某78m打桩船主桩架结构强度分析

谢美金 罗汉文 黄远力 陈泉

摘    要：本文采用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran，校核了某78m打桩船主桩架的结构强度。计算工况包括：起重工况；吊桩工况；打桩工况；变幅工况；搁置工况和试验工况。计算结果表明，某78m打桩船主桩架结构强度符合要求。

关键词：打桩船；主桩架；结构强度；有限元

中图分类号：U674.32                            文献标识码：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

打桩船是一种重要的海洋工程施工船舶，而主桩架是实施打桩作业的主要设备，如何保证其结构安全性是设计任务中的一项重要工作。本文依据CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（以下简称“规范”），采用通用的有限元计算软件MSC.Patran/Nastran对某78m打桩船主桩架结构进行强度校核。

2     有限元模型

某打桩船主桩架结构，主要包括：主桩架；变幅辅助平台；起重平台；吊锤平台和龙口结构。

該主桩架总长69.8 m，桩架与桩架前支撑铰座安装在船首象鼻架结构上，桩架前支撑铰座中心线横向跨距8 535 mm；主桩架采用三角形桁架结构，前端两根主管为φ800x22 mm/φ800x18 mm/φ800x14 mm/φ800x12 m的钢管，后端主管为φ700x25 mm/φ700x20 mm的钢管，主桩架管材结构采用低合金高强度结构钢，材料等级为Q345；变幅辅助平台、起重平台、吊锤平台和龙口结构均为板架结构，采用高强度船体结构用钢，材料等级为A/DH36。

有限元模型中，采用板壳单元模拟变幅辅助平台、起重平台、吊锤平台、前支撑铰座、后支撑和龙口结构；采用梁单元模拟桩架主管及各撑管；采用杆单元模拟各种工况下的变幅钢丝绳；采用多点约束单元模拟各种滑轮轴销与桩架眼板的连接及主管与撑管梁单元与板单元的过渡。

3    计算工况

根据主桩架的工作状态及“规范”的相关内容和要求，选择以下6种工况进行主桩架及主桩架上各作业平台的结构强度计算：

（1）起重工况（含无风与有风两种作业状态）

起重工况采用主钩起吊，主钩起吊的作业范围为5°～20°，额定起重量为120 t；主钩起升系统及甲板变幅系统处于工作状态，副钩起升系统及桩锤起升系统停止工作；副钩及其动滑轮组固定在变幅辅助平台上，桩锤及抱桩器搁置在甲板上；

（2）吊桩工况（含无风与有风两种作业状态）

吊桩工况下双副钩起升系统及甲板变幅系统处于工作状态，双副钩的起吊作业范围为0°～15°，额定起重量为84 t；桩锤位于桩架顶部；抱桩器位于桩架上；

（3）打桩工况（含无风与有风两种作业状态）

打桩工况下，打桩作业范围为-18.55°～18.55°；前倾打桩时，副钩起升系统、桩锤起升系统及甲板变幅系统处于工作状态，后仰打桩时，副钩起升系统、桩锤起升系统及A字架变幅系统处于工作状态；打桩时，桩锤和桩沿桩架龙口结构移动；

（4）变幅工况（含无风与有风两种变幅状态）

变幅工况包括前倾变幅和后仰变幅工况。前倾变幅工况桩架变幅范围为18.55°～25°，后仰变幅工况桩架变幅范围为-18.55°～ -66°；桩锤位于桩架顶端，主副钩起升系统处于空载状态；

（5）搁置工况

桩架放置在后搁架上，搁置角为-66°，所有起升系统及变幅系统均停止工作；

（6）试验工况

桩架试验负荷为安全工作负荷的1.1倍。

4     载荷

主桩架及主桩架上各作业平台上的载荷，包括：自重；起升载荷；风载荷；船体运动载荷及船体倾斜载荷。

（1）自重

各部分重量如下：

① 桩架结构重量225.6 t，其中：主桩架134 t，变幅辅助平台重量13 t，起重平台重量17.4 t，吊锤平台重量4.3 t，龙口结构重量45.2 t，桩架前支撑6.2 t，桩架后支撑5.5 t；

② 桩架6饼变幅动滑轮2组，每组3.3 t；桩架9饼变幅动滑轮1组，重量5.2 t；桩架12饼变幅动滑轮1组，重量7.2 t；

③ 主钩起货钢丝绳导向滑轮3组，每组0.88 t；副钩起货钢丝绳导向滑轮4组，每组0.75 t；桩锤起货钢丝绳导向滑轮8组，每组0.75 t，吊篮及抱桩器钢丝绳导向滑轮1.24 t；

④ 桩架梯子栏杆重量7.1 t；吊篮2个，单个重量0.56 t；

⑤  桩锤重量37 t；抱桩器2个，单个重量4 t；

⑥ 主钩及其动滑轮组1组，重量7.1 t；副钩及其動滑轮组2组，单组重量5.4 t。

（2）起升载荷

主吊钩上的额定起升载荷为120 t，双副吊钩上的额定起升载荷为84 t；当主吊钩作业时，起升载荷包括货物自重、主钩及其动滑轮组自重和起吊钢丝绳自重产生的载荷；当副钩起吊时，起升载荷包括货物自重、副钩及其动滑轮组自重和起吊钢丝绳自重产生的载荷。

