謝美金 羅漢文 黃遠(yuǎn)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(gòu)強(qiáng)度。計(jì)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(yàn)工況。計(jì)算結(jié)果表明，某78m打樁船主樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

關(guān)鍵詞：打樁船；主樁架；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元

中圖分類號(hào)：U674.32?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)施打樁作業(yè)的主要設(shè)備，如何保證其結(jié)構(gòu)安全性是設(shè)計(jì)任務(wù)中的一項(xiàng)重要工作。本文依據(jù)CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”），采用通用的有限元計(jì)算軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)某78m打樁船主樁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2 ? ? 有限元模型

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

該主樁架總長(zhǎng)69.8 m，樁架與樁架前支撐鉸座安裝在船首象鼻架結(jié)構(gòu)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(gòu)，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(gòu)采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，材料等級(jí)為Q345；變幅輔助平臺(tái)、起重平臺(tái)、吊錘平臺(tái)和龍口結(jié)構(gòu)均為板架結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼，材料等級(jí)為A/DH36。

有限元模型中，采用板殼單元模擬變幅輔助平臺(tái)、起重平臺(tái)、吊錘平臺(tái)、前支撐鉸座、后支撐和龍口結(jié)構(gòu)；采用梁?jiǎn)卧M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(diǎn)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?jiǎn)卧c板單元的過(guò)渡。

3 ? ?計(jì)算工況

根據(jù)主樁架的工作狀態(tài)及“規(guī)范”的相關(guān)內(nèi)容和要求，選擇以下6種工況進(jìn)行主樁架及主樁架上各作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算：

（1）起重工況（含無(wú)風(fēng)與有風(fēng)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(dòng)滑輪組固定在變幅輔助平臺(tái)上，樁錘及抱樁器擱置在甲板上；

（2）吊樁工況（含無(wú)風(fēng)與有風(fēng)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(wú)風(fēng)與有風(fēng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，樁錘和樁沿樁架龍口結(jié)構(gòu)移動(dòng)；

（4）變幅工況（含無(wú)風(fēng)與有風(fēng)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(yàn)工況

樁架試驗(yàn)負(fù)荷為安全工作負(fù)荷的1.1倍。

4 ? ? 載荷

主樁架及主樁架上各作業(yè)平臺(tái)上的載荷，包括：自重；起升載荷；風(fēng)載荷；船體運(yùn)動(dòng)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(gòu)重量225.6 t，其中：主樁架134 t，變幅輔助平臺(tái)重量13 t，起重平臺(tái)重量17.4 t，吊錘平臺(tái)重量4.3 t，龍口結(jié)構(gòu)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(dòng)滑輪2組，每組3.3 t；樁架9餅變幅動(dòng)滑輪1組，重量5.2 t；樁架12餅變幅動(dòng)滑輪1組，重量7.2 t；

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

④ 樁架梯子欄桿重量7.1 t；吊籃2個(gè)，單個(gè)重量0.56 t；

⑤ ?樁錘重量37 t；抱樁器2個(gè)，單個(gè)重量4 t；

⑥ 主鉤及其動(dòng)滑輪組1組，重量7.1 t；副鉤及其動(dòng)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(dāng)主吊鉤作業(yè)時(shí)，起升載荷包括貨物自重、主鉤及其動(dòng)滑輪組自重和起吊鋼絲繩自重產(chǎn)生的載荷；當(dāng)副鉤起吊時(shí)，起升載荷包括貨物自重、副鉤及其動(dòng)滑輪組自重和起吊鋼絲繩自重產(chǎn)生的載荷。

（3）風(fēng)載荷

擱置工況風(fēng)速為55 m/s，其它工況風(fēng)速均為20 m/s。風(fēng)載荷根據(jù) “規(guī)范”計(jì)算。

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

② 變幅輔助平臺(tái)、起重平臺(tái)、吊錘平臺(tái)和龍口結(jié)構(gòu)為板架結(jié)構(gòu)，通過(guò)面壓力的形式施加。風(fēng)壓計(jì)算如下：

