某78m打樁船主樁架結(jié)構強度分析

謝美金 羅漢文 黃遠力 陳泉

摘 ? ?要：本文采用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran，校核了某78m打樁船主樁架的結(jié)構強度。計算工況包括：起重工況；吊樁工況；打樁工況；變幅工況；擱置工況和試驗工況。計算結(jié)果表明，某78m打樁船主樁架結(jié)構強度符合要求。

關鍵詞：打樁船；主樁架；結(jié)構強度；有限元

中圖分類號：U674.32?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Structure Strength Analysis on

Main Pile Frame of 78 m Pile Driving Ship

Xie Meijin， ?Luo Hanwen， ?Huang Yuanli， ?Chen Quan

（ Guangzhou Public Transport Group Liner Co.， Ltd.， Guangzhou 510235 ）

Abstract： The structural strength of the main pile frame of 78 m pile driving ship is calculated and analyzed with finite element software MSC Patran/Nastran. The calculation conditions include lifting condition， pile lifting condition， pile driving condition， luffing condition， shelving condition and test condition. The calculation results show that the structural strength of the pile frame of 78 m pile driving ship meets the safety requirements.

Key words： Pile driving ship; ?Main pile frame; ?Structural strength; ?Finite element

1 ? ? 前言

打樁船是一種重要的海洋工程施工船舶，而主樁架是實施打樁作業(yè)的主要設備，如何保證其結(jié)構安全性是設計任務中的一項重要工作。本文依據(jù)CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”），采用通用的有限元計算軟件MSC.Patran/Nastran對某78m打樁船主樁架結(jié)構進行強度校核。

2 ? ? 有限元模型

某打樁船主樁架結(jié)構，主要包括：主樁架；變幅輔助平臺；起重平臺；吊錘平臺和龍口結(jié)構。

該主樁架總長69.8 m，樁架與樁架前支撐鉸座安裝在船首象鼻架結(jié)構上，樁架前支撐鉸座中心線橫向跨距8 535 mm；主樁架采用三角形桁架結(jié)構，前端兩根主管為φ800x22 mm/φ800x18 mm/φ800x14 mm/φ800x12 m的鋼管，后端主管為φ700x25 mm/φ700x20 mm的鋼管，主樁架管材結(jié)構采用低合金高強度結(jié)構鋼，材料等級為Q345；變幅輔助平臺、起重平臺、吊錘平臺和龍口結(jié)構均為板架結(jié)構，采用高強度船體結(jié)構用鋼，材料等級為A/DH36。

有限元模型中，采用板殼單元模擬變幅輔助平臺、起重平臺、吊錘平臺、前支撐鉸座、后支撐和龍口結(jié)構；采用梁單元模擬樁架主管及各撐管；采用桿單元模擬各種工況下的變幅鋼絲繩；采用多點約束單元模擬各種滑輪軸銷與樁架眼板的連接及主管與撐管梁單元與板單元的過渡。

3 ? ?計算工況

根據(jù)主樁架的工作狀態(tài)及“規(guī)范”的相關內(nèi)容和要求，選擇以下6種工況進行主樁架及主樁架上各作業(yè)平臺的結(jié)構強度計算：

（1）起重工況（含無風與有風兩種作業(yè)狀態(tài)）

起重工況采用主鉤起吊，主鉤起吊的作業(yè)范圍為5°～20°，額定起重量為120 t；主鉤起升系統(tǒng)及甲板變幅系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，副鉤起升系統(tǒng)及樁錘起升系統(tǒng)停止工作；副鉤及其動滑輪組固定在變幅輔助平臺上，樁錘及抱樁器擱置在甲板上；

（2）吊樁工況（含無風與有風兩種作業(yè)狀態(tài)）

吊樁工況下雙副鉤起升系統(tǒng)及甲板變幅系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，雙副鉤的起吊作業(yè)范圍為0°～15°，額定起重量為84 t；樁錘位于樁架頂部；抱樁器位于樁架上；

（3）打樁工況（含無風與有風兩種作業(yè)狀態(tài)）

打樁工況下，打樁作業(yè)范圍為-18.55°～18.55°；前傾打樁時，副鉤起升系統(tǒng)、樁錘起升系統(tǒng)及甲板變幅系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，后仰打樁時，副鉤起升系統(tǒng)、樁錘起升系統(tǒng)及A字架變幅系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；打樁時，樁錘和樁沿樁架龍口結(jié)構移動；

