93.5m打樁船設計研究

張 鵬 萬

（原上海船舶研究設計院海工部，上海 201203）

0 引 言

93.5m打樁船是上海船舶研究設計院海工部在 21世紀初為滿足沿海大型工程需要而研發設計的超大型打樁船之一，是目前國內同類型打樁船中，作業能力最大，技術性能最先進的打樁船，并以其優異的作業性能和性價比受到用戶的青睞。

1 概 述

1.1 船型

打樁船為非自航箱型船，在沿海作業（蒲氏風級7級，水流速≤3.0m/s，有義波高H1/3=0.8m），無限航區調遣。GPS定位，自動化程度高，配備大型變幅油缸變幅和全船液壓系統移船和作業。設計過程中進行了耐波性和錨系泊力的分析。全船建模，對樁架、象鼻梁和主船體進行有限元分析，具有足夠的強度和剛度。按CCS國際船舶要求入級，具有起重設備證書。船舶的主尺度見表1。

表1 船舶主尺度

1.2 總體布置

打樁船的總體布置見圖1、2。

圖1 打樁船樁架

圖2 打樁船平面

2 縱傾及穩性

主甲板下左右前后均布置有淡水艙、燃油艙、橫傾水艙和足夠數量的壓載水艙，調整浮態。

2.1 縱傾

作業工況時，均無橫傾和艏傾，滿足植樁要求。

2.2 穩性

該船B/H＞3.0（為5.385），作業穩性按“國內航行海船法定檢驗技術規則”對起重船要求計算；拖航時完整穩性按“國際航行海船法定檢驗技術規則”對近海供應船要求計算[1]，并由CCS上海審圖中心上報國家海事局批準。本船穩性校核12種工況：

工況 01 100%油水，樁重120t，作業（樁架直立）；

工況 02 10.0%油水，樁重120t，作業（樁架直立）；

工況 03 100%油水，吊重200t，作業（樁架前傾8°）；

工況 04 10.0%油水，吊重200t，作業（樁架前傾8°）；

工況 05 100%油水，避風（樁架放倒）；

工況 06 10.0%油水，避風（樁架放倒）；

工況 07 設計吃水t=2.60m，100%油水，無限航區調遣（樁架放倒）；

工況 08 設計吃水t=2.60m，10.0%油水，無限航區調遣（樁架放倒）；

工況 09 滿載吃水t=2.86m，100%油水，無限航區調遣（樁架放倒）；

工況 10 滿載吃水t=2.86m，10.0%油水，無限航區調遣（樁架放倒）；

工況 11 滿載吃水t=2.86m，100%油水，無限航區調遣，結冰（樁架放倒）；

工況 12 滿載吃水t=2.86m，10.0%油水，無限航區調遣，結冰（樁架放倒）；

計算結果滿足法規要求，在作業時穩性有富裕。

由于打樁船為非自航船，按SOLAS公約“國際海上人命安全公約”免除破艙穩性計算[2]。

3 船體結構

船體的主要構件遵照中國船級社“鋼質海船入級規范”[3]及最新修改通報的有關要求，參照規范對起重船（或駁船）的要求進行設計。

打樁船為單甲板、全焊接鋼質非自航工程船[4]。主船體設四道全通的水密橫艙壁和兩道貫通艏、艉的水密邊縱艙壁。主船體上甲板、船底、舷側及邊縱艙壁均采用縱骨架式，強框架的間距不大于4檔肋距。機艙區域兩縱艙壁間設置雙層底，其高度為1.0m，隔檔設置實肋板。由于主船體采用了縱骨架結構形式，具有足夠的總縱強度。甲板室采用橫骨架式。橫艙壁為垂直扶強材加水平桁的橫骨架結構形式。在船體主要受力區域和受有集中力的構件及應力復雜區域進行強度校核并作局部加強。

4 移船定位設備

4.1 錨機及錨絞車

該船采用多點錨泊系統作為船舶作業定位和移船。在上甲板的左、右舷設置液壓移船錨絞車，每舷各5臺，其中1臺組合式錨機布置在左舷艉部，錨絞車可在操縱室集控，以實現船舶移位和定位集控；也可在機旁就地控制，進行單機拋錨起錨以及檢修調試。

表2 主要技術參數

10臺移船錨絞車由液壓馬達、減速機構、卷筒裝置、剎車裝置、離合器、機架和底座組成。結構合理緊湊、承載能力大、傳動平穩、安全可靠、維護保養方便。卷筒出繩方向為下出繩。配置帶式制動器和離合器。剎車和離合器均采用液壓缸控制，并可手動應急操作。

錨絞車的液壓傳動和控制系統包括：絞車液壓馬達、絞車控制閥組（件）、液壓動力源（泵站）。設置必要的油液過濾、加熱冷卻、過載保護和安全報警等設備。操縱閥組具有換向調速功能，可以配置全液壓或電控方式。采用電控時，配套電控設備適應船舶環境條件。可在集控室遙控，以實現船舶移位和定位集控；也可在機旁就地控制，進行單機拋錨起錨以及檢修調試。

