128 m打樁船的設計與研究

于全虎，章慶生

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

128 m打樁船的設計與研究

于全虎，章慶生

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

近年來國內外海洋基礎設施的建設需要大量的專用打樁船，設計滿足當前港航基礎設施建設要求、綜合技術性能優(yōu)良的打樁船，同時為未來不斷適應港航事業(yè)發(fā)展，研究更高技術水準的打樁船積累經(jīng)驗是十分必要的。通過對128 m打樁船打樁系統(tǒng)主要性能、載荷情況以及主要設備技術參數(shù)的研究，解決了其中的關鍵技術問題。目前128 m打樁船首制船已成功投入使用，經(jīng)濟效益良好。

打樁船;樁架;打樁系統(tǒng);船舶設計

0 引言

我國海工建設裝備起步較晚，20世紀七八十年代國內自行建造的打樁船樁架高度普遍在36 m左右，樁架高50 m的打樁船全部是從日本進口的二手船。隨著我國沿海的開發(fā)，港口和碼頭建設、水上橋梁建設、海上風電安裝等工程的興起，中小型乃至大型打樁船已不能滿足需要，打樁船向超大型方向發(fā)展。本世紀以來，國內開始建造樁架高80～90 m的打樁船，國內已投入使用的樁架超過100 m的打樁船分別為100、108、110 m，目前樁架高度達到128 m的打樁船是亞洲樁架最高，打樁能力最強的超大型打樁船，也是國內第一艘無限航區(qū)的打樁工程船。128 m打樁船能施工直徑5 m，樁長超過100 m的鋼管樁，不但能用于建造更大的多管樁海洋工程基礎，而且可用大直徑的單管樁替代小直徑的多管樁海工基礎。

1 主要量度

128 m大型打樁船為鋼制、無限航區(qū)、非自航打樁工程船，滿足如下規(guī)范與法規(guī):

中國船級社《鋼質海船入級規(guī)范》(2006)及修改通報、中國船級社《非公約尺度船檢驗指南》(2001)、中國海事局《國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則》(2008)。

其主要量度如下:

型長 78 m

型寬 36 m

型深 6.2 m

設計吃水 3.2 m

2 打樁系統(tǒng)載荷分析

2.1 象鼻梁結構

象鼻梁結構、油缸支撐位及其所處船體結構承受了樁架起豎工作狀態(tài)下的全部力，因此必須采用ANSYS有限元軟件對128 m打樁船在各種載荷工況下的船體及象鼻梁結構進行三維模型計算與分析。由于船體及象鼻梁為軸對稱結構，因此只需建立一半模型。有限元分析模型如圖1所示。

圖1 船體及象鼻梁有限元模型

2.2 樁架

依據(jù)樁架設計結構參數(shù)及樁架運行工況條件，根據(jù)相應的規(guī)范計算128 m打樁船樁架各部位的應力分布以及最大應力發(fā)生的部位，以此為基礎對樁架結構包括支柱、頂架平臺、支座、油缸等進行強度驗算。

根據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》以及打樁船的作業(yè)范圍與條件，128 m打樁船的起升樁架應屬于近海遮蔽水域起重機類，樁架的結構強度計算應符合規(guī)范中近海用起重機的相關要求。

依據(jù)128 m打樁船的樁架(包括平臺、支柱、支座等)結構設計圖，利用ANSYS建立128 m打樁船整個樁架的有限元分析模型。建模中根據(jù)樁架的實際結構特點，分別采用了各種不同類型的單元及邊界條件。樁架的有限元模型如圖2所示。

在有限元建模的基礎上，根據(jù)打樁工況、樁重與錘重參數(shù)以及水文等條件，計算確定樁架的各種載荷，通過對樁架在各種組合載荷工況下的受力分析以及強度計算，得到樁架各部位的應力分布數(shù)據(jù)。

圖2 樁架的有限元分析模型

根據(jù)樁架的結構特點，在建立有限元分析模型時共采用了5種不同的單元:管單元、桿單元、板單元、型材單元與實體單元。主支柱采用管單元，龍口采用型材單元，支撐龍口的各橫梁采用管單元，樁架的各層平臺以及頂架平臺則采用了板單元，與液壓油缸相連的樁架后支座結構采用了板殼單元。

