打桩船结构强度数值模拟研究

张吉萍，杨　阳（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022）

打桩船结构强度数值模拟研究

张吉萍，杨阳
（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

研究了打桩船的结构强度问题。建立了打桩船桩架与其支撑结构的有限元模型，按照规范要求，考虑作业载荷、风力、倾斜载荷以及船舶运动状况下的动载荷，对桩架及桩架支撑结构在工作状态和放置状态进行结构强度数值模拟。同时，考虑打桩船的作业特性，针对起升状态下的桩架及桩架支撑结构的进行强度分析。结果显示作业状态及放置状态下结构强度满足规范要求，但是桩架的起升状态不满足规范要求，桩架结构及船体支撑结构出现了明显的高应力区域。因此，对于打桩船这类特殊作业的工程船，在进行结构规范设计及强度校核时需要针对整个作业流程进行强度分析，以保证作业的安全与可靠。论文研究对同类船舶的结构设计具有重要的参考价值。

打桩船；强度校核；起升工况；作业工况

随着海洋平台、深海港口、新能源装备等海上工程的建设，打桩船这类特殊作业工程船的需求也急剧增加，已经成为海上基础施工工程领域的关键装备，打桩船设计研发也越来越受人们的关注。作为特种船舶，打桩船在作业以过程中受波浪、风力和桩架变幅影响［1］，载荷复杂，工况繁多。另外，区别于其他的海上起重设备，打桩船存在桩架自身结构复杂、质量庞大的特点，而且依据其作业特性桩架结构与船体的连接设计相对较弱，作业时打桩船往往又处于满负荷的工作状态下［2］。因此，打桩船结构的强度问题是结构设计的关键性能指标［3］。目前打桩船的设计一般都参考《船舶与海上设施起重设备规范》进行，但是其强度分析往往局限于规定的放置状态以及作业状态，事实上，打桩船的整个作业环节都应该进行结构强度评估，以保证其安全性与可靠性。论文基于有限元方法的高精确度和高可靠性［4］，对90 m打桩船桩架模型及相应的船体结构进行有限元分析，考虑了桩架放置状态、起升状态以及作业状态的整个作业环节进行结构强度的数值模拟，并为该类船舶的结构设计提出具有重要参考价值的建议。

1　船体及有限元模型

90m打桩船，船长58 m，型宽26 m，型深4.6 m，吃水2.5 m。船体采用CCSA级钢。主船体区域为纵骨架式，单壳、单底结构，船体区域肋骨间距为600 mm；强框架间距有1 800、2 400 mm；模型区域设有3道纵舱壁，2道横舱壁和艏封板，10根底纵桁以及象鼻梁与船体结构的纵向加强壁4道，桩架以及象鼻结构布置在船体的艏部。

有限元模型取全宽模型，包括桩架（包括吊桩平台和吊锤平台）、象鼻（桩架基座）以及主船体艏部的结构。桩架部分、撑杆采用梁单元模拟，油缸采用杆单元模拟，桩架与船体连接处采用MPC连接，保证梁单元与板单元间三个位移自由度的传递。桩架及象鼻结构模型、桩架吊桩平台及吊锤平台结构模型如图1、图2所示。

图1　桩架及象鼻结构模型Fig.1　Structure Model of PileHolder and Trunk

图2　桩架平台结构模型Fig.2　Structure Model ofPlatform

2　桩架放置及作业状态模拟

2.1载荷及工况选取

按照《船舶与海上设施起重设备规范》要求，需要对打桩船放置状态及作业状态进行强度分析。放置时候桩架顶端向船体艉部后倾80°并在桩架的中部区域设置支撑点，作业时候通过油压撑杆调整桩架至直立或前倾15°状态下进行打桩作业。

作业状态下，主桩架吊桩平台的设计起升重量为130 t（包括桩120 t和替打10 t），吊锤平台的设计起升重量为40 t（包括桩锤35 t和活塞5 t）。作业工况分别为桩架在直立和前倾15°状态下的吊桩及吊锤作业。作业工况载荷包括自重载荷、作业载荷、风力载荷、船舶倾斜载荷以及船舶运动引起的动载荷。采取平断面假设，在模型后端面的横舱壁位置处施加六自由度全约束。

桩架放置状态下，载荷包括自重载荷、风力载荷、船舶倾斜载荷以及船舶运动引起的动载荷。在模型后端面的横舱壁位置处施加六自由度全约束，同时在桩架与尾部支撑架交点处限制垂直于桩架方向的线位移。

