沈火群，孫欽揚(yáng)，胡靈斌，胡春寶，胡敏

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032；2.上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司，上海201612）

0 引言

打樁船盡管其功能單一，起重能力不大，但具有施工效率高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，還可依靠自身倒豎樁架大幅降低通航高度，廣泛應(yīng)用于港口碼頭、跨海大橋等水上工程打樁工程中[1-2]。

建國(guó)早期，國(guó)內(nèi)也設(shè)計(jì)建造或改造了小型打樁船，船體比較小，船長(zhǎng)一般為20～30 m；樁架主要靠絲桿變幅，高30 m左右，基本不超過(guò)40 m；最大樁重量20 t，為混凝土方樁；打樁錘以蒸汽錘為主。

1973年，港口建設(shè)迎來(lái)第一次大發(fā)展。當(dāng)時(shí)引進(jìn)了十幾條日本設(shè)計(jì)建造的打樁船，樁架高度54 m，最大樁重量40 t，采用油缸變幅，柴油錘打樁。1981年從日本進(jìn)口的“三航樁11/12”是當(dāng)時(shí)最大的打樁船，樁架高80.4 m，最大樁重量80 t。這一時(shí)期國(guó)內(nèi)也設(shè)計(jì)建造了幾條打樁船，但以進(jìn)口打樁船為主。

20世紀(jì)初，中國(guó)加入WTO，進(jìn)出口貿(mào)易持續(xù)增長(zhǎng)，急需港口向深水方向發(fā)展，隨著洋山港、東海大橋等大型工程的建設(shè)，迫切需要更大的打樁船。2003年三航局自主研制建造了“三航樁15/16”[3-4]，是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)、樁架最高和最具代表性的打樁船，樁架高度93.5 m，主吊鉤能力120 t，雙鉤抬吊200 t。2009年又建造“三航樁18/19”，樁架高度95 m。同期，一航局建造了“打樁18/19/22”，二航局建造了“航工樁9”，四航局建造了“粵工樁8/9”。另外，其他單位也建造了類似的一批船舶，共近20艘。

近10 a來(lái)，海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)樁長(zhǎng)達(dá)100 m以上，樁重120～150 t以上，蒼南風(fēng)電項(xiàng)目甚至達(dá)380 t。滿足上述沉樁要求，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建成了樁架超過(guò)100 m以上的打樁船，如“中建樁7”樁架高100 m；“鐵建樁1”樁架高108 m；“雄程1”[5]樁架高度128 m，其船長(zhǎng)78 m，型寬36 m，型深6.2 m，能施打直徑5 m、單樁重量360 t的鋼管樁，樁架最大起重能力360 t。

2020年，在總結(jié)現(xiàn)有打樁船研究成果的基礎(chǔ)上，三航局研制了目前世界上最大的打樁船“三航樁20”，其樁架高133 m，主吊鉤能力450 t，樁架起重能力達(dá)700 t，并且在船舶主尺度選擇、樁架系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和液壓系統(tǒng)改進(jìn)等方面有所創(chuàng)新和突破。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本船的設(shè)計(jì)以滿足未來(lái)海上風(fēng)電高樁承臺(tái)基礎(chǔ)和跨海大橋沉樁為主要目標(biāo)，在廣東、福建風(fēng)浪比較惡劣、波浪周期8 s的情況下具有較好的適應(yīng)能力[6]，圖1為設(shè)計(jì)方案主視圖。

圖1 133 m打樁船主視圖Fig.1 Main view of 133 m pile driving barge

船舶入級(jí)符號(hào)：★CSA Pile Driving Barge；R1；In-Water Survey。船舶主尺度：108 m×38 m×7.2 m。樁架最高點(diǎn)與水面距離：133 m。起重平臺(tái)與水面距離：105.2 m。二次倒架最低高度：55.8 m。樁架最大起吊能力：700 t。最大樁重量×樁長(zhǎng)×直徑：450 t×（110 m+水深）×5 000 mm。主吊鉤能力：450 t×2臺(tái)。副吊鉤能力：300 t×1臺(tái)。吊錘能力：280 t。移船絞車能力：700 kN，10臺(tái)。主柴油機(jī)（驅(qū)動(dòng)油泵）：1 760 kW×2臺(tái)。