（4）變幅工況（含無風與有風兩種變幅狀態(tài)）

變幅工況包括前傾變幅和后仰變幅工況。前傾變幅工況樁架變幅范圍為18.55°～25°，后仰變幅工況樁架變幅范圍為-18.55°～ -66°；樁錘位于樁架頂端，主副鉤起升系統(tǒng)處于空載狀態(tài)；

（5）擱置工況

樁架放置在后擱架上，擱置角為-66°，所有起升系統(tǒng)及變幅系統(tǒng)均停止工作；

（6）試驗工況

樁架試驗負荷為安全工作負荷的1.1倍。

4 ? ? 載荷

主樁架及主樁架上各作業(yè)平臺上的載荷，包括：自重；起升載荷；風載荷；船體運動載荷及船體傾斜載荷。

（1）自重

各部分重量如下：

① 樁架結(jié)構重量225.6 t，其中：主樁架134 t，變幅輔助平臺重量13 t，起重平臺重量17.4 t，吊錘平臺重量4.3 t，龍口結(jié)構重量45.2 t，樁架前支撐6.2 t，樁架后支撐5.5 t；

② 樁架6餅變幅動滑輪2組，每組3.3 t；樁架9餅變幅動滑輪1組，重量5.2 t；樁架12餅變幅動滑輪1組，重量7.2 t；

③ 主鉤起貨鋼絲繩導向滑輪3組，每組0.88 t；副鉤起貨鋼絲繩導向滑輪4組，每組0.75 t；樁錘起貨鋼絲繩導向滑輪8組，每組0.75 t，吊籃及抱樁器鋼絲繩導向滑輪1.24 t；

④ 樁架梯子欄桿重量7.1 t；吊籃2個，單個重量0.56 t；

⑤ ?樁錘重量37 t；抱樁器2個，單個重量4 t；

⑥ 主鉤及其動滑輪組1組，重量7.1 t；副鉤及其動滑輪組2組，單組重量5.4 t。

（2）起升載荷

主吊鉤上的額定起升載荷為120 t，雙副吊鉤上的額定起升載荷為84 t；當主吊鉤作業(yè)時，起升載荷包括貨物自重、主鉤及其動滑輪組自重和起吊鋼絲繩自重產(chǎn)生的載荷；當副鉤起吊時，起升載荷包括貨物自重、副鉤及其動滑輪組自重和起吊鋼絲繩自重產(chǎn)生的載荷。

（3）風載荷

擱置工況風速為55 m/s，其它工況風速均為20 m/s。風載荷根據(jù) “規(guī)范”計算。

① 主樁架為桁架結(jié)構，其承受的總的風載荷通過線性分布力的形式平均施加于3根主管上。風速為20 m/s時，作用在主管上的風載荷為51 570.75 N，主管長度69.8 m，施加在于單位長度的線載荷為0.25 N/mm；風速為55 m/s時，施加于單位長度線的載荷為1.89 N/mm；

② 變幅輔助平臺、起重平臺、吊錘平臺和龍口結(jié)構為板架結(jié)構，通過面壓力的形式施加。風壓計算如下：

q=0.613V2 Pa ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當風速為20 m/s時，q=245.2 Pa=2.452×10-4 N/mm2；

當風速為55 m/s時，q=1 854.3 Pa=1.854×10-3 N/mm2。

③ 起升載荷上所受到的風力，通過MPC單元施加在對應的結(jié)構眼板上；當樁架安全工作負荷（SWL）值大于490 kN時，作用在起升載荷上的風力按下式計算：

（2）

由公式（2）可得：當主吊鉤作業(yè)時，起升載荷上所受到的風力為Fn=27 962.93 N，即施加在主鉤眼板的風力為27 962.93 N；當雙副吊鉤作業(yè)時，起升載荷上所受到的風力為Fn=23 395.47 N，即每個副鉤眼板承受的風力為11 697.73 N。

（4）船體運動載荷

由于船體運動而產(chǎn)生的載荷，通過慣性載荷施加。船體運動載荷僅在擱置工況下考慮，包括橫向或縱向平行于甲板面方向上的加速度±0.5 g，以及垂直于甲板面方向上的加速度±1.0 g。

