打桩船定位桩底座关键结构强度有限元分析

崔彭飞， 张 剑， 顾梓桢， 孔志宏

(1.中交上海航道装备工业有限公司， 上海201208； 2.华润燃气(上海)有限公司， 上海201900；3.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江212003)

0 引 言

随着对海洋环境的不断探索，我国的海上工程建设逐渐兴起，海底石油开采、深水港建造、海上建筑物的规模越来越大型化[1-3]，随之而来的是桩基高度提升、质量加大，许多打桩船已经不能完成打桩作业，因此设计和制造适合海上作业的大型打桩船显得非常重要[4-5]。打桩船必须往更安全、更稳定的方向发展，其设计也需有所改变。对打桩船的改造并不是单纯地改变大小就能够满足要求的，桩架的调整会导致整个桩架自重改变，增加材料、增加成本，增加打桩船的吃水，增大桩架底座的压力。特别是对于海上作业而言，桩架在对桩进行导向时，会导致船体自身倾斜角度发生变化；在施工过程中，绝大部分时间打桩船的整体重心都比较靠近船体尾部，过大的桩架质量将会增加其中产生的惯性力，甚至有可能使打桩船倾覆；底部固定端强度较弱易使桩架断裂，承载力不够会造成作业施工时桩架无法起吊桩基的情况[6]。因此，打桩船在符合目前工程所需的各项安全指标的同时，须进行结构强度校核，保证底座安全，避免作业过程出现意外[7-8]。

型号打桩船在原有基础上进行改进和调整，吊机作为打桩船的主要设备，设置在艏甲板舷侧，起重重量为50 t。针对该打桩船船尾定位桩架底座结构，使用有限元软件[9-11]建立模型，对其强度进行有限元分析，并根据计算结果对结构强度进行校核，在计算过程中将外载荷转化为集中力作用在多点约束(Multi-Point Constraint, MPC)上 ，以此校核桩架整体结构的稳性及强度[12-14]。

1 有限元模型

1.1 舱段有限元模型建立

目标船为海上打桩船，全船总长143 m、型宽46.4 m、型深10.8 m，共248个肋位，船尾至#48肋位为定位桩安装部位，船体总布置图如图1所示。对船体艉部#104肋位的舱段结构进行分析，舱段布置如图2所示。

图1 船体总布置图

图2 舱段布置图

根据舱段基本结构图，利用有限元软件建立模型：各船体结构采用板、梁单元进行模拟；船体的壳板结构、甲板、强框架和桁材等高腹板采用板壳单元模拟；曲面船壳板采用平面板单元模拟；扶墙材采用梁单元模拟。有限元计算模型共有453 307个节点，578 294个单元，如图3所示。

图3 舱段整体有限元模型

1.2 边界条件

船体是一个漂浮物体，处于平衡力系之下，但其上没有对刚体运动的约束。有限元位移法分析要求结构的刚体运动可被支座控制，以便于计算结构受力时的相对变形。为此须对浮动船体施加适当的约束，确保船体不做刚体运动，同时又不限制船体变形，使全船结构的受力不受影响，这样求出的相对变形与应力才真实可靠。有限元模型受到的载荷通过MPC单元施加到船体上，即在定位桩底座与主甲板相交平面的中心特定位置建立一个独立点，将其与其他节点相关联，并对独立点施加集中力，主甲板受力图如图4所示。建立的有限元模型范围大于规范要求的吊机支撑结构范围，对#104肋位剖面约束所有自由度，即3个方向的位移约束和3个方向的转动约束，具体如图5所示。

图4 主甲板受力图

图5 模型边界条件

2 计算载荷与计算工况

2.1 计算工况

根据稳性计算中的工况，目标船分为作业和航行两种计算工况。考虑到危险工况，校核全部燃料备品作业和全部燃料备品航行工况下定位桩底座加强结构的强度。航行时4根定位桩与抱桩架脱离，船舶结构主要受到横向作用力Fy、纵向作用力Fx和垂向作用力Fz的作用。

作业时考虑桩腿安装完毕但未打桩入泥状态。在安装定位桩后，船舶结构受到定位桩的作用力包括：(定位桩+抱桩架)重量载荷G、定位桩浮力Ff、风载荷Fq、海流力FD。

2.2 计算载荷

根据设计方提供的资料， (定位桩+抱桩架)重量载荷G为20 601 kN； 依据CCS《海上拖航指南2011》 附录一的相关规定，被拖船(物)上的载荷按下列公式计算。

(1) 横向作用力

作用在平行于甲板上的作用力Fy计算式为

Fy=MAy+Fq+Fw

(1)

Fq=Cq·Aq

(2)

Fw=Cw·Aw

(3)

式(1)～式(3)中：M为抱桩架质量，根据设计方提供资料，M为900 t；Fq为风作用力；Fw为海水飞溅力；Cq为系数，取0.736 kN/m2；Aq为货物侧向投影面积，取162.5 m2；Cw为系数，取1 kN/m2；Aw为距干舷甲板以上2.0 m范围内侧向投影面积，取162.5 m2；Ay为横向加速度，计算式为

(4)

式中：rφ为货物横向重心至水线处假定的旋转中心距离，根据设计方提供资料取5.8 m；βy为货物重心与中纵剖面和水线交点处夹角，由于抱桩架重心在中纵剖面，其取值为0°；φ0为最大横摇角，根据设计方提供资料取15°；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Tφ为横摇周期，计算式为