（3）风载荷

搁置工况风速为55 m/s，其它工况风速均为20 m/s。风载荷根据 “规范”计算。

① 主桩架为桁架结构，其承受的总的风载荷通过线性分布力的形式平均施加于3根主管上。风速为20 m/s时，作用在主管上的风载荷为51 570.75 N，主管长度69.8 m，施加在于单位长度的线载荷为0.25 N/mm；风速为55 m/s时，施加于单位长度线的载荷为1.89 N/mm；

② 变幅辅助平台、起重平台、吊锤平台和龙口结构为板架结构，通过面压力的形式施加。风压计算如下：

q=0.613V2 Pa                                                            （1）

当风速为20 m/s时，q=245.2 Pa=2.452×10-4 N/mm2；

当风速为55 m/s时，q=1 854.3 Pa=1.854×10-3 N/mm2。

③ 起升载荷上所受到的风力，通过MPC单元施加在对应的结构眼板上；当桩架安全工作负荷（SWL）值大于490 kN时，作用在起升载荷上的风力按下式计算：

（2）

由公式（2）可得：当主吊钩作业时，起升载荷上所受到的风力为Fn=27 962.93 N，即施加在主钩眼板的风力为27 962.93 N；当双副吊钩作业时，起升载荷上所受到的风力为Fn=23 395.47 N，即每个副钩眼板承受的风力为11 697.73 N。

（4）船体运动载荷

由于船体运动而产生的载荷，通过惯性载荷施加。船体运动载荷仅在搁置工况下考虑，包括横向或纵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）船体倾斜载荷

① 船体倾斜载荷按船体沿横向倾斜5°、沿纵向倾斜2°计算；

② 船体倾斜载荷还应考虑作业系数和起升系数。作业系数φd反映主桩架的作业频率与吊运货物的繁重程度，φd=1.05；起升系数φh反映货物自身加速度和冲击载荷的作用，按下式计算：

φh=1+CV                                                                    （3）

式中C=0.3。本桩架起升最大速度V=0.083 m/s，经计算φh=1.02<1.1，实取1.1。

综上所述，本项目选取表1所示工况及载荷组合进行计算。

5     边界条件

主桩架能够绕两个前支撑铰座中心转动，故释放桩架底部绕局部坐标系中y轴的转动自由，在该位置施加的边界条件为δx=δy=δz=0，θx=θz=0；

除桩架两个前支撑铰座中心的约束外，还应约束变幅钢丝绳和绞车钢丝绳端部三个坐标轴方向的平移自由度，即δx=δy=δz=0。

6    许用应力衡准

桩架结构件的许用应力[σ]，按下式计算：

（4）

式中：σs——钢材的屈服强度，MPa；

n ——各工况安全系数；

β ——依据钢材屈强比而选取的系数。

主桩架共采用2种强度等级的钢材：

主桩架管材结构，采用低合金高强度结构钢，材料等级为Q345；变幅辅助平台、起重平台、吊锤平台和龙口结构均为板架结构，采用高强度船体结构用钢，材料等级为DH36。

两种材料的力学性能，见表2。

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

Q345的屈强比 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）；

各工况下的许用应力，见表3。

由表3知：不同厚度的Q345管材，许用应力也不同，但差别甚小。为方便起见，所有Q345管材的许用应力，统一取为t＞16 mm时的许用应力值。

根据CCS《船舶与海上设施起重设备规范》的内容和要求，许用应力衡准应符合下式要求：

（5）

式中：σcp为由各分应力合成的复合应力，MPa；

σx为x方向的正应力，MPa；σx < [σ]；

σy為y方向的正应力，MPa；σy < [σ]；

τ为剪切应力，MPa；τ<0.58 [σ]。

因此，本文采用的应力衡准，如表4所示。

7     计算结果及分析

根据各工况下主桩架的最大应力计算结果可知各工况下板单元的最大合成应力为307 MPa，发生在搁置工况；梁单元最大合成拉应力为229 MPa，也发生在搁置工况；梁单元最大合成压应力为197 MPa，发生在打桩工况。本桩架结构上所有构件的最大应力，均小于规范要求的许用应力，即该桩架结构强度满足规范要求。

8    结论

通过本文的计算分析，得到如下结论：

（1）起重工况为危险工况之一：梁单元受压最大的位置为桩架前端两根主管底端，梁单元受拉最大的位置后端主管底端，板单元受力最大的位置为桩架后支撑；

（2）搁置工况也为危险工况之一：梁单元受压最大的位置为桩架前端两根主管底端；梁单元受拉最大的位置为搁置点附近的斜撑管；板单元受力最大的位置为桩架底部前支撑铰座；

（3）各工况下桩架结构上所有构件的最大应力，均小于规范要求的许用应力，该桩架结构强度满足要求。

参考文献

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