128 m打桩船的设计与研究

于全虎，章庆生

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

128 m打桩船的设计与研究

于全虎，章庆生

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

近年来国内外海洋基础设施的建设需要大量的专用打桩船，设计满足当前港航基础设施建设要求、综合技术性能优良的打桩船，同时为未来不断适应港航事业发展，研究更高技术水准的打桩船积累经验是十分必要的。通过对128 m打桩船打桩系统主要性能、载荷情况以及主要设备技术参数的研究，解决了其中的关键技术问题。目前128 m打桩船首制船已成功投入使用，经济效益良好。

打桩船;桩架;打桩系统;船舶设计

0 引言

我国海工建设装备起步较晚，20世纪七八十年代国内自行建造的打桩船桩架高度普遍在36 m左右，桩架高50 m的打桩船全部是从日本进口的二手船。随着我国沿海的开发，港口和码头建设、水上桥梁建设、海上风电安装等工程的兴起，中小型乃至大型打桩船已不能满足需要，打桩船向超大型方向发展。本世纪以来，国内开始建造桩架高80～90 m的打桩船，国内已投入使用的桩架超过100 m的打桩船分别为100、108、110 m，目前桩架高度达到128 m的打桩船是亚洲桩架最高，打桩能力最强的超大型打桩船，也是国内第一艘无限航区的打桩工程船。128 m打桩船能施工直径5 m，桩长超过100 m的钢管桩，不但能用于建造更大的多管桩海洋工程基础，而且可用大直径的单管桩替代小直径的多管桩海工基础。

1 主要量度

128 m大型打桩船为钢制、无限航区、非自航打桩工程船，满足如下规范与法规:

中国船级社《钢质海船入级规范》(2006)及修改通报、中国船级社《非公约尺度船检验指南》(2001)、中国海事局《国际航行海船法定检验技术规则》(2008)。

其主要量度如下:

型长 78 m

型宽 36 m

型深 6.2 m

设计吃水 3.2 m

2 打桩系统载荷分析

2.1 象鼻梁结构

象鼻梁结构、油缸支撑位及其所处船体结构承受了桩架起竖工作状态下的全部力，因此必须采用ANSYS有限元软件对128 m打桩船在各种载荷工况下的船体及象鼻梁结构进行三维模型计算与分析。由于船体及象鼻梁为轴对称结构，因此只需建立一半模型。有限元分析模型如图1所示。

图1 船体及象鼻梁有限元模型

2.2 桩架

依据桩架设计结构参数及桩架运行工况条件，根据相应的规范计算128 m打桩船桩架各部位的应力分布以及最大应力发生的部位，以此为基础对桩架结构包括支柱、顶架平台、支座、油缸等进行强度验算。

根据《船舶与海上设施起重设备规范》以及打桩船的作业范围与条件，128 m打桩船的起升桩架应属于近海遮蔽水域起重机类，桩架的结构强度计算应符合规范中近海用起重机的相关要求。

依据128 m打桩船的桩架(包括平台、支柱、支座等)结构设计图，利用ANSYS建立128 m打桩船整个桩架的有限元分析模型。建模中根据桩架的实际结构特点，分别采用了各种不同类型的单元及边界条件。桩架的有限元模型如图2所示。

在有限元建模的基础上，根据打桩工况、桩重与锤重参数以及水文等条件，计算确定桩架的各种载荷，通过对桩架在各种组合载荷工况下的受力分析以及强度计算，得到桩架各部位的应力分布数据。

图2 桩架的有限元分析模型

根据桩架的结构特点，在建立有限元分析模型时共采用了5种不同的单元:管单元、杆单元、板单元、型材单元与实体单元。主支柱采用管单元，龙口采用型材单元，支撑龙口的各横梁采用管单元，桩架的各层平台以及顶架平台则采用了板单元，与液压油缸相连的桩架后支座结构采用了板壳单元。

近海用起重机类的128 m打桩船的桩架载荷与普通起重机有所区别，需按特殊工况进行考虑。在128 m打桩船的桩架强度计算中考虑的载荷包括:起升载荷、风载荷、桩架自重、船舶倾斜载荷以及在起升与溜桩瞬时的桩架动载荷。桩架载荷示意图如图3所示。在桩架强度分析的有限元模型中，将以上载荷按不同的方向分别施加到不同的部位，并且设置支承部位(前后支座)的约束条件进行静力学与动力学分析。

