打樁船樁架強度及穩(wěn)定性校核計算

宋 書 博

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

打樁船樁架的工作過程受船舶運動、工作擺角、風向等因素影響，在分析過程中對此要予以充分考慮。同時樁架結(jié)構(gòu)復雜，工況繁多，載荷多樣，因此在建立模型的過程中，每個細節(jié)都要仔細推敲，以確保分析正確。

1 計算模型

根據(jù)該船樁架的工作特點，將樁架主架、吊樁平臺、樁架副架和吊錘平臺組合建立有限元模型[1]。模型中平臺結(jié)構(gòu)采用四邊形或三角形板單元，樁架結(jié)構(gòu)采用兩節(jié)點梁單元。在個別連接位置采用多點約束單元。

對樁架進行分析之前，需要檢查模型的質(zhì)量分布。由于樁架上的設備較多，要將各分布質(zhì)量合理有效地加載到模型中，計算根據(jù)各分布質(zhì)量的具體形式選擇不同的加載方式，如質(zhì)量點加載、集中力、均布力，還通過改變部分桿件的密度調(diào)節(jié)其重量及分布，從而使計算模型的重量分布和樁架在非工作狀態(tài)時的重量分布一致。

本文主要討論桁架式結(jié)構(gòu)的校核，有限元模型見圖1。

圖1 樁架有限元模型

2 載荷工況

詳細分析樁架在海上作業(yè)時的每種工況所受載荷及約束條件后，選擇幾個比較危險的狀態(tài)進行分析。本文選取樁架實際工作過程中的幾個特定擺角、特定吊重情況下的起吊工況、倒架工況和通航放置工況進行分析。

2.1 作業(yè)條件

該打樁船樁架作業(yè)于港區(qū)或遮蔽水域。在此水域內(nèi)，船舶在波浪作用下無明顯的運動，并在風力不大于蒲氏2級所定義的海況[2]。其作業(yè)條件為：

1) 船舶橫傾 5°、縱傾 2°；

2) 大氣環(huán)境溫度為–10～+40℃；

3) 風速不超過20m/s，相應風壓不超過250Pa；

4) 起重載荷處于靜止狀態(tài)；

5) 起重作業(yè)的性質(zhì)與所規(guī)定的因素載荷相一致；

6) 作業(yè)系數(shù) φd=1.05；

7) 起升系數(shù) φh=1.10。

2.2 載荷組合

船舶在海上作業(yè)，作業(yè)海況將直接影響到樁架的強度。在實際計算中，在吊重工況下須考慮船體橫傾縱傾的耦合作用；在拖航狀態(tài)下還要考慮船舶運動加速度的影響。

根據(jù)船舶的作業(yè)條件，考慮以下3種載荷組合[2]：

1) 樁架工作處于無風狀態(tài)，考慮的載荷有：(1) 自重載荷；(2) （起升載荷＋船舶傾斜所產(chǎn)生的起升載荷水平分力）×起升系數(shù)hφ；(3) 由船舶傾斜產(chǎn)生的自重載荷水平分力。組合載荷為：[(1)+(2)+(3)]×作業(yè)系數(shù)φd；

2) 打樁樁架工作處于有風狀態(tài)，應取的組合載荷為無風狀態(tài)下所述的組合載荷加上最不利的風載荷：(1) 作用在自重載荷上的風壓為 250Pa；(2) 作用在起升載荷上的風力按每 9.8kN安全工作負載的風力為300N；

3) 打樁樁架處于放置狀態(tài)，應取下述載荷的組合：(1) 船舶升沉加速度為±1.0g；船舶縱蕩加速度為±0.5g；靜橫傾 15°；風速 55m/s，作用于前后方向；(2) 船舶升沉加速度為±1.0g；船舶橫蕩加速度為±0.5g；靜橫傾15°；風速55m/s，作用于橫向。

2.3 計算工況

2.2節(jié)分析了3種載荷組合（無風狀態(tài)、有風狀態(tài)和放置狀態(tài)）下的受力情況。現(xiàn)計算樁架工作在四個不同角度時的樁架強度，共有10種工況。各工況如圖2和表1所示。

圖2 工況

表1 計算工況

3 強度計算

3.1 許用應力

由相關的桁架結(jié)構(gòu)強度規(guī)范[2～4]可知，桁架桿件的許用應力[]σ按式（1）計算：

式中：σs——材料的屈服強度，MPa；n——安全系數(shù)，無風狀態(tài)n=1.5；有風狀態(tài)n=1.33；放置狀態(tài)n=1.15。

3.2 強度校核

各工況下樁架應力如表2所示。從計算結(jié)果可知：該樁架的強度滿足要求。

表2 各工況應力 N/mm2

4 桿件穩(wěn)定性計算

桁架式結(jié)構(gòu)桿件穩(wěn)定性計算是一個非常繁瑣的過程，由于樁架結(jié)構(gòu)桿件眾多，如果對每根桿件一一計算校核應力，工作量相當巨大。所以，選擇一套簡單有效的校核方法非常重要。

4.1 校核方法

在建模之初對結(jié)構(gòu)桿件進行分組，同一類規(guī)格的構(gòu)件分為一組。利用構(gòu)件最大的長細比計算臨界應力σcr，之后通過有限元的工具提取同一組所有構(gòu)件在同一工況下的相關最大應力值，并對此類構(gòu)件進行校核，如其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，則此類型所有構(gòu)件穩(wěn)定性滿足要求；如不滿足，則選取應力最大的構(gòu)件，按其長細比計算其臨界應力及安全系數(shù)，并校核。依此類推對其他各組構(gòu)件進行校核，使計算變繁為簡，大大節(jié)約時間。

4.2 校核標準

同時承受壓力和彎曲的構(gòu)件，應按式（2）應力衡準校核穩(wěn)定性[2～4]。

式中：mσ——構(gòu)件承受的彎曲應力，MPa；sσ——材料的屈服強度，MPa；cσ——構(gòu)件承受的壓應力，MPa；crσ——構(gòu)件承受的臨界應力，MPa；由構(gòu)件的長細比和截面形狀決定。

4.3 校核結(jié)果

從校核結(jié)果（見表3）可知，所選擇的構(gòu)件能夠滿足穩(wěn)定性要求。

表3 穩(wěn)定性校核結(jié)果

4.4 應力云圖（見圖3、4、5）

圖3 桿件φ500×10的軸向壓應力云圖

圖4 桿件φ500×10的x向彎曲應力云圖

圖5 桿件φ500×10的y向彎曲應力云圖

5 結(jié) 語

采用有限元計算了海上打樁船樁架的強度和穩(wěn)定性。在計算過程中，準確模擬船舶在工作和拖航期間的運動狀態(tài)和受力情況，分析了影響樁架強度的各個影響因素，對結(jié)構(gòu)進行有效的評估，并為桁架式結(jié)構(gòu)強度的校核提供了一種方法。

[1] 孫麗萍. 船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2004.

[2] 中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設計使用手冊（結(jié)構(gòu)分冊）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[4] 陳有芳，徐 立. 船舶結(jié)構(gòu)強度直接計算分析中應力的選取[J]. 武漢理工大學學報，2004 (2).