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

當(dāng)風(fēng)速為20 m/s時(shí)，q=245.2 Pa=2.452×10-4 N/mm2；

當(dāng)風(fēng)速為55 m/s時(shí)，q=1 854.3 Pa=1.854×10-3 N/mm2。

③ 起升載荷上所受到的風(fēng)力，通過(guò)MPC單元施加在對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)眼板上；當(dāng)樁架安全工作負(fù)荷（SWL）值大于490 kN時(shí)，作用在起升載荷上的風(fēng)力按下式計(jì)算：

（2）

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

（4）船體運(yùn)動(dòng)載荷

由于船體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的載荷，通過(guò)慣性載荷施加。船體運(yùn)動(dòng)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(jì)算；

② 船體傾斜載荷還應(yīng)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(yùn)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(jì)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(jì)算φh=1.02<1.1，實(shí)取1.1。

綜上所述，本項(xiàng)目選取表1所示工況及載荷組合進(jìn)行計(jì)算。

5 ? ? 邊界條件

主樁架能夠繞兩個(gè)前支撐鉸座中心轉(zhuǎn)動(dòng)，故釋放樁架底部繞局部坐標(biāo)系中y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)前支撐鉸座中心的約束外，還應(yīng)約束變幅鋼絲繩和絞車鋼絲繩端部三個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移自由度，即δx=δy=δz=0。

6 ? ?許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

樁架結(jié)構(gòu)件的許用應(yīng)力[σ]，按下式計(jì)算：

（4）

式中：σs——鋼材的屈服強(qiáng)度，MPa；

n ——各工況安全系數(shù)；

β ——依據(jù)鋼材屈強(qiáng)比而選取的系數(shù)。

主樁架共采用2種強(qiáng)度等級(jí)的鋼材：

主樁架管材結(jié)構(gòu)，采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，材料等級(jí)為Q345；變幅輔助平臺(tái)、起重平臺(tái)、吊錘平臺(tái)和龍口結(jié)構(gòu)均為板架結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼，材料等級(jí)為DH36。

兩種材料的力學(xué)性能，見(jiàn)表2。

由表2可知： DH36的屈強(qiáng)比 σs /σb=0.724 >0.7，β=1.021 6；

Q345的屈強(qiáng)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(yīng)力，見(jiàn)表3。

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

根據(jù)CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的內(nèi)容和要求，許用應(yīng)力衡準(zhǔn)應(yīng)符合下式要求：

（5）

式中：σcp為由各分應(yīng)力合成的復(fù)合應(yīng)力，MPa；

σx為x方向的正應(yīng)力，MPa；σx < [σ]；

σy為y方向的正應(yīng)力，MPa；σy < [σ]；

τ為剪切應(yīng)力，MPa；τ<0.58 [σ]。

因此，本文采用的應(yīng)力衡準(zhǔn)，如表4所示。

7 ? ? 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)各工況下主樁架的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知各工況下板單元的最大合成應(yīng)力為307 MPa，發(fā)生在擱置工況；梁?jiǎn)卧畲蠛铣衫瓚?yīng)力為229 MPa，也發(fā)生在擱置工況；梁?jiǎn)卧畲蠛铣蓧簯?yīng)力為197 MPa，發(fā)生在打樁工況。本樁架結(jié)構(gòu)上所有構(gòu)件的最大應(yīng)力，均小于規(guī)范要求的許用應(yīng)力，即該樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

8 ? ?結(jié)論

通過(guò)本文的計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

（1）起重工況為危險(xiǎn)工況之一：梁?jiǎn)卧軌鹤畲蟮奈恢脼闃都芮岸藘筛鞴艿锥?，梁?jiǎn)卧芾畲蟮奈恢煤蠖酥鞴艿锥耍鍐卧芰ψ畲蟮奈恢脼闃都芎笾危?/p>

（2）擱置工況也為危險(xiǎn)工況之一：梁?jiǎn)卧軌鹤畲蟮奈恢脼闃都芮岸藘筛鞴艿锥?；梁?jiǎn)卧芾畲蟮奈恢脼閿R置點(diǎn)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(gòu)上所有構(gòu)件的最大應(yīng)力，均小于規(guī)范要求的許用應(yīng)力，該樁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

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