4.2 航行錨及鏈

按“規范”舾裝數要求配備C型6t霍爾錨1只，配AM2 φ68mm錨鏈、GB/T549-1996有檔電焊錨鏈1根，長285m；拖航調遣應配備的2個艏錨用艏部作業定位錨替代，并配有短錨鏈。另需配備2根φ44mm、破斷拉力和長度都能滿足“規范”要求的高強度鋼絲繩索作為航行錨索。

4.3 拖索及系泊索

拖索1根，鍍鋅鋼索6×37－1670，直徑φ44mm，長度220m，破斷負荷1030kN；系泊索八股高強丙綸繩，直徑φ48，長度200m，4根，破斷負荷336.5kN。鍍鋅鋼索 6×37－1670，直徑φ24mm，長度200m，5根，破斷負荷280kN。

5 設計分析

5.1 整船線型

根據船舶重量分布，艏部有樁架及樁，雖然船后部有甲板室及機艙，但機艙位置較前，其重量也較輕，全船重心仍偏舯前較多，故在線型設計時把浮心往前移，結合考慮減搖等情況。整船的線型有以下特征：1) 艏部為圓弧形平底，弧長較短，改善船舶拍擊，使浮心前移；2) 艉部采用較長的弧形平底；3) 船舶橫剖面為直角舭部，增加橫搖阻尼；4) 甲板梁拱高0.3m，使流水、泄水通暢；5) 艉部設兩道分水踵，使船在拖航中較穩定，既減搖又減少左右擺艉，有利于拖航。

5.2 總布置特點

1) 艏艉設置足夠容積的壓載水艙，以滿足船舶在各種工況時調整浮態；

2) 機艙及燃油艙設在艉部（主甲板下），減小由于艏部樁架重量引起的縱傾；

3) 主甲板按功能和作業要求，相對集中布置幾個區域：艏部為樁架作業區域，舯部為移船和樁架作業絞車設備區域。三層甲板室布置在艉部，第一層為船員生活服務區域，第二層為船員居住區域，第三層為船舶操縱指揮區域，各層甲板室均設內部梯道；

4) 按國際航行船舶“船員艙室設備”和入級要求，調整艙室設備的布置，設有高級船員會客室、醫務室和烘衣間等并配置相應設備。

5.3 移船定位錨泊設備

打樁作業時采用多點錨泊實現移船和定位，錨泊系統的性能至關重要，在設計中對超大型打樁船錨泊系統在外界風、浪、流環境載荷作用下受力的極限進行計算，為錨泊系統設計、分析和校核提供依據。

5.3.1 環境條件與環境力

環境條件：

風力： 7級（蒲氏風級）

風速： 15.48m/s

流速： 3m/s

有義波高： H1/3= 0.8m

波浪周期： T = 4.0s

按最惡劣的風、浪、流的方向組合共向情況進行計算，共選擇了12種典型的環境條件（見表2）。

表2 錨泊系統計算結果匯總

5.3.2 作業錨和錨索

采用改進型海軍錨為作業錨，與常規海軍錨比較，橫桿適當減小，錨桿加粗，錨冠加大，錨重增加，經改進有助于克服上拔力，增加與泥沙的接觸面，提高錨抓力。

作業錨索選用6×37-1671、φ44mm鋼索，端部加配長度12.5～15m，AM2 φ68mm錨鏈，并配有轉環卸扣與錨連接，增強了錨抵抗上拔力的能力，使錨較易入土，提高錨爪力。

6 樁架設計

根據設計任務書要求，參照母型船舶選取樁架主結構的主要參數，采用樁架、象鼻梁、主船體三部分建模。用有限元法進行強度分析。樁架為三角形桁架結構（整體式），樁架頂部設置吊錘平臺、起重平臺。樁架共有11層平臺，主舷桿采用DH36高強度直縫管。

6.1 計算模型

包括樁架、象鼻梁及主船體3部分，其中主船體部分從FR0到FR106（在上甲板的甲板室相應區域內以節點質量的形式替代計入）。

有限元模型包括船體的主要構件及樁架的主要桁架結構，如甲板、船底、舷側和艙壁結構等。計算模型的甲板板、舷側板、船體外板、艙壁板以及肋板、強橫梁、強肋骨、縱桁、水平桁及龍骨的腹板等均模擬為4節點或3節點板單元，普通肋骨、橫梁、縱骨、高腹板梁的面板以及樁架結構等均模擬為2節點梁單元。

6.2 構件尺寸和材料特性（見表3）

表3 樁架主要構件尺寸

物理參數為楊氏模量E=2.06×105/N/mm2；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85×10-9/t/mm3。