2 船舶主尺度優(yōu)化選擇

無(wú)論海上風(fēng)場(chǎng)還是跨海大橋都處于遠(yuǎn)離陸地的無(wú)遮蔽區(qū)域，常年風(fēng)浪、涌浪大，波長(zhǎng)長(zhǎng)，施工條件極其惡劣。江蘇沿海海況相對(duì)較好，福建、廣東則要惡劣得多，施工十分困難。以廣東陽(yáng)江為例，有義波高1.5 m時(shí)，波浪平均周期不大于7 s的概率為70.92%，不大于8 s的概率為90.8%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)速大于6級(jí)以上、波高大于1.5 m、波周期大于8 s，則不能進(jìn)行海上作業(yè)。所以選取抗風(fēng)浪性能良好的船舶主尺度是建造船舶面臨的首要課題。

船舶主尺度是描述船舶幾何特征的最基本參數(shù)。打樁船施工作業(yè)性能既取決于外部風(fēng)浪的大小，也和船體本身的要素有關(guān)。因此，在船舶設(shè)計(jì)中，為了保證良好的耐波性，船舶主尺度和船型的選擇除了考慮靜水中的性能之外，必須兼顧耐波性的要求。

船長(zhǎng)越長(zhǎng)，可以抵抗波浪平均周期越大。船長(zhǎng)一定的船舶，隨著波浪周期的增大，船舶升沉、橫向、縱向運(yùn)動(dòng)位移明顯增大。船長(zhǎng)增大對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)位移沒(méi)影響，對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)位移有利但不明顯，對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)位移有利。在同樣船寬和吃水時(shí)，由于樁架的重量和重心位置已基本確定，船長(zhǎng)的增加將增加壓載水量，使船舶總體重心降低，對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)不利，所以在合適的范圍內(nèi)船長(zhǎng)不需要太大。經(jīng)計(jì)算，波浪周期7 s對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是70.9 m，8 s是99.8 m，選擇船長(zhǎng)應(yīng)大于波長(zhǎng)。本船船長(zhǎng)選擇99 m和108 m 2個(gè)方案進(jìn)行比較研究。

船舶寬度主要影響穩(wěn)性（包括抗橫傾能力）和橫搖運(yùn)動(dòng)，對(duì)縱搖和升沉的影響不大。在排水量相差不大的情況下，船寬增大時(shí)船舶橫向運(yùn)動(dòng)位移增大，對(duì)橫搖不利。全面權(quán)衡利弊，本船的船寬應(yīng)保持在37～40 m之間，因此選擇了船寬37.2 m、38.0 m和39.6 m 3個(gè)方案。

型深和吃水需考慮干舷和穩(wěn)性影響，也要考慮橫搖、砰擊和上浪的影響等因素，根據(jù)現(xiàn)有大型打樁船的主尺度，并依據(jù)本船總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，本船的型深按船長(zhǎng)99 m時(shí)選擇為7 m，船長(zhǎng)108 m時(shí)選擇為7.2 m；國(guó)內(nèi)樁架高度在100 m以上的大型打樁船干舷基本為2.4～2.6 m，本船干舷選2.7 m，作業(yè)吃水選擇為4.5 m。

