62m水泥搅拌打桩船设计

惠红星

摘 要：近年来，随着海洋工程施工的需要，为适应港航事业的发展，对更高技术性能的打桩船的需求越来越大。本文设计建造的62 m打桩船为非自航水泥搅拌桩工程船，可在无限航区调遣和沿海航区作业。针对其主尺度、不同工况的稳性校核、船体结构、桩架结构设计及受力分析等主要性能进行了研究，解决了关键技术。

关键词：水泥搅拌打桩船；桩架结构；设计建造

中图分类号：U664.33 文献标识码：A

Abstract： In the last century， pile driving vessels manufactured in China were basically operated in the river and harbor scope with the weak driving ability. In recent years， with the more demand of ocean engineering construction adapt to the development of shipping industry， high-tech pile driving vessels are needed. This paper expounds the design and manufacture of 62m non self-propelled cement mixing & piling vessel， it can navigate in unrestricted navigation area and operate in coastal area. The main scales， stability check， hull structure， pile structure design and stress analysis of it are studied.

Key words： Cement mixing & pile driving vessel； Pile Holder Structure； Design and manufacture

1 前言

打桩船是在船舶主甲板的顶部或前部设有打桩桩架设备，用于水上打桩的工程船舶。近年随着海洋工程和港航事业的蓬勃发展，一大批辅助各类海上或港内的打桩工程船应运而生。这些打桩船根据作业海域、作业需求、作业方式不同又各有特点。但总体来说，桩架作业受力、稳性计算工况、整体结构强度都是打桩这类船能否达到预定目标的关键，也是在设计初期关注的重点。

2 船型及主要要素概述

2.1 船型概述

62 m打桩船为非自航水泥搅拌桩工程船，可在无限航区调遣和沿海航区作业。其稳性按照无限航区核算，结构强度按远海航区设计，主要设备按沿海航区配置[3]。并参照如下规范：中国船级社（CCS）2012《国内航行海船建造规范》、中华人民共和国海事局 2011 《国内航行海船法定检验技术规范》；另外稳性还按照IMO A.749（18）决议《关于 IMO 文件包括的所有船舶的完整稳性规则》对无限航区的有关稳性要求进行核算。

该船在设计过程中对桩架及相关结构进行了结构有限元分析，具备足够的强度和刚度。

2.2 主要尺度

3 总体性能设计分析

本船为了保证在各种作业工况下良好的浮态，在主甲板下左右前后均布置有淡水舱、燃油舱、平衡水舱和足够数量的压载调节舱，用以在不同状态时调整浮态。确保在各作业工况时，具有较小的横倾和纵倾，满足打桩要求。

该船稳性按照国际海事组织 A.749（18） 决议《关于 IMO 文件包括的所有船舶的完整稳性规则》的有关要求进行核算，主要核算6种工况，计算结果滿足规则要求，在作业时稳性仍有富裕。另外由于打桩船为非自航船，免除破舱稳性的核算要求。其设计干舷为1 132 mm，满足规则要求，且为富裕干舷船。

4 锚泊定位及作业设备

本船采用四点八字锚泊定位方式作为船舶作业定位和移船，首部右舷增设一台锚机备用，4台 20 t拉力绞车分别配 4 只 5 t波尔锚进行锚泊定位；另本船左右舷分别配有五对 A500 带缆桩、4 个 A 200 普通带缆桩和 1 个 B300 船用十字形缆桩。

本船主要作业设备为在甲板面FR32处设置供水泥搅拌和搅拌桩设备用的 25 t 拉力绞车、FR100 处设置 5 t 拉力绞车各 3 台。在露天甲板中部为支架架起的 3 个水泥罐，首部设置打桩船作业的A字架和3个桩架。

5 主要结构设计

5.1 船体结构强度

本船船体结构按《国内航行海船建造规范》（2012年）对远海航区驳船的要求进行设计，为钢质单底单甲板方驳，采用 CCSA 钢建造，全船外壳采用纵骨架式，横舱壁、纵舱壁采用扶强材形式。甲板骨架按 10 t/m2 压力进行设计。