组合载荷=各分项载荷总和×作业系数1.20

图3 桩架载荷示意图

3 打桩系统性能

根据以上载荷及结构强度计算，128 m打桩船打桩系统主要性能参数如下:

桩架高 125.7 m(大平台顶面至水面)

桩架最大起重能力 360 t(桩架前倾9°)

双钩2×180 t/单钩360 t

主钩起重能力 300 t

副钩起重能力 150 t

桩架起重作业范围 0°～12.5°

桩架打桩作业范围 0°～12.5°

最大作业桩重 300 t

最大沉桩能力 110 m+水深

最大作业桩径 Φ5 000 mm

倒桩方式 油缸二次倒桩

4 主要动力机械设备

128 m打桩船轮机部分及打桩系统所用机电设备众多，结合船舶的功能性要求，通过计算得到各种设备的参数要求。主要动力设备配备情况见表1。

5 机械舱室布置

128 m打桩船主要A类机械舱室分为机舱和发电机舱，两舱室通过左右舷的舱门沟通。发电机舱内设有集控室，可同时监控机舱和发电机舱。油泵柴油机和作业发电机组位于机舱内，辅助发电机组位于发电机舱内。机舱和发电机舱布置见图4。

表1 128 m打桩船主要动力设备参数

6 研究解决的关键问题及特点

128 m打桩船作为亚洲最大的新型超大型打桩船，研究过程中必然会遇到很多难点，其中需要解决的主要关键问题及特点如下:

(1)采用改进桩架结构，提高桩架强度，减轻桩架重量，改善桩架重量、重心对船舶稳性的影响。

(2)充分研究、考虑了航道及港航工程对打桩船主体尺度的要求，如调拨航道上主要桥梁对倒桩高度的要求，目前以及未来一定时期内工程建设需要船舶的尺度及打桩、吊重能力。

(3)研究了桩架高度与船宽、稳性的关系，使之科学合理。

图4 128 m打桩船机舱和发电机舱布置

(4)研究桩架变幅和倾倒机构，降低倒桩后整船的拖带高度，扩大船舶今后适用范围和到达现场后的起桩架效率。以往的打桩船倒桩方式不尽合理，倒桩后高度较高，限制了使用区域。

(5)机电设备的配备科学合理，选用综合技术性能优良，价格合理的设备。

(6)上层建筑舱室的设计布局合理，功能满足要求，工作生活环境方便舒适。

(7)电动装置运用无级调速，提高效率。电气控制系统采用变频器控制，实现无级调速。同时，利用变频器良好的软启动性能，解决对发电机的保护问题，另外还实现了轻负荷时的超速运行目标。

7 结语

128 m打桩船具有无限航区拖航能力，服务范

围可遍及世界上大多数国家和地区。目前国内外桩架100 m以上的大型、特大型打桩船具有一定的稀缺性，128 m打桩船建造市场前景良好。128 m打桩船“雄程1”交船后即投入福州—平潭跨海大桥桩基建设工程，2号船也正在船厂加紧施工中，科研成果转化优势明显。

［1］ 中国船级社.钢质海船入级规范［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 中国船级社.非公约尺度船检验指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 中国海事局.国际航行海船法定检验技术规则［M］.北京:人民交通出版社，2008.

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

The building of here and abroad ocean infrastructure needs large numbers of special purposes floating pile driver in recent years， it is very necessary that design floating pile driver satisfying current harbor and navigation infrastructure building requirement，synthesize technical performance excellent，at the same time for adapting harbor and navigation enterprise development，accumulating experiences of research on higher technical level floating pile driver.Through the research on a 128 m floating pile driver piling systemmain performance，load condition and main equipment technical parameter，it solves the key technology problem.At present the first 128 m floating pile driver has been put into operation in success，has fine economic benefit.

Design and research on a 128 m floating pile driver

Yu Quanhu，Zhang Qingsheng(1)

U662.2

A

特大型海洋工程打桩船的研发与制造，镇江市新兴产业科技专项(CY2011019)

2014-08-12

于全虎(1974—)，男，高级工程师，从事船舶动力装置的科研与设计工作;章庆生(1964—)，男，研究员级高级工程师，从事船舶动力装置的科研与设计工作。