所示。

圖9 小臂液壓缸受力模型

其中

鋼樁入水時還會受到洋流及波浪的作用力，綜合以上因素和98.8 t抱樁力共同作用，小臂液壓缸推力最終選型采用140 t，其中100 t為作業(yè)力，考慮到1.1倍超載和1.25倍的安全系數(shù)，二者相乘是1.375，此時的設(shè)計受力余量為37.5t，向上取整為40 t為鋼樁作業(yè)過程中額外增加的設(shè)計余量。

小臂液壓缸由于比較短小，故壓桿穩(wěn)性的作用可忽略。而大臂液壓缸的行程較長，除了考慮推力，大臂液壓缸的選型還應(yīng)計算壓桿穩(wěn)性。

根據(jù)布置圖擬選用缸徑400 mm、桿徑250 mm、行程2 350 mm的液壓缸作為大臂液壓缸，大臂液壓缸主要參數(shù)為：活塞桿徑d=0.25 m、安裝距LB=3.108 m、缸徑D=400 mm、工作壓力Pm=20 MPa。大臂液壓缸的安裝形式為前耳環(huán)、有導(dǎo)向，主要力學(xué)參數(shù)為：液壓缸導(dǎo)向系數(shù)K=1.5、材料彈性模數(shù)E=210 000 MPa、實(shí)際彈性模數(shù)E1=180 000 MPa、活塞桿橫截面慣性矩。

參照《機(jī)械設(shè)計手冊》第五卷第6章的表21-6-16進(jìn)行壓桿設(shè)計校核計算。

1）液壓缸推力

2）活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力

3）安全系數(shù)

活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力有6.239倍安全系數(shù)，壓桿的參數(shù)選擇滿足需求。

4.2 抱樁器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計和計算

根據(jù)所得的液壓缸選型和推力，以及抱樁器的總體方案，設(shè)計主要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及界面參數(shù)。已知的參數(shù)：大臂液壓缸最大推力為250 t，小臂液壓缸最大推力為140t，大臂液壓缸工作壓力為20 MPa，小臂液壓缸工作壓力為20 MPa。抱樁器結(jié)構(gòu)主要選用鋼板為Q355B，許用應(yīng)力為345 MPa，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2，設(shè)計許用應(yīng)力為172.5 MPa。

1）小臂結(jié)構(gòu)受力分析

小臂液壓缸推力分析如圖10所示，小臂橫截面如圖11所示。小臂截圖尺寸：B1=253 mm、b1=221 mm、H1=1 490 mm、h1=1 400 mm。

圖10 小臂液壓缸推力分析

圖11 小臂橫截面

彈性模數(shù)計算公式

應(yīng)力為

式中：F3為液壓缸推力，F(xiàn)3=1 372 kN；L1為力臂，L1=900 mm。

計算應(yīng)力小于設(shè)計許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

2）大臂液壓缸推力分析圖如圖12所示，大臂橫截面如圖13所示。大臂截圖尺寸：B2=974 mm、b2=934 mm、H2=800 mm、h2=700 mm。

圖12 大臂液壓缸推力分析

圖13 大臂橫截面

彈性模數(shù)Wx2=37 151 250 mm3，大臂液壓缸推力F4=1 960 kN，推力水平分力F5=F4·cos22=1 817 kN，力矩L2=1 048 mm。應(yīng)力為

小于設(shè)計許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

4.3 安全鎖銷方案和布置

為應(yīng)對700 t鋼樁打樁時環(huán)境風(fēng)險，本抱樁器設(shè)計布置1套液壓安全鎖銷，該鎖銷可通過液壓驅(qū)動控制，實(shí)現(xiàn)鎖銷的鎖緊和解鎖，無需人員到達(dá)抱樁器即可完成作業(yè)。該鎖銷采用壁厚液壓缸為設(shè)計藍(lán)本，結(jié)合抱樁器的工作特點(diǎn)和布置方式進(jìn)行具體的設(shè)計，方案如圖14所示。

圖14 鎖銷設(shè)計圖

為適應(yīng)布置和強(qiáng)度的要求，液壓缸缸體需采用特制加厚缸體，材料選用Q355，液壓缸的油路布置在活塞桿上。安裝時活塞桿固定、缸體活動，活塞桿使用螺栓固定在小臂結(jié)構(gòu)上且強(qiáng)度足夠，缸體作為鎖銷滿足抱樁器的鎖緊需要。

采用此方案的安全鎖銷結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠；同時還能避免打樁作業(yè)碰撞，從而極大地提高了鎖銷的使用效率，降低了維護(hù)成本。

5 結(jié)論

文中通過對超大型抱樁器的設(shè)計解析，從打樁船的最大作業(yè)能力作為初始設(shè)置條件，根據(jù)打樁船的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)以及抱樁器的布置方式，計算抱樁器的基本受力情況，根據(jù)選定的抱樁器方案，初步計算抱樁器的結(jié)構(gòu)界面，完成抱樁器的基本設(shè)計。然后對各個主要受力部件進(jìn)行具體、詳細(xì)的設(shè)計，校核相關(guān)參數(shù)是否滿足受力要求。

140 m級打樁船是目前全球在建的最大的打樁船，其核心構(gòu)件抱樁器也為該類型世界最大，其設(shè)計、計算以及結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化和仿真都代表了國內(nèi)外設(shè)計和建造的最高水準(zhǔn)。通過對該抱樁器的設(shè)計研究，為該類型的抱樁器設(shè)計提供一個成熟的理念，同時也為提高國內(nèi)打樁船的設(shè)計和研究水平貢獻(xiàn)力量。