某打樁船打樁架改造設(shè)計(jì)研究

李紅明

1 概況

對(duì)國(guó)外引進(jìn)打樁船的打樁架進(jìn)行加高改造，這在國(guó)內(nèi)還沒有先例。中港某航局下屬公司因業(yè)務(wù)需要，決定對(duì)其所有樁船的打樁架進(jìn)行改造。該船始建于20世紀(jì)70年代，主要尺寸及性能如表1所示。受業(yè)主委托，我們對(duì)該船進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，主要完成了以下幾個(gè)方面的工作:改造后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有限元分析，上部添加結(jié)構(gòu)——附架的設(shè)計(jì)，絲桿強(qiáng)度的校核等。改造后，業(yè)主所要求達(dá)到的指標(biāo)除表1所列外，尚應(yīng)滿足如下三個(gè)條件:

1)樁架加設(shè)附架后，能滿足前傾12°內(nèi)起吊能力達(dá)到80 t;

2)加設(shè)附架后，能滿足前后各傾25°時(shí)的打樁作業(yè)(按樁長(zhǎng)58 m，樁重60 t核算);

3)能在沿海三類作業(yè)區(qū)內(nèi)作業(yè)，承受六級(jí)風(fēng)力。此外，業(yè)主要求加設(shè)附架后，需繪制出12°～30°的起重曲線圖。

表1 改造前后船體的主要尺寸和性能

2 附架設(shè)計(jì)

綜合業(yè)主的要求，考慮船體現(xiàn)狀和施工技術(shù)要求，附架的作用主要是用于吊錘，其最危險(xiǎn)的工況發(fā)生在打樁時(shí)的溜樁狀態(tài)，因此在進(jìn)行附架設(shè)計(jì)時(shí)，分析了樁架前傾25°，樁架直立和樁架后傾25°三種位置溜樁時(shí)的內(nèi)力。

根據(jù)有關(guān)資料，確定溜樁時(shí)鋼絲繩的拉力為30 t。

圖1 附架結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖

圖2 強(qiáng)度校核的計(jì)算模型

設(shè)計(jì)采用同濟(jì)大學(xué)研制的鋼結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件3D3S。該軟件具備有優(yōu)良的有限元分析與設(shè)計(jì)功能，經(jīng)上海市科委鑒定，曾獲教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于3D3S是建筑鋼結(jié)構(gòu)專用軟件，參照文獻(xiàn)［1］修訂了計(jì)算參數(shù)。

考慮原有打樁架上部結(jié)構(gòu)的形式，通過分析研究，附架采用梯形截面桁架，結(jié)構(gòu)形式見圖1。

3 整體樁架強(qiáng)度校核

由于業(yè)主提供的樁八號(hào)的圖紙和其他原有設(shè)計(jì)資料不全面，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析，征得業(yè)主同意后，確定了有限元計(jì)算時(shí)采用不考慮原結(jié)構(gòu)材料疲勞、腐蝕的原始尺寸和性能數(shù)據(jù)的校核方案。

原樁架和附架的立柱以及原樁架的橫梁采用梁?jiǎn)卧溆鄺U件采用桿單元，共計(jì)127個(gè)單元，53個(gè)節(jié)點(diǎn)。支座為鉸節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型見圖2。

按照文獻(xiàn)［1］2.14的規(guī)定。結(jié)合業(yè)主要求，進(jìn)行了如表2所示工況的有限元分析:根據(jù)有關(guān)資料，確定溜樁時(shí)，鋼絲繩的拉力為30 t，船舶傾斜所產(chǎn)生的水平分力和風(fēng)力之和為15 t。載荷圖如圖3所示。

表2 強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核工況

圖3 工況荷載示意圖

原塔架在架設(shè)附架之后，最危險(xiǎn)的構(gòu)件所在位置各構(gòu)件的最大應(yīng)力與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比均不大于0.92，最危險(xiǎn)的構(gòu)件所在位置以及絲桿軸力見表3。

表3 各構(gòu)件的最大應(yīng)力比和絲桿軸力

4 起重曲線

由于本次改造之前，樁架已進(jìn)行過改造，前后在樁架頂部增加重量約30 t～40 t，樁架的起重能力有所下降。設(shè)計(jì)單位利用3D3S軟件，根據(jù)文獻(xiàn)［1］2.14的規(guī)定，設(shè)定各構(gòu)件的最大應(yīng)力與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比均不大于0.92，計(jì)算了樁架在前傾12°～30°之間每增加1.5°時(shí)樁架的最大起吊能力，并繪制了樁架的起重曲線，見圖4。起重曲線有限元分析結(jié)果見表4。

圖4 起重曲線圖

表4 起重曲線有限元分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外引進(jìn)的打樁船加高改造工程在國(guó)內(nèi)還是首次，通過本次設(shè)計(jì)和對(duì)加高后的整體打樁架的有限元分析，可以得出以下結(jié)論:

1)樁架結(jié)構(gòu)在改造后能夠滿足甲方指定打樁工況的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

2)樁架結(jié)構(gòu)在改造后，除前傾25°，吊60 t不能滿足以外，其余角度均能夠滿足甲方指定的起吊能力。

3)由于樁架進(jìn)行過多次改造，在樁架頂部增加重量約30 t～40 t，有限元計(jì)算結(jié)果表明，盡管樁架結(jié)構(gòu)在改造后能夠滿足甲方指定工況的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，但構(gòu)件的最大應(yīng)力與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比已等于或接近于0.92，余量很小。加上樁架已使用30余年，本次計(jì)算又未曾考慮原結(jié)構(gòu)材料疲勞、腐蝕。因此，在指定工況下，樁架幾乎已達(dá)到強(qiáng)度的極限。

4)經(jīng)過一段時(shí)間的使用，可以認(rèn)為附架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足各種強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求，達(dá)到了業(yè)主的要求。

［1］ 船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則——起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則［Z］.