(5)

式中：hGM为初稳心高度；B为船宽。

计算得Tφ=9 s;Ay=2.54 m/s2；Fw=162.5 kN;Fq=119.6 kN；Fy=2 568.1 kN。

(2) 纵向作用力

作用在平行于甲板上的作用力Fx计算式为

Fx=MAx+Fq+Fw

(6)

式中：Ax为纵向加速度，计算式为

(7)

式中：rφ为货物纵向重心至水线处假定的旋转中心距离，根据设计方提供资料取51.1 m；βx为货物重心与中横剖面和水线交点处夹角，根据设计方提供资料取83.45°；Tφ为纵摇周期，按10 s取值；φ0为最大纵摇角，根据设计方提供资料取5°。

计算得Ax=1.05 m/s2；Fx=1 227.1 kN。

(3) 垂向作用力

作用在平行于甲板上的作用力Fz计算式为

Fz=M(g±a)

(8)

式中：a为垂向加速度(不必大于3 m/s2)，计算式为

a=3.75 e-0.003L

(9)

式中：L为整船长度，取143 m。

计算得a=2.46 m/s2；Fz=11 043 kN。

(4) 风载荷

风荷载的大小受风速影响，风压计算式[13]为

Fq=CkA

(10)

k=0.613×V2

(11)

式中：C为风载荷系数，取1；V为风速，取13.8 m/s；A为侧面投影面积，取175 m2。

桩架杆件上的风荷载在计算时也使用式(10)和式(11)计算，但风载荷系数C的取值可能会不同，桩架杆件在受风力作用时，部分构件会遮挡风力，此时需考虑遮挡折减系数，但在有限元计算中，如果所有被遮挡的构件都考虑折减系数，会增大计算量，而且在施加载荷时会增加加载时间，与有限元结构计算的初衷不符，因此此处不考虑，使所有构件均承受完整的风力，这样也相当于为结构强度增加了一个安全系数。

根据计算可得Fq=20.4 kN。

(5) 定位桩浮力

Ff=Vp·g·ρ

(12)

式中：Vp为定位桩排开水的体积；ρ为海水密度。

根据计算可得Ff=1 537 kN。

(6) 海流力

(13)

式中：CD为垂直于构件轴线的曳力系数，取1；ρ为海水密度，取1.025 kg/m3；VD为海流速度，取0.77 m/s；SD为单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，取398.7 m2。

根据计算可得FD=121.1 kN。

(7) 弯矩

根据稳性计算书，风压重心距主甲板作用点高度为4.2 m，海流力作用于主甲板作用点高度为-13.9 m，由风载荷和海流力产生的弯矩为

M=1 769.01 kN·m

(14)

三向弯矩为(0，1 769.01，0)kN·m。

以航行状态为例，模型底部为载荷加载状态，具体如图6所示。

图6 模型载荷分布

3 有限元计算及结果分析

根据资料，所受载荷作用在MPC点上，经计算分析得出定位桩底座及底座横隔板在不同工况下的应力结果如表1所示，计算过程中安全因数取1.33。在打桩船航行时，桩架放置于托架之上；在打桩船作业时，桩架处于植桩状态。

表1 不同状态下应力汇总结果 MPa

利用有限元分析软件对结构模型进行求解，得到底座加强结构的应力、受力分布和两种工况下底座加强结构的应力云图。舱段、底座及底座横隔板应力云图如图7～图10所示。为更直观地反映载荷作用在定位桩底座上产生的应力，读取结果时为避免边界条件对结果的影响，对原有限元模型进行适当的结构隐藏，具体显示模型范围为船尾至#48肋位。

图7 航行状态下舱段相当应力云图

图8 作业状态下舱段相当应力云图

图9 航行状态下底座及底座横隔板等效应力云图

图10 作业状态下底座及底座横隔板等效应力云图

在航行状态下，由图7和图9可知：舱段的最大应力位于797097号节点，大小为318 MPa；受约束条件、舷外水压力以及建模简化等因素的影响，模型角隅及个别缺失型材的舷侧产生应力集中现象，选择底座区域进行相应简化之后，底座最大应力点位于#44肋位处，大小为85.9 MPa，小于所使用的高强度钢材的许用应力(267 MPa)；航行状态下相应肋位处横隔板及纵舱壁最大应力位于617894号节点，大小为49.1 MPa，小于所使用的Q345E材料的许用应力(176 MPa)。

在作业状态下，根据图8和图10可知：舱段的最大应力点位于797097号节点，大小为286 MPa；底座最大应力点位于#44肋位处，大小为125 MPa，小于所使用的高强度钢材的许用应力(267 MPa)；相应肋位处横隔板及纵舱壁最大应力位于538490号节点，大小为80.2 MPa，小于所使用的Q345E材料的应力许用(176 MPa)。

4 结 论

利用有限元软件建立打桩船定位桩底座加强结构的有限元模型。利用板、梁、MPC 等不同类型的有限元单元模拟底座、底座横隔板等主要构件结构，得出并分析底座加强结构在航行和作业工况的结构应力，得出应力云图，并进行强度校核。经分析可知：底座加强结构产生的最大应力主要集中在主甲板与定位桩底座相交的平面上，且两种工况下结构产生的最大应力均不超出材料的许用应力；底座加强结构各构件的应力均满足规范要求，加强结构的强度足以保证安全作业。这表明打桩船定位桩底座加强结构设计合理，其强度与稳性满足CCS入级要求。