（5）船體傾斜載荷

① 船體傾斜載荷按船體沿橫向傾斜5°、沿縱向傾斜2°計算；

② 船體傾斜載荷還應考慮作業(yè)系數(shù)和起升系數(shù)。作業(yè)系數(shù)φd反映主樁架的作業(yè)頻率與吊運貨物的繁重程度，φd=1.05；起升系數(shù)φh反映貨物自身加速度和沖擊載荷的作用，按下式計算：

φh=1+CV ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中C=0.3。本樁架起升最大速度V=0.083 m/s，經(jīng)計算φh=1.02<1.1，實取1.1。

綜上所述，本項目選取表1所示工況及載荷組合進行計算。

5 ? ? 邊界條件

主樁架能夠繞兩個前支撐鉸座中心轉(zhuǎn)動，故釋放樁架底部繞局部坐標系中y軸的轉(zhuǎn)動自由，在該位置施加的邊界條件為δx=δy=δz=0，θx=θz=0；

除樁架兩個前支撐鉸座中心的約束外，還應約束變幅鋼絲繩和絞車鋼絲繩端部三個坐標軸方向的平移自由度，即δx=δy=δz=0。

6 ? ?許用應力衡準

樁架結(jié)構件的許用應力[σ]，按下式計算：

（4）

式中：σs——鋼材的屈服強度，MPa；

n ——各工況安全系數(shù)；

β ——依據(jù)鋼材屈強比而選取的系數(shù)。

主樁架共采用2種強度等級的鋼材：

主樁架管材結(jié)構，采用低合金高強度結(jié)構鋼，材料等級為Q345；變幅輔助平臺、起重平臺、吊錘平臺和龍口結(jié)構均為板架結(jié)構，采用高強度船體結(jié)構用鋼，材料等級為DH36。

兩種材料的力學性能，見表2。

由表2可知： DH36的屈強比 σs /σb=0.724 >0.7，β=1.021 6；

Q345的屈強比 σs /σb= 0.734 >0.7，β=1.030 6（t≤16 mm）；

σs /σb =0.713 >0.7，β=1.011 5（t＞16 mm）；

各工況下的許用應力，見表3。

由表3知：不同厚度的Q345管材，許用應力也不同，但差別甚小。為方便起見，所有Q345管材的許用應力，統(tǒng)一取為t＞16 mm時的許用應力值。

根據(jù)CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》的內(nèi)容和要求，許用應力衡準應符合下式要求：

（5）

式中：σcp為由各分應力合成的復合應力，MPa；

σx為x方向的正應力，MPa；σx < [σ]；

σy為y方向的正應力，MPa；σy < [σ]；

τ為剪切應力，MPa；τ<0.58 [σ]。

因此，本文采用的應力衡準，如表4所示。

7 ? ? 計算結(jié)果及分析

根據(jù)各工況下主樁架的最大應力計算結(jié)果可知各工況下板單元的最大合成應力為307 MPa，發(fā)生在擱置工況；梁單元最大合成拉應力為229 MPa，也發(fā)生在擱置工況；梁單元最大合成壓應力為197 MPa，發(fā)生在打樁工況。本樁架結(jié)構上所有構件的最大應力，均小于規(guī)范要求的許用應力，即該樁架結(jié)構強度滿足規(guī)范要求。

8 ? ?結(jié)論

通過本文的計算分析，得到如下結(jié)論：

（1）起重工況為危險工況之一：梁單元受壓最大的位置為樁架前端兩根主管底端，梁單元受拉最大的位置后端主管底端，板單元受力最大的位置為樁架后支撐；

（2）擱置工況也為危險工況之一：梁單元受壓最大的位置為樁架前端兩根主管底端；梁單元受拉最大的位置為擱置點附近的斜撐管；板單元受力最大的位置為樁架底部前支撐鉸座；

（3）各工況下樁架結(jié)構上所有構件的最大應力，均小于規(guī)范要求的許用應力，該樁架結(jié)構強度滿足要求。

參考文獻

[1] 譚慧娟，薛光遠等. 打樁船樁架支撐架結(jié)構強度有限元分析[J].江蘇

船舶. 2020， 37 （ 6 ）.

[2] 汪宏，王璟文等.128 m打樁船樁架結(jié)構強度及模態(tài)分析[J]. 船舶結(jié)構.

2013， （ 3 ）.

[3] 中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版

社. 2007.