6.3 計算工況

根據CCS《船舶與海上設施起重設備規范》（以下稱“起重設備規范”）的要求，參照《各種裝載情況穩性計算書》，采用有限元法分析和計算3種作業狀態的不同工況：

1) 無風作業狀態。工況1，樁架直立吊樁120t；工況2，樁架前傾8°，最大吊重200t；工況3，樁架后仰69°位置起立；

2) 有風作業狀態。工況1，樁架直立吊樁120t；工況2，樁架前傾8°，最大吊重200t；工況3，樁架后仰69°位置起立；

3) 樁架放置狀態。根據“起重設備規范”3.2.11.1中的要求，在樁架放置狀態下，結構承受兩種情況的組合力：工況1，垂直于甲板的加速度1.0g；前后方向平行于甲板的加速度0.5g；靜橫傾30o；風速55m/s；工況2，垂直于甲板的加速度1.0g；橫向平行于甲板的加速度0.5g；靜橫傾30o；風速55m/s。

6.4 計算載荷

6.4.1 主船體載荷

1) 空船重量2601.4t；2) 壓載水艙內壓載水壓力（壓載水高度見《各種裝載情況穩性計算書》）；3) 舷外水壓力（吃水高度見《各種裝載情況穩性計算書》）。

6.4.2 樁架載荷

1) 自重載荷樁架結構重量270t；

2) 吊重（起升）載荷大小見計算工況中所述。以節點質量的形式施加于吊樁平臺前端的吊點上。吊重載荷作為樁架起升載荷的一部分。

3) 風載荷根據“起重設備規范”3.2.12.1，有風作業狀態下風速為20m/s（大于蒲氏風級7級風時的風速），風壓值為245.2Pa，有效受風面積為214.85m2，故風壓力為5.268×104N；放置狀態下風速為55m/s，風壓值為1854.325Pa，故風壓力為3.984×105N。

6.4.3 船舶傾斜產生的分力

該船可以在沿海或相當于沿海海況的水域作業，對應海況等級1級，作業時船舶橫傾5°、縱傾2°。船舶傾斜產生的分力以重力加速度 g按垂直于甲板方向和平行于甲板方向分解：aL=0.035g，aT=0.087g，aV=0.996g。

該船作業狀態下樁架上的載荷及載荷組合為：

(1) 樁架上的自重載荷；

(2) （起升載荷＋船舶傾斜（橫傾與縱傾）所產生的起升載荷水平分力）×φh；

(3) 由船舶傾斜（橫傾與縱傾）產生的自重載荷水平分力；

(4) 風載荷。

組合載荷為：

無風作業狀態：（(1)＋(2)＋(3)）×φd；

有風作業狀態：（(1)＋(2)＋(3)）×φd+(4)。

上述中：aL——船舶傾斜產生的平行于甲板的縱向加速度；

aT——船舶傾斜產生的平行于甲板的橫向加速度；

aV——船舶傾斜產生的垂直于甲板的加速度；

g——重力加速度，g＝9.81m/s2；

φd——作業系數，取φd=1.20；φh——起升系數，按下式計算：

式中：φw——波浪系數；

該船在無風作業狀態下，按H1/3=0.8m的海況，求得φw＝9.22；在有風作業狀態下，參照海況等級為2～3級，查得φw＝13.7；

式中：K——起重機系統的剛度，N/mm；Ql——起升載荷，N。

計算得： 無風作業狀態下φh=1.3555；有風作業狀態下φh=1.6109。

6.5 強度衡準

6.5.1 船體結構和象鼻梁結構

參照“起重設備規范”3.10.7，船體結構構件應力衡準。

6.5.2 樁架結構[5]

根據“起重設備規范”3.2.16中所述，樁架結構構件的許用應力為：

式中：σs——鋼材屈服強度，N/mm2；

n——安全系數，按“起重設備規范”表3.2.16.1選取；

β——系數，按“起重設備規范”表2.3.5選取，對于普通鋼β=1.0，對于H36高強度鋼β=1.018。

在不同狀態下，樁架結構構件許用應力值見表4～6。

表4 無風作業狀態，安全系數取為n=1.50的許用應力 單位：N/mm2

表5 有風作業狀態，安全系數取為n=1.33的許用應力 單位：N/mm2

表6 樁架放置狀態下，安全系數取為n=1.15的許用應力 單位：N/mm2

6.6 計算結果

經計算，樁架前弦桿梁及后弦桿梁的單元應力最大值都滿足規范要求（見表7、8）。

表7 樁架前弦桿梁單元應力最大值（H36高強度鋼） 單位：N/mm2

表8 樁架后弦桿梁單元應力最大值（H36高強度鋼） 單位：N/mm2

7 結 語

93.5m打樁船系國內自行設計和建造的超大型打樁船之一，具有獨立的知識產權，榮獲上海市 2005年重大科技進步三等獎。至今該系列超大型打樁船共建造13艘，為沿海工程建設作出了貢獻。

[1] IS Code[S]. 2008.

[2] SOLAS Consolidated Edition[S]. 2009.

[3] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4] 工程船舶設計基準[M]. 工程船舶設計基準翻譯小組. 北京：國防工業出版社，1977.

[5] 宋書博. 打樁船樁架強度及穩定性校核計算[J]. 船舶與海洋工程，2013, (4): 29-33.