某打桩船打桩架改造设计研究

李红明

1 概况

对国外引进打桩船的打桩架进行加高改造，这在国内还没有先例。中港某航局下属公司因业务需要，决定对其所有桩船的打桩架进行改造。该船始建于20世纪70年代，主要尺寸及性能如表1所示。受业主委托，我们对该船进行了改造设计，主要完成了以下几个方面的工作:改造后结构的强度有限元分析，上部添加结构——附架的设计，丝杆强度的校核等。改造后，业主所要求达到的指标除表1所列外，尚应满足如下三个条件:

1)桩架加设附架后，能满足前倾12°内起吊能力达到80 t;

2)加设附架后，能满足前后各倾25°时的打桩作业(按桩长58 m，桩重60 t核算);

3)能在沿海三类作业区内作业，承受六级风力。此外，业主要求加设附架后，需绘制出12°～30°的起重曲线图。

表1 改造前后船体的主要尺寸和性能

2 附架设计

综合业主的要求，考虑船体现状和施工技术要求，附架的作用主要是用于吊锤，其最危险的工况发生在打桩时的溜桩状态，因此在进行附架设计时，分析了桩架前倾25°，桩架直立和桩架后倾25°三种位置溜桩时的内力。

根据有关资料，确定溜桩时钢丝绳的拉力为30 t。

图1 附架结构形式简图

图2 强度校核的计算模型

设计采用同济大学研制的钢结构分析设计软件3D3S。该软件具备有优良的有限元分析与设计功能，经上海市科委鉴定，曾获教育部科技进步二等奖。需要强调的是，由于3D3S是建筑钢结构专用软件，参照文献［1］修订了计算参数。

考虑原有打桩架上部结构的形式，通过分析研究，附架采用梯形截面桁架，结构形式见图1。

3 整体桩架强度校核

由于业主提供的桩八号的图纸和其他原有设计资料不全面，通过现场测量和分析，征得业主同意后，确定了有限元计算时采用不考虑原结构材料疲劳、腐蚀的原始尺寸和性能数据的校核方案。

原桩架和附架的立柱以及原桩架的横梁采用梁单元，其余杆件采用杆单元，共计127个单元，53个节点。支座为铰节点。计算模型见图2。

按照文献［1］2.14的规定。结合业主要求，进行了如表2所示工况的有限元分析:根据有关资料，确定溜桩时，钢丝绳的拉力为30 t，船舶倾斜所产生的水平分力和风力之和为15 t。载荷图如图3所示。

表2 强度及稳定性校核工况

图3 工况荷载示意图

原塔架在架设附架之后，最危险的构件所在位置各构件的最大应力与强度设计值之比均不大于0.92，最危险的构件所在位置以及丝杆轴力见表3。

表3 各构件的最大应力比和丝杆轴力

4 起重曲线

由于本次改造之前，桩架已进行过改造，前后在桩架顶部增加重量约30 t～40 t，桩架的起重能力有所下降。设计单位利用3D3S软件，根据文献［1］2.14的规定，设定各构件的最大应力与强度设计值之比均不大于0.92，计算了桩架在前倾12°～30°之间每增加1.5°时桩架的最大起吊能力，并绘制了桩架的起重曲线，见图4。起重曲线有限元分析结果见表4。

图4 起重曲线图

表4 起重曲线有限元分析结果

5 结语

国外引进的打桩船加高改造工程在国内还是首次，通过本次设计和对加高后的整体打桩架的有限元分析，可以得出以下结论:

1)桩架结构在改造后能够满足甲方指定打桩工况的强度和稳定性要求。

2)桩架结构在改造后，除前倾25°，吊60 t不能满足以外，其余角度均能够满足甲方指定的起吊能力。

3)由于桩架进行过多次改造，在桩架顶部增加重量约30 t～40 t，有限元计算结果表明，尽管桩架结构在改造后能够满足甲方指定工况的强度和稳定性要求，但构件的最大应力与强度设计值之比已等于或接近于0.92，余量很小。加上桩架已使用30余年，本次计算又未曾考虑原结构材料疲劳、腐蚀。因此，在指定工况下，桩架几乎已达到强度的极限。

4)经过一段时间的使用，可以认为附架结构设计满足各种强度、稳定性要求，达到了业主的要求。

［1］ 船舶与海上设施法定检验规则——起重设备法定检验技术规则［Z］.