使用三維勢(shì)流繞射/輻射的源匯分布法、NAPA、HYDROSTAR、ARIANE 7和MATLAB軟件及其各自二次開(kāi)發(fā)的接口程序組成的NHAM軟件集成系統(tǒng)對(duì)本打樁船耐波性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。為了直觀地反映組合的6個(gè)方案耐波性能的優(yōu)劣，對(duì)本船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)設(shè)置閾值，假定作業(yè)時(shí)橫搖運(yùn)動(dòng)不超過(guò)0.5°，縱搖運(yùn)動(dòng)不超過(guò)0.5°，升沉不超過(guò)0.5 m，則船首部樁架平臺(tái)頂點(diǎn)（距首端12.3 m，距水面133 m）的橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)均不應(yīng)超過(guò)133 m×sin 0.5°=1.1 m；升沉運(yùn)動(dòng)不超過(guò)0.5 m。對(duì)6個(gè)方案的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域計(jì)算并確定橫向、縱向和升沉不超過(guò)閾值的聯(lián)合概率見(jiàn)表1。

表1 三向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不超過(guò)閾值的聯(lián)合概率均值及排名Table 1 The probability and ranking of three-dimensional motion response not exceeding the threshold

從表中可看出，6個(gè)方案中方案4和方案5是最好的兩個(gè)方案。綜合考慮，“三航樁20”主尺度選擇方案5。

3 樁架系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

樁架系統(tǒng)是打樁船的核心，直接關(guān)系到沉樁作業(yè)性能和安全性。樁架采用油缸變幅來(lái)適應(yīng)不同角度斜樁的施工要求和實(shí)現(xiàn)倒豎樁架的功能，變幅油缸的能力是打樁船向大型化發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸。國(guó)內(nèi)已建成的大型打樁船，有的樁架重量過(guò)大[7-8]，而起重能力卻不高，最大起重能力/樁架自重只有0.3～0.4，受變幅油缸生產(chǎn)能力的限制，起、倒樁架作業(yè)采用3根油缸同時(shí)作業(yè)，增加輔助油缸后整個(gè)樁架系統(tǒng)為超靜定約束，難以實(shí)現(xiàn)完全同步?！叭綐?0”樁架設(shè)計(jì)采用單根油缸就可以完成全部動(dòng)作功能，且具有較大的起重能力，主要采取以下技術(shù)措施：

1）樁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

樁架作業(yè)過(guò)程中，樁架、樁和樁錘載荷產(chǎn)生的力矩由變幅油缸平衡，當(dāng)樁架前傾施打最大規(guī)格俯樁時(shí)油缸所受拉力最大，此時(shí)樁架自重產(chǎn)生的力矩約占油缸總力矩的40%；當(dāng)樁架放倒至擱架上或從擱置狀態(tài)起架時(shí)油缸所受推力最大，此時(shí)樁架自重產(chǎn)生的力矩占油缸總力矩的90%以上。可見(jiàn)樁架重量及重心高度對(duì)變幅油缸的受力影響很大，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求的前提下，對(duì)樁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減輕樁架重量、降低重心高度，是提高油缸使用安全性的主要手段。

采用從整體到局部、再到細(xì)節(jié)的原則對(duì)樁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即首先根據(jù)打樁作業(yè)性能參數(shù)，從樁架抗彎強(qiáng)度的角度出發(fā)，結(jié)合樁架上設(shè)備的布置要求，確定吊樁平臺(tái)高度和樁架下部前后尺寸等主要樁架尺度，并通過(guò)整體受力分析和樁架頂部變形控制來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。初步確定主要受力管件的基本截面，然后通過(guò)有限元建模精確分析，根據(jù)應(yīng)力分布情況調(diào)整管件的截面尺寸和板厚，大型管件采用等截面變壁厚設(shè)計(jì)。

樁架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定后，對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上的處理也尤為重要。樁架下部龍口支撐結(jié)構(gòu)采用桁架形式而不是箱梁結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)相對(duì)于箱形結(jié)構(gòu)能顯著地增大截面模數(shù)，在同等載荷條件下，結(jié)構(gòu)重量更輕。吊樁平臺(tái)和吊錘平臺(tái)采用箱梁和拉桿或撐桿的組合結(jié)構(gòu)，使平臺(tái)懸臂梁根部所受彎矩大大降低，從而可減小結(jié)構(gòu)截面尺寸，降低重量。龍口根據(jù)其受力特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，下部采用箱梁結(jié)構(gòu)以抵抗隨著沉樁深度增大而所受的沖擊載荷，上部采用開(kāi)梁式結(jié)構(gòu)，腹板開(kāi)減輕孔，以減輕重量。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，“三航樁20”整個(gè)樁架重量只有874 t，最大起重能力/樁架自重達(dá)到了0.80。

