基于實際工程替打樁安裝設計流程介紹

秦一楠

摘 要：本文基于實際工程，詳細介紹了海洋工程中替打樁安裝設計流程，此設計包括可打入性分析、自由站立分析及替打段設計分析。替打樁安裝設計的特點是涉及相關方多、設計過程多、各項工作相互聯系制約。鑒于上述特點，建議全面考慮、統籌兼顧，采用螺旋方式穩步推進工作，以實現替打樁安裝既安全又經濟的目的。

關鍵詞：海洋工程； 替打樁； 可打入性分析； 自由站立分析； 替打段設計分析

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0074-04

海上平臺、單點系泊、海上風電的固定及在海中臨時結構物的搭設都需要用鋼管樁進行固定。基于生產、技術、實用、安全、生態、環保要求，需要將整根樁打入泥面以下甚至更深處。這對海上樁基的安裝提出更高要求：在常規鋼樁安裝設計的基礎上增加替打段設計，滿足工程需要。

海洋工程結構復雜、體積龐大、造價昂貴，且其所處的海洋環境惡劣。要實現海上施工即安全又經濟，有必要對海上樁基安裝過程進行細致、詳細、全面的設計分析，用于指導現場施工。最終保證工程安全順利實施，同時降低工程費用。

本文將結合海外工程項目——西非海管及單點安裝項目，詳細介紹替打樁設計流程，借此同廣大海洋工程界同行分享經驗、交流思想，以達到促進海洋工程技術發展，為我國海洋工程走出去盡一份微薄力的目的。

1項目數據簡介

根據材質、樁徑、樁長、壁厚、設計入泥深度等，此項目的50根樁可分為三種，一種樁為例，其數據如下：樁徑1372 mm，樁長20 m，設計入泥深度20 m，壁厚30-40 mm，材質DH36。

根據現有施工條件，選用MHU 150S 錘作為主打錘，IHC S90錘作為備用錘，參數如下：

海況數據如下：

（1）波浪數據： Hmax = 4.5 m，Tass = 13.0 sec。

（2）流速采用95%概率不超過的月最大數據：表層流速Uso = 0.42m*s-1，中層流速Umid = 0.36 m*s-1，底層流速Ubot = 0.14 m*s-1。

（3）水深：Dw = 23.1 m。

2可打入性分析

此分析是驗證所使用安裝設備，在樁體強度不破壞情況下、滿足規范拒錘標準要求下能否將樁安裝到位。美國石油協會（API）給出的拒錘標準是：不能超過300次/英尺[2] [6]。

2.1主要原理及公式

可打入性分析計算原理是先通過各段樁尺寸及各層土壤參數計算土壤阻力Soil Resistance to Driving （SRD）數值，再根據Roussel理論選取各層土的震動（Quake）和阻尼（Damping）參數，最后將以上得到的數據采用GRLWEAP軟件進行數值模擬分析打樁過程，進而預測打樁情況為現場施工提供指導建議。

土壤阻力計算，主要計算側阻、端阻，根據土壤塑性指數不同，將土壤大致分為粘性土和非粘性土，分別計算兩種土的土壤阻力。

2.2工程實際計算分析

考慮到實際打樁施工中由于土壤受擾動其阻力系數會有所折減的情況，另外打樁過程中是否發生土塞，可將打樁工況分為低阻值不土塞、高阻值不土塞、低阻值土塞及高阻值土塞情況。此項目采用兩種錘分別對以上四種工況進行分析，最大錘擊數，錘擊數與樁入泥關系（如表3、圖1）。

基于以往工程經驗，連續打樁土壤受擾動不會發生土塞，用MHU 150S錘可以將樁打入預定深度。從錘擊數和入泥深度關系圖可見，沙土中打樁越往深處越難打入，這和在沙土中打樁更容易將土壤壓密實的性質相符合，建議施工時在樁入泥超過15m后采用大錘送樁以保證順利施工。

3自由站立分析

此分析是基于已有的施工條件（結構的建造最大偏差、選用的錘、最不利的海況條件等），在打樁過程中確保樁身不損害的目的下，采用動態分析的方法對樁身強度進行校核。

3.1主要原理及公式

此分析采用SACS軟件，用動力放大系數方法，模擬樁在波浪、海流、樁自重、錘重及渦流共振作用下受力情況，進而校核樁身強度。首先是根據樁、導向架的尺寸、建造偏差確定樁的傾斜角度。其次是用SACS軟件建立模型，模型須真實模擬各段樁的壁厚、長度、直徑及整樁傾斜角度，模型中還要體現錘重、錘重心高度及導向架對樁支撐的邊界條件等信息。再次是分步驟進行計算樁所受到的波浪、海流及合成力。最后提取樁身應力值進行校核，根據Timoshenko彈性穩定性理論[5]計算軸向許用應力，根據API規范[2]計算彎曲許用應力。此外，根據DNV規范[4]進行渦流振動校核，防止樁振動破壞。主要公式如下：

