打桩船桩架强度及稳定性校核计算

宋 书 博

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

打桩船桩架的工作过程受船舶运动、工作摆角、风向等因素影响，在分析过程中对此要予以充分考虑。同时桩架结构复杂，工况繁多，载荷多样，因此在建立模型的过程中，每个细节都要仔细推敲，以确保分析正确。

1 计算模型

根据该船桩架的工作特点，将桩架主架、吊桩平台、桩架副架和吊锤平台组合建立有限元模型[1]。模型中平台结构采用四边形或三角形板单元，桩架结构采用两节点梁单元。在个别连接位置采用多点约束单元。

对桩架进行分析之前，需要检查模型的质量分布。由于桩架上的设备较多，要将各分布质量合理有效地加载到模型中，计算根据各分布质量的具体形式选择不同的加载方式，如质量点加载、集中力、均布力，还通过改变部分杆件的密度调节其重量及分布，从而使计算模型的重量分布和桩架在非工作状态时的重量分布一致。

本文主要讨论桁架式结构的校核，有限元模型见图1。

图1 桩架有限元模型

2 载荷工况

详细分析桩架在海上作业时的每种工况所受载荷及约束条件后，选择几个比较危险的状态进行分析。本文选取桩架实际工作过程中的几个特定摆角、特定吊重情况下的起吊工况、倒架工况和通航放置工况进行分析。

2.1 作业条件

该打桩船桩架作业于港区或遮蔽水域。在此水域内，船舶在波浪作用下无明显的运动，并在风力不大于蒲氏2级所定义的海况[2]。其作业条件为：

1) 船舶横倾 5°、纵倾 2°；

2) 大气环境温度为–10～+40℃；

3) 风速不超过20m/s，相应风压不超过250Pa；

4) 起重载荷处于静止状态；

5) 起重作业的性质与所规定的因素载荷相一致；

6) 作业系数 φd=1.05；

7) 起升系数 φh=1.10。

2.2 载荷组合

船舶在海上作业，作业海况将直接影响到桩架的强度。在实际计算中，在吊重工况下须考虑船体横倾纵倾的耦合作用；在拖航状态下还要考虑船舶运动加速度的影响。

根据船舶的作业条件，考虑以下3种载荷组合[2]：

1) 桩架工作处于无风状态，考虑的载荷有：(1) 自重载荷；(2) （起升载荷＋船舶倾斜所产生的起升载荷水平分力）×起升系数hφ；(3) 由船舶倾斜产生的自重载荷水平分力。组合载荷为：[(1)+(2)+(3)]×作业系数φd；

2) 打桩桩架工作处于有风状态，应取的组合载荷为无风状态下所述的组合载荷加上最不利的风载荷：(1) 作用在自重载荷上的风压为 250Pa；(2) 作用在起升载荷上的风力按每 9.8kN安全工作负载的风力为300N；

3) 打桩桩架处于放置状态，应取下述载荷的组合：(1) 船舶升沉加速度为±1.0g；船舶纵荡加速度为±0.5g；静横倾 15°；风速 55m/s，作用于前后方向；(2) 船舶升沉加速度为±1.0g；船舶横荡加速度为±0.5g；静横倾15°；风速55m/s，作用于横向。

2.3 计算工况

2.2节分析了3种载荷组合（无风状态、有风状态和放置状态）下的受力情况。现计算桩架工作在四个不同角度时的桩架强度，共有10种工况。各工况如图2和表1所示。

图2 工况

表1 计算工况

3 强度计算

3.1 许用应力

由相关的桁架结构强度规范[2～4]可知，桁架杆件的许用应力[]σ按式（1）计算：

式中：σs——材料的屈服强度，MPa；n——安全系数，无风状态n=1.5；有风状态n=1.33；放置状态n=1.15。

3.2 强度校核

各工况下桩架应力如表2所示。从计算结果可知：该桩架的强度满足要求。

表2 各工况应力 N/mm2

4 杆件稳定性计算

桁架式结构杆件稳定性计算是一个非常繁琐的过程，由于桩架结构杆件众多，如果对每根杆件一一计算校核应力，工作量相当巨大。所以，选择一套简单有效的校核方法非常重要。

4.1 校核方法

在建模之初对结构杆件进行分组，同一类规格的构件分为一组。利用构件最大的长细比计算临界应力σcr，之后通过有限元的工具提取同一组所有构件在同一工况下的相关最大应力值，并对此类构件进行校核，如其安全系数满足规范要求，则此类型所有构件稳定性满足要求；如不满足，则选取应力最大的构件，按其长细比计算其临界应力及安全系数，并校核。依此类推对其他各组构件进行校核，使计算变繁为简，大大节约时间。

4.2 校核标准

同时承受压力和弯曲的构件，应按式（2）应力衡准校核稳定性[2～4]。

式中：mσ——构件承受的弯曲应力，MPa；sσ——材料的屈服强度，MPa；cσ——构件承受的压应力，MPa；crσ——构件承受的临界应力，MPa；由构件的长细比和截面形状决定。

4.3 校核结果

从校核结果（见表3）可知，所选择的构件能够满足稳定性要求。

表3 稳定性校核结果

4.4 应力云图（见图3、4、5）

图3 杆件φ500×10的轴向压应力云图

图4 杆件φ500×10的x向弯曲应力云图

图5 杆件φ500×10的y向弯曲应力云图

5 结 语

采用有限元计算了海上打桩船桩架的强度和稳定性。在计算过程中，准确模拟船舶在工作和拖航期间的运动状态和受力情况，分析了影响桩架强度的各个影响因素，对结构进行有效的评估，并为桁架式结构强度的校核提供了一种方法。

[1] 孙丽萍. 船舶结构有限元分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

[2] 中国船级社. 船舶与海上设施起重设备规范[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3] 中国船舶工业总公司. 船舶设计使用手册（结构分册）[M]. 北京：国防工业出版社，1998.

[4] 陈有芳，徐 立. 船舶结构强度直接计算分析中应力的选取[J]. 武汉理工大学学报，2004 (2).