2）變幅系統(tǒng)布置優(yōu)化

以油缸上、下鉸點(diǎn)相對(duì)于樁架前鉸點(diǎn)的位置尺寸為變量，根據(jù)靜力平衡原理，可分別得到變幅油缸受最大推力和最大拉力的計(jì)算公式，為4個(gè)變量的函數(shù)。各變量的取值范圍根據(jù)總體布置確定，同時(shí)變量組合取值必須滿足空間布置和油缸設(shè)計(jì)等方面的約束條件。約束條件分為強(qiáng)制約束條件和一般約束條件，強(qiáng)制約束條件包括樁架擱置狀態(tài)下不碰主甲板、油缸最小安裝長(zhǎng)度與行程差須滿足油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，而油缸上鉸點(diǎn)2個(gè)安裝位置對(duì)應(yīng)的最大安裝長(zhǎng)度近似相等、最小安裝長(zhǎng)度近似相等可作為一般約束條件。

采用單一變量研究法，分別研究油缸受力與各變量的關(guān)系，將各變量按對(duì)油缸受力的影響大小排序，變量取值遵循由主到次的原則優(yōu)先確定。在給定的約束條件下，再綜合分析尋求最優(yōu)組合解。通過(guò)上述方法尋找最佳布置可以明顯減少油缸的最大受力，并確定合理的油缸尺寸。

3）合理選擇油缸參數(shù)

提高液壓系統(tǒng)的工作壓力是提高油缸能力的最有效的方法，同時(shí)要滿足油缸受壓時(shí)活塞桿壓桿穩(wěn)定性的要求，也要考慮目前國(guó)內(nèi)外打樁船油缸設(shè)備廠的實(shí)際加工能力和油缸購(gòu)置成本。最終選擇油缸缸徑：1 350 mm；桿徑：800 mm；行程：14 900 mm；最小安裝距離：19 100 mm；設(shè)計(jì)壓力：25 MPa，能提供的最大拉力為2 321 t，最大推力為3 578 t，具有足夠的安全余量。

4 移船和起重絞車液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

早期日本設(shè)計(jì)建造的打樁船，液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，泵和馬達(dá)基本一一對(duì)應(yīng)，也有油泵并聯(lián)供油和馬達(dá)串聯(lián)使用的，這種系統(tǒng)當(dāng)馬達(dá)的速度小于額定速度時(shí)，也是存在油泵供油過(guò)剩導(dǎo)致的能量功率損失的。隨著打樁船的大型化，移船絞車和起重絞車越來(lái)越大，一臺(tái)絞車就要幾臺(tái)馬達(dá)，采用定量油泵系統(tǒng)需要的油泵數(shù)量就會(huì)很多，且油泵之間難以互相備用。于是2000年之后建造的國(guó)內(nèi)打樁船，采用歐洲技術(shù)設(shè)計(jì)了恒壓系統(tǒng)。移船絞車和起重絞車采用同一系統(tǒng)，油泵供油壓力為系統(tǒng)的額定壓力，這種系統(tǒng)的好處是一臺(tái)泵就可以為所有馬達(dá)供油，油泵可互相備用。盡管這種系統(tǒng)采用變量泵按需要供油，但打樁船液壓設(shè)備數(shù)量較多，同時(shí)投入使用的設(shè)備負(fù)載差異很大，當(dāng)設(shè)備以低于額定負(fù)載低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于油泵供油的壓力大于負(fù)載所需要的壓力而產(chǎn)生的能量功率損失十分巨大，如空鉤下降、移船絞車放纜、吊樁絞車實(shí)際吊重小于額定負(fù)載。由于在很多情況下系統(tǒng)供油壓力大于實(shí)際荷載需要的壓力，除導(dǎo)致巨大的能量損失外，還導(dǎo)致配備的柴油機(jī)功率大大增加或由于柴油機(jī)功率不足而出現(xiàn)“搶油”的現(xiàn)象，移船動(dòng)作時(shí)，不能同時(shí)進(jìn)行樁架變幅或吊樁作業(yè)，工作效率大大降低。因此必須對(duì)液壓系統(tǒng)徹底改進(jìn)。