考虑风向影响，共选取10种工况进行结构强度分析。

2.2结果及分析

经过计算，各工况的桩架结构应力见表1，象鼻和主船体结构的应力见表2。

比较各工况的应力大小，显然前倾15°作业工况下的应力较直立作业工况下的应力更大，同时象鼻结构以及与油压撑柱相连接的主船体区域结构的应力也更大。虽然应力范围都符合规范要求，但是因为前倾角度造成了桩架弯曲内力的大幅度增加，因此应力裕度不大，存在一定的结构安全隐患，也是打桩船在前倾状态下作业应该关注的问题。另外，除放置状态侧风与正风因受力面积区别较大外，风力方向对桩架以及船体结构的影响不大。

表1　桩架结构的应力（MPa）Tab.1　Stress of pile holder（MPa）

表2　象鼻和主船体结构的应力（MPa）Tab.2　Stress of trunk and ship structure

3　桩架起升状态模拟

3.1桩架起升状态

打桩船的桩架结构不仅需要承载作业载荷，同时桩架结构本身就存在结构复杂、质量庞大的特点。放置状态下桩架结构在中间部位由船体支撑，桩架起升时通过控制在油缸后支承点与船体连接的油压撑杆实现桩架整体的起升，桩架起升到一定高度后将桩架与油压撑杆的连接位置由油缸后支承点转换到油缸前支承点，并继续通过控制油压撑杆调整桩架姿态并进行作业，桩架起升支承点位置如图3所示。放置状态以及作业状态已经依据规范进行强度衡准，但是桩架起升时其自重对桩架结构以及船体结构都是一个巨大的挑战。因此，桩架起升瞬间的结构强度衡准也是相当重要的。

对桩架起升工况进行分析时，在船体结构模型后端面进行平断面假设并施加六自由度全约束，整个桩架只考虑自重载荷。

图3　桩架起升状态Fig.3　Lifting state of pile holder

3.2结果及分析

经过有限元数值模拟，桩架及船体结构应力见表3。

表3　起升状态的结构应力汇总（MPa）Tab.3　Stress distribution of tilting state（MPa）

显然，与打桩船规范要求下的放置工况以及作业工况相比，在桩架起升状态下，油压撑杆轴向应力远大于放置状态和作业状态，与油压撑杆相接的桩架结构的轴向应力和弯曲应力也都更大，油压撑柱附近的船体结构则由于需要支撑油压撑杆而出现了更大的应力分布。这是由于桩架起升时，桩架顶端离开船舶的支撑点，桩架自身庞大的重量对桩架底座结构产生很大的弯矩及剪力。因此，与桩架的作业状态相比较，桩架起升过程中更容易对油压撑杆连接处的桩架以及船体结构造成结构损伤，这是在结构设计中需要引起重视的。

4　结论

论文针对打桩船按照规范要求进行了放置状态、作业状态以及桩架起升状态的结构强度以及稳定性的数值模拟，可以得出如下结论：

（1）在作业状态下，桩架以及船体结构的强度符合规范要求，但是前倾作业状态下桩架结构、象鼻结构以及主船体结构的应力将大幅增加。因此，桩架前倾作业时的承载能力应该予以重点关注。

（2）起升状态下，桩架以及船体结构的强度以不符合规范要求，油压撑杆的轴向力较大，打桩船结构设计时还需要考虑主桩架状态改变对结构承载的影响。

在进行打桩船的结构规范设计以及强度衡准时，除按照规范执行外，更需要根据实际作业过程进行分析，并针对作业过程的各个环节来进行严格的安全管理。

［1］宋书博.打桩船桩架强度及稳定性校核计算［J］.船舶与海洋工程，2013（4）：29-34.

［2］支李峰，王国治.打桩船桩架载荷的模拟与结构加固［J］.江苏科技大学学报：自然科学版，2007，21（2）：20-24.

［3］王立军，韦家础，林平根.打桩船桩架及支撑结构的强度研究［J］.船舶工程，2008，30（3）：27-30.

［4］刘北辰.工程计算力学—理论与应用［M］.北京：机械工业出版社，1994.

Numerical Simulation of Structure Strength for Pile Driving Vessel

ZHANG Ji-ping，YANG Yang
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Strength of pile driving barge is studied.Finite element model of pile holder and supporting structure is built，and structure strength is simulated in different load cases according to the specification requirements，in which the loads include operation load，wind load，tilting load，and the dynamic load resulted from ship moving.What's more，thinking about the operation characteristic of pile driving barge，the strength of pile holder and supporting structure under lifting state is analyzed.Results show that structure strength of operation state and placement state meet the specifications，but structure strength of lifting state doesn't meet and high-stress phenomenon happens at pile holder and supporting structure.Such，during structure design and strength verification for working ship just as pile driving vessel，it is necessary to carry on strength analysis for different states around the whole working process to improve safety and reliability.The research is of great reference for structure design of the same type ship.

pile driving vessel；strength verification；tilting state；working state

U661.4

A

1008-830X（2015）04-0350-04

2015-01-10

质检公益性行业科研专项（201310111）

张吉萍（1978-），女，浙江金华人，博士研究生，研究方向：船舶计算力学.