5.2 桩架设计及结构强度分析

本船为特种用途船，为满足作业需要，在主甲板上设置 A 字架及三个桩架，依据《钢质内河船舶建造规范》（以下简称《规范》）、《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）及《钢质内河船舶船体结构直接计算指南（2002）》（以下简称《指南》）的相关规定和要求以及运营工况采用结构有限元方法进行直接计算分析。

（1）计算模型

按照舱段结构作三维有限元强度直接计算分析。模型中采用了以下几种单元：

板壳单元：模拟桩架中的加强围板等板壳结构（构件）。板壳单元大多采用四边形单元，在连接或变化较大处采用少量三角形单元过渡。

梁单元：模拟 A 字架支承杆及桩架角钢等。梁单元考虑各构件的实际截面和偏心。endprint

板单元大小以肋距和纵骨间距为基准，边长比控制在 1：3 以内；板结构上的开孔若小于单元尺寸，予以忽略；若开孔大于单元尺寸则安装其实际形状扣除相应的单元；梁单元依板单元的边建立，其大小与板单元相适应。

桩架的三维有限元计算总体模型如图1所示。

（2）计算工况

桩架强度按两个工况进行校核。

工况1：旁桩机距船舯 4 m；

工况2：旁桩机距船舯 4.8 m。

（3）计算载荷

本船在桩架强度计算时所考虑的载荷为自身重力和由吃水引起的静水压力，具体如下：

① 船体自身重力

取重力加速度为 9 810 mm/s 2 ，重力加速度的施加如图 2所示。

② 桩架支承动力头的受力

桩架的上端是桩架顶平台，钢丝绳通过桩架顶平台的滑轮组与动力头及桩杆顶部的滑轮组连接，动力头及桩杆的重力全部作用在水平梁的滑轮组中心。该重量以集中力的形式加在节点上，考虑最危险状况，计算重量按估算重量乘以 1.3 倍的值施加。实际动力头及桩杆重量为 92 t，在计算时动力头及桩杆计算重量取 120 t，并用该节点 MPC 关联桩架与顶平台的法兰连接处。受力图如图3所示。

（4）计算结果分析

本船桩架支承顶部的滑轮组，吊重 92 t 的动力头及桩杆，该桩架可等效为起重机柱分析其许用应力，等效应力按《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）3.10.7 强度衡准进行校核。各种工况下，构件的计算应力不大于其许用应力值，其中构件的许用应力值为材料的屈服强度除以相应安全系数。按工况较危险值校核，Q235钢的板单元的相当应力为235/1.43=164 MPa，剪应力为 235/2.5 =94 MPa，杆单元及梁单元的最大合成应力为235 MPa。计算结果表明各工况均满足强度要求。

6 主要设计特点

62 m打桩船作为特种水泥搅拌打桩船，其在设计过程中有以下特点：

（1）在船舶首尾设置足够容积的压载水舱，以满足船舶在各种工况时以及有无水泥时调整浮态；

（2）上层建筑、机舱、燃油舱以及淡水舱均设在尾部主甲板下，从而减小由于首部桩架和水泥重量引起的纵倾；

（3）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；

（4）采用改进桩架结构，提高桩架强度，减轻桩架重量、重心对船舶稳性的影响。

7 结语

62 m水泥搅拌打桩船作为特种打桩工作船，其设计方案具有较好的合理性和创新性，目前已顺利完成建造，不久将会服务于航道和港口的水泥搅拌打桩作业。

参考文献

[1] 马伟.100m打桩船桩架结构设计及分析[J].桥梁检测与加固，2011（01）.

[2] 于全虎，章庆生.128m打桩船的设计与研究[J].江苏船舶，2015（03）.

[3] 张鹏万.93.5m打桩船设计研究[J].船舶与海洋工程，2014（03）.

[4] 吴晓源，王一飞，李 辉.打桩船桩架结构强度有限元分析[J].计算机辅 助工程，2006（09）.endprint