打桩船桩架支撑架结构强度有限元分析

谭慧娟，薛光远，吴俊逸，宋 健

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.上海外高桥造船有限公司，上海 200120；3.杭州市众硅电子科技有限公司，浙江 杭州 311300)

0 引言

桩架是打桩船的主要工作设备，是专门为海上桩基施工作业建造的起重与导向设备，因此桩架的设计对整条船的设计至关重要[1-2]。根据功能分类，可将其工况分为非作业放置拖航工况和作业吊桩打桩工况。国内对作业工况进行了很多研究，而对非作业放置拖航工况的研究甚少。因在航行搁置状态中支撑架对桩架的稳定作用至关重要，所以有必要研究此工况下各结构的强度问题。

某80 m打桩船在船首安装了桩架结构。桩架使用多年后，出现桩架悬臂的晃动问题。为了安全起见，用户决定在支撑架的后部对原支撑架进行加强。目前有限元直接计算是分析船舶结构强度直观而准确的方法之一[3]，因此本文以该船的桩架支撑架为研究对象，采用MSC.PATRAN和NASTRAN软件对整个支撑架结构进行有限元计算分析。

1 支撑架结构改造方案

在拖航状态下，打桩架倒放在桩架支撑架上。由于支撑架相对靠船首，支撑架后部的桩架悬臂部分相对较长，悬臂部分存在一定的晃动问题。打桩船的原桩架支撑与船体结构连接的示意图(侧视图)见图1。

图1 原支撑架结构布置图

本文提出的加强方案内容是：保留原支撑架结构不动，在支撑架的后部对原支撑架进行加强；加强的结构与原支撑架和主船体及甲板室进行可靠连接；在加强的支撑架顶部对倒放后的桩架进行再支撑。该加强方案有效缩短了桩架的悬臂长度，可较好地改善悬臂的晃动，同时也增加了支撑架的强度。加强后的桩架支撑架及连接的船体结构的示意图(侧视图)见图2。

2 建立有限元模型

2.1 结构模型

建立模型时采用三维板梁组合单元。主甲板、上层建筑和桩架支撑基座板架结构采用平面四边形板单元描述板格和腹板；局部过渡区域采用三角形板单元；用一维梁单元描述纵骨、横梁、强框架面板、桩架支撑架杆件等构件。通过板梁单元组合的力学模型描述与桩架支撑架结构连接的船体结构强度。

图2 加强后的支撑架结构布置图

有限元模型的坐标系为直角坐标系，X轴由艉部指向艏部为正，Y轴由右舷指向左舷为正，Z轴垂直向上为正。有限元模型坐标原点建立在一层甲板后端壁与中纵剖面和主甲板面相交处。支撑架结构和与船体连接部分结构有限元模型见图3。

图3 加强后的支撑架结构及船体结构有限元模型

加强后的支撑架结构尺寸如下：水平及斜撑杆Φ245 mm×10 mm、Φ219 mm×10 mm；垂直下弦管Φ560 mm×16 mm，上弦管、水平杆Φ426 mm×14 mm；顶部的操作平台材料均为Q345B。

2.2 边界条件

有限元模型的底端约束X(纵向)、Y(横向)、Z(垂向)3个方向的线位移，即三向线位移为0。

2.3 计算载荷

桩架支撑架结构顶部受垂直于前后之间顶部面板连接线的压力，受力大小为3.172×106kN；前后支架顶部受力采用MPC形式连接，受力方向为垂直于靠船首的支架顶部面板，沿-X轴(向船尾方向)逆时针方向旋转53°；支撑架底端和船体连接部分，采用MPC形式连接。

3 结果分析

本船体结构包含Q235A和Q345B 2种材料。

Q235A的材料屈服强度为235 MPa。根据《钢质海船入级规范》(2018)板单元许用相当应力取屈服强度的0.8倍，为188.00 MPa；梁单元正应力取屈服强度的0.67倍，为157.45 MPa；梁单元许用剪切应力取屈服强度的0.39倍，为91.65 MPa。

Q345B的材料屈服强度为345 MPa。根据《钢质海船入级规范》(2018)板单元许用相当应力取屈服强度的0.8倍，为276.00 MPa；梁单元正应力取屈服强度的0.67倍，为231.15 MPa；梁单元许用剪切应力取屈服强度的0.39倍，为134.55 MPa。

应力结果汇总见表1，应力分布见图4～图6。全船应力值均满足规范许用值要求，Q235A的板单元最大合成应力值为155.00 MPa<188.00 MPa；Q345B的板单元最大合成应力值为257.00 MPa<276.00 MPa，梁单元的最大合成应力值为157.00 MPa<231.15 MPa。

表1 计算后应力结果汇总表 单位：MPa

图4 所有板单元的最大相当合成应力

图6 所有梁单元的最大合成应力

4 结论

(1)直接计算后的应力结果显示，本文加强后的桩架支撑结构的强度满足规范要求，证明采用该加强方法能够有效保证原有及加强后的结构强度，且不影响主船体其他结构，大大改善了悬臂晃动的问题，满足了用户的使用要求。

(2)支撑架加强部分的结构总质量为20.321 t，质量变化率为1.312%，小于2%；重心纵向位置距船中0.98 m，重心纵向位置变化率为0.005 3L(L为规范定义船长)，小于0.01L。计算结果均满足法规的相关要求。

(3)本船的稳性裕度较大，稳性也满足相关法规要求。