近海用起重機類的128 m打樁船的樁架載荷與普通起重機有所區(qū)別，需按特殊工況進行考慮。在128 m打樁船的樁架強度計算中考慮的載荷包括:起升載荷、風載荷、樁架自重、船舶傾斜載荷以及在起升與溜樁瞬時的樁架動載荷。樁架載荷示意圖如圖3所示。在樁架強度分析的有限元模型中，將以上載荷按不同的方向分別施加到不同的部位，并且設置支承部位(前后支座)的約束條件進行靜力學與動力學分析。

組合載荷=各分項載荷總和×作業(yè)系數(shù)1.20

圖3 樁架載荷示意圖

3 打樁系統(tǒng)性能

根據(jù)以上載荷及結構強度計算，128 m打樁船打樁系統(tǒng)主要性能參數(shù)如下:

樁架高 125.7 m(大平臺頂面至水面)

樁架最大起重能力 360 t(樁架前傾9°)

雙鉤2×180 t/單鉤360 t

主鉤起重能力 300 t

副鉤起重能力 150 t

樁架起重作業(yè)范圍 0°～12.5°

樁架打樁作業(yè)范圍 0°～12.5°

最大作業(yè)樁重 300 t

最大沉樁能力 110 m+水深

最大作業(yè)樁徑 Φ5 000 mm

倒樁方式 油缸二次倒樁

4 主要動力機械設備

128 m打樁船輪機部分及打樁系統(tǒng)所用機電設備眾多，結合船舶的功能性要求，通過計算得到各種設備的參數(shù)要求。主要動力設備配備情況見表1。

5 機械艙室布置

128 m打樁船主要A類機械艙室分為機艙和發(fā)電機艙，兩艙室通過左右舷的艙門溝通。發(fā)電機艙內設有集控室，可同時監(jiān)控機艙和發(fā)電機艙。油泵柴油機和作業(yè)發(fā)電機組位于機艙內，輔助發(fā)電機組位于發(fā)電機艙內。機艙和發(fā)電機艙布置見圖4。

表1 128 m打樁船主要動力設備參數(shù)

6 研究解決的關鍵問題及特點

128 m打樁船作為亞洲最大的新型超大型打樁船，研究過程中必然會遇到很多難點，其中需要解決的主要關鍵問題及特點如下:

(1)采用改進樁架結構，提高樁架強度，減輕樁架重量，改善樁架重量、重心對船舶穩(wěn)性的影響。

(2)充分研究、考慮了航道及港航工程對打樁船主體尺度的要求，如調撥航道上主要橋梁對倒樁高度的要求，目前以及未來一定時期內工程建設需要船舶的尺度及打樁、吊重能力。

(3)研究了樁架高度與船寬、穩(wěn)性的關系，使之科學合理。

圖4 128 m打樁船機艙和發(fā)電機艙布置

(4)研究樁架變幅和傾倒機構，降低倒樁后整船的拖帶高度，擴大船舶今后適用范圍和到達現(xiàn)場后的起樁架效率。以往的打樁船倒樁方式不盡合理，倒樁后高度較高，限制了使用區(qū)域。

(5)機電設備的配備科學合理，選用綜合技術性能優(yōu)良，價格合理的設備。

(6)上層建筑艙室的設計布局合理，功能滿足要求，工作生活環(huán)境方便舒適。

(7)電動裝置運用無級調速，提高效率。電氣控制系統(tǒng)采用變頻器控制，實現(xiàn)無級調速。同時，利用變頻器良好的軟啟動性能，解決對發(fā)電機的保護問題，另外還實現(xiàn)了輕負荷時的超速運行目標。

7 結語

128 m打樁船具有無限航區(qū)拖航能力，服務范

圍可遍及世界上大多數(shù)國家和地區(qū)。目前國內外樁架100 m以上的大型、特大型打樁船具有一定的稀缺性，128 m打樁船建造市場前景良好。128 m打樁船“雄程1”交船后即投入福州—平潭跨海大橋樁基建設工程，2號船也正在船廠加緊施工中，科研成果轉化優(yōu)勢明顯。

［1］ 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 中國船級社.非公約尺度船檢驗指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 中國海事局.國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］ 中國船級社.船舶及海上設施起重設備規(guī)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

特大型海洋工程打樁船的研發(fā)與制造，鎮(zhèn)江市新興產業(yè)科技專項(CY2011019)

2014-08-12

于全虎(1974—)，男，高級工程師，從事船舶動力裝置的科研與設計工作;章慶生(1964—)，男，研究員級高級工程師，從事船舶動力裝置的科研與設計工作。