實(shí)現(xiàn)泵站功率與負(fù)載所需功率最優(yōu)匹配是液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[9-10]，為了更好地避免定量泵系統(tǒng)由于泵站輸出流量與負(fù)載所需流量不匹配造成的功率消耗、恒壓變量泵系統(tǒng)由于泵站輸出壓力與負(fù)載所需壓力不匹配造成的功率消耗，“三航樁20”設(shè)計(jì)了矩陣控制回路，將差異化較大的負(fù)載隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)驅(qū)動(dòng)和控制，達(dá)到節(jié)能的目的。圖2為動(dòng)力及液壓系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖2 動(dòng)力及液壓系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Composition diagram of power and hydraulic system

移船絞車共10臺(tái)由4臺(tái)雙聯(lián)泵驅(qū)動(dòng)，設(shè)20 MPa高壓總管和9 MPa低壓總管，收纜絞車由高壓總管供油，放纜絞車由低壓總管供油，發(fā)揮了恒壓系統(tǒng)油泵數(shù)量少的優(yōu)勢(shì)，也明顯減少了功率的損失。

2臺(tái)主吊起重絞車、1臺(tái)副吊起重絞車和起錘絞車由8臺(tái)雙聯(lián)泵分別直接供油，保證油泵供油壓力和流量與絞車馬達(dá)需要的完全匹配，不產(chǎn)生功率損失。避免了恒壓系統(tǒng)功率損失大的問(wèn)題，但泵的數(shù)量比較多。

設(shè)計(jì)的矩陣回路可以保證在特殊的情況下移船絞車油泵向起重絞車馬達(dá)供油，起重絞車油泵也可以向移船絞車馬達(dá)供油，互為備用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

矩陣控制回路與傳統(tǒng)恒壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 矩陣控制回路與恒壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率Table 2 The driving power for matrix control loop and constant pressure system

打樁船從施工地點(diǎn)移船到運(yùn)樁駁，取樁后返回到施工地點(diǎn)，作為一個(gè)取樁循環(huán)。對(duì)打樁船而言，系統(tǒng)功率消耗主要出現(xiàn)在取樁循環(huán)階段，沉樁過(guò)程系統(tǒng)消耗功率很小。移船靠駁作業(yè)時(shí)間按取樁循環(huán)周期的1/3計(jì)，則矩陣控制回路系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)恒壓系統(tǒng)節(jié)能約32%。吊樁載荷越小節(jié)能效果越顯著，當(dāng)樁重量為額定吊重的50%時(shí)，節(jié)能約59%。

5 結(jié)語(yǔ)

本船由上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司負(fù)責(zé)具體設(shè)計(jì)，招商重工（蛇口）負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造，出廠前進(jìn)行了樁架770 t吊重試驗(yàn)和傾斜試驗(yàn)，實(shí)際的空船重量7 043.7 t。該船于2020年5月8日交付使用，出廠后已先后在三峽新能源廣東省陽(yáng)江市陽(yáng)西沙扒海上風(fēng)電項(xiàng)目、象山、蒼南等項(xiàng)目進(jìn)行沉樁作業(yè)，創(chuàng)造了單日完成4根的沉樁記錄。實(shí)際證明，該船達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，具備較好的耐波性能，單油缸完全能滿足各種工況的使用要求，樁架倒架狀態(tài)頂升時(shí)油泵壓力僅18 MPa，液壓系統(tǒng)改進(jìn)也非常成功。