3.2工程實際計算分析

打樁過程中，隨著樁逐漸進入泥中，懸在導向架上部的長度不斷減小，同時考慮各段樁壁厚，可將自由站立分析分為三個工況進行強度分析。自由站立分析結果如表4。

基于以上結果，可知施工環境條件好于或等于給定最差條件（波高、流速），采用現有的MHU 150S錘來安裝樁，樁身強度滿足要求。

4替打段的設計分析

替打段是底部插入樁頭，上部伸入錘套，用于送樁入泥，反復使用的一段鋼管結構物。打樁時的錘擊力較大，替打段的設計就需要進行強度校核。另外，替打段有變徑段，就需要對其進行形狀校核，以防止出現局部屈曲失穩。此外，多根樁施工需反復使用替打段，這就要對其進行疲勞驗算。最后，替打段除了滿足自身的強度、屈曲、疲勞及施工工藝要求外，還要盡量減輕重量、減少高度，這有利于施工安全、操作方便。

4.1替打段強度分析

強度校核采用有限元ANSYS軟件。采用Shell181單元進行建模，建模盡量用規則四邊形單元，單元尺寸控制在3-4倍板厚的水平，這樣有利于計算的精度。根據打樁分析，將打樁過程中最大的打樁力，加載在頂部作為設計荷載。替打段底部插入樁頭與樁接觸部位，將其鉸支固定。

計算結果最大應力為274.07 MPa小于鋼材的屈服強度，根據AISC規范[1]，替打段強度滿足安裝樁的施工要求。

4.2替打段形狀校核

為了確保變徑段不發生屈曲失穩，根據API RP 2A-WSD[2]要求，要對變徑段的角度進行驗算，對縱向應力驗算，以及驗算環向應力。

變徑段的臨界角度采用直徑與壁厚的比值進行確定，實際變徑段角度小臨界角度即可。縱向應力、環向應力的驗算依照規范公式進行，確保實際應力小于許用應力。主要公式列于下面：

按照規范要求、應用具體公式，結合本項目實際情況，對替打段進行形狀校核。

根據直徑與壁厚的比值，來查得變徑段的臨界角度。此替打段的允許最大臨界角為9.1度，實際設計為8 度，滿足形狀控制要求。

替打段防止屈曲應力校核過程如下：首先，在22956.4 kN錘擊力作用下，根據替打段截面性質，可以求得其受的壓應力為fa=209.017 MPa，而彎曲應力為fb=0 MPa；再將求得應力帶入上面的實際應力計算公式，可以求得實際的縱向應力、環向應力分別為fb'=119.15 MPa和fh'=63.189 MPa；再次根據結構尺寸可以求得環向許用應力為Fhc=335 MPa；最后將實際縱向、環向應力分別與材料屈服強度、環向許用應力比較。由于實際應力小于許用應力，此替打段是滿足防止失穩發生要求的。

4.3替打段疲勞驗算

疲勞分析主要有損傷、時域和譜疲勞分析法。參照DNV規范 [3]，替打段疲勞采用損傷疲勞法進行驗算。損傷分析法是基于應力與循環次數曲線（S-N Curve）[7]，用提取的替打段強度校核結果中過度段應力幅值S，來確定在此應力水平下的最大循環次數N。然后，將打樁分析中總的錘擊循環次數作為實際循環次數n。最后，將實際循環次數與最大循環次數作比，最終求得損傷系數D。

（15）

本項目，變徑段最大應力幅值為58.656 MPa時，在此應力水平下最大循環次數N為1.818×106，而預測實際打樁錘擊數不超過1.403×105，因此替打段的抗疲勞滿足樁的安裝要求。

5結語

本文基于實際工程，介紹替打樁安裝設計流程。此設計涉及的分析多，包括可打入性、自由站立和替打段設計分析；此設計需要校核的方面全，包含強度、屈曲及疲勞校核；此設計所用的規范多，既用到API、DNV等常用海洋工程規范，也涉及到Timoshenko彈性穩定性理論、土壤振動與阻尼Roussel理論。另外，此設計的各個分析是彼此聯系、又相互制約。比如可打入性分析為替打段設計分析提供打樁力、錘擊次數等，而替打段設計分析所確定的替打段重量、長度又影響可打入性分析、自由站立分析。基于替打樁安裝設計特點和實際工程工作任務量大、時間緊的要求，在保質保量的前提條件下，特提出以下幾點建議以提高工作效率。

（1）項目實施前要充分了解業主的要求，領會詳細設計的意圖，掌握施工現場的具體情況。這就需要多方溝通，避免不必要的設計浪費。

（2）深入研究設計資料文件，需要準確洞察，把握好項目的關鍵點、難點，這有助于工作中抓重點、集中精力攻克難點。

（3）統籌好各項工作，可以采用螺旋漸進穩步推進工作，將設計方案逐步推進到即安全又經濟的最優程度。這就要求設計時各個計算分析協調進行、及時溝通、信息暢通，保證工作順利有序的進行。

參考文獻：

[1] American Institute of Steel Construction， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition， 1989.

[2] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design，21st Edition， 2007.

[3] DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures， 2012.

[4]DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， 2014.

[5] TIMOSHENKO， “Theory of Elastic stability， Section 2.12， Buckling of Bar under Distributed Axial Load”.

[6] 海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法—工作應力設計法[M].國家發展和改革委員會，2004-07-03.

[7] 胡毓仁，陳伯真. 船舶及海洋工程結構疲勞可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.11.