內外夾持式變徑海洋基樁吊具夾持機理研究

王 昆，王 茁，王毅堅

(1.一汽吉林汽車有限公司，吉林 吉林 132013；2.哈爾濱工程大學 機電學院,黑龍江 哈爾濱 150001；3.吉林化工學院 機電學院,吉林 吉林 132022)

在近海水域，樁基礎為海洋結構物常用的基礎形式，打入海床中作為樁基礎支撐構件的鋼樁往往也被稱作海洋基樁.與陸地鋼制基樁相比，海洋基樁具有長度長(120～200 m)，直徑大(2000～5 500 mm)，重量大(260～600 T)，強度高的結構特點[1].工程中的基樁外表面常為光滑的圓柱面，表面往往沒有理想的吊點，這同樣為基樁的起吊與搬運帶來了技術困難[2].為了解決基樁的裝夾起吊問題，國內外的海洋工程工程師開發設計了很多專用吊具，比較常見的基樁吊具類型有單邊夾持型吊具、雙邊夾持型吊具、外抱式吊具、內脹式吊具等[3].

目前，大型海洋基樁夾吊具的設計與生產主要被荷蘭的IHC公司所壟斷[4].IHC公司生產的吊具種類包括Saddle & Hook型基樁吊具，雙邊夾持型基樁吊具，External Lifting Tool型基樁吊具，Internal Lifting Tool型基樁吊具等，這些吊具往往只針對某一固定內外徑尺寸的基樁而設計，對不同管徑的基樁的適應性較差，所以有必要對吊具結構進行改進設計.

國內外對此類結構也進行了很多相關研究.2012年，意大利都靈理工大學的S.Brischetto與E.Carrera提出了一種采用八節點單元，每個節點具有九個自由度的改進有限元殼體模型[5].2013年，浙江大學的王震運用向量式有限元分析方法，對金屬薄殼結構的復雜力學行為進行了分析，給出了向量式有限元法的應用算例[6].2016年，韓國釜山國立大學的Abera Tullu與Beom-Soo Kang對纖維增強復合剛度圓柱殼的彈性變形進行了研究，給出了此類圓柱殼受力變形求解的數值計算算例[7].2018年，RL Jackson對擠壓圓柱表面獲得壓痕的過程進行了有限元仿真研究，得出了圓柱表面變形的一般規律，并且對圓柱表面變形后的硬化現象做出了解釋[8].

通過對相關領域國內外研究現狀的對比分析發現，目前多數吊具在夾持基樁時，基樁的受力狀態并不好，并且吊具對不同管徑的基樁的適應性較差.另外，現有吊具往往只能采用一種夾緊方式，無法針對具體工況進行選擇，具有一定的使用局限性，因此有必要對吊具結構進行改進設計與實驗研究.

1 吊具夾持承載機理實驗研究

1.1 實驗儀器

吊具夾持承載機理的相關模擬實驗裝置及儀器如圖1所示.

圖1 具體實驗環境

實驗儀器主要由實驗裝置結構，測力傳感器與變送器，采集PLC，靜態應變儀以及上位機組成.上位機完成實驗過程中作用力與應變值的記錄.

1.2 吊具摩擦夾緊承載實驗過程

在實驗過程中，在水平方向，利用千斤頂來模擬吊具的夾緊液壓缸，對基樁試件施加橫向夾緊載荷，測力傳感器檢測相應加載力的大小.在豎直方向，利用千斤頂來模擬基樁的自重，測力傳感器檢測相應的加載力數值.在縱向加載過程中，當基樁試件出現明顯的位移變化時，說明此時摩擦夾緊失效，記錄此時的縱向測力傳感器數據如表1所示.

表1 吊具摩擦夾緊承載實驗數據

利用表1中的數據，根據式(1)可以求出基樁試件與實驗夾緊機構間的最大靜摩擦系數.

(1)

根據實驗數據，計算出每組實驗的最大靜摩擦系數μmax，可以得出實驗裝置接觸面間的最大靜摩擦系數在水平加載力初期階段隨加載力的增大而增大，隨后穩定在0.223，所以吊具摩擦夾緊方式的最大靜摩擦系數為0.223.

1.3 吊具楔塊齒嵌入夾緊承載實驗

為了研究吊具楔塊齒嵌入夾緊方式的夾持承載能力，設計制造若干不同規格的楔塊齒與基樁試件，進行了吊具楔塊齒嵌入夾緊夾持承載實驗.在實驗過程中，選擇齒形角為75°，齒數為3的楔塊齒，為了研究楔塊齒在承載過程中的受力變形情況，在楔塊齒與基樁試件指定位置粘貼電阻應變片，通過實驗結果發現，在3.0 T橫向夾緊載荷作用下，摩擦夾緊方式的最大靜摩擦系數μmax為0.223，而楔塊齒嵌入夾緊方式的當量摩擦系數fv為0.667，兩者近似呈3倍關系.

2 吊具摩擦夾緊夾持承載機理分析

2.1 吊具摩擦夾緊方式的安全起吊條件研究

起吊拉力T，吊具自身重力G1，基樁自重G2以及各摩擦夾緊力構成三維空間力系，此處判斷各靜摩擦力的方向是受力分析的難點.由于接觸面為圓弧面，靜摩擦力的方向必與接觸面相切，針對第一個起吊條件，并假設吊具水平安裝，起吊系統的受力如圖2所示.

圖2 吊具安裝就位過程受力情況

雖然圖2中的力系為空間力系，但在圖示坐標系下，根據力系y方向的平衡關系，吊具穩定就位不發生傾覆，要滿足式(2)，并且吊具各摩擦夾緊力不能超過最大靜摩擦力.

(2)

起吊系統受力關系如圖2被吊起管道傾斜所示.對于吊具的摩擦夾緊方式，可以利用式(2)與(3)作為吊具采用摩擦夾緊方式時安全起吊條件的校核公式，對起吊過程的安全性進行判斷分析.

(3)

2.2 基樁在吊具摩擦夾緊方式下彈性變形求解

當吊具采用摩擦夾緊方式時，根據基樁自重的不同，吊具的夾緊力也不同.在本文所述的吊具研究設計過程中，吊具的設計指標為：

·海洋基樁壁厚：25 mm；

·海洋基樁外徑：4.05～4.55 m；

·海洋基樁內徑：4.0～4.5 m；

·海洋基樁重量：123～150 T；

·海洋基樁長度：50 m；

·吊具液壓系統壓力：30 MPa.

此時估計基樁的變形在彈性變形范圍內，故利用彈性力學薄殼理論對基樁的變形進行求解，對基樁建立如圖3所示的正交直角坐標系.

圖3 正交曲線坐標系下的海洋基樁與微元段

根據彈性力學薄殼理論，此時基樁的彈性力學幾何方程為：

(4)

式中：a為基樁中面的曲率半徑，m；κz為中面上一點沿z軸方向的曲率變化；κθ為中面上一點沿θ軸方向的曲率變化；κzθ為中面各點沿z軸及θ軸扭率的變化.

基樁的彈性力學物理方程為

(5)

式中：E為基樁材料的彈性模量，GPa；μ為基樁材料的泊松比.

基樁的彈性力學平衡方程為：

(6)

將式(4)，(5)，(6)聯立，得到基樁的彈性力學基本方程，雖然本文中提出的吊具結構具有變徑功能，但不同管徑的基樁的彈性變形計算方法相同，本文以內徑為4 m，外徑為4.05 m，材質為254SMo的基樁作為算例.代入目標基樁的結構尺寸，基樁材料的力學參數，基樁單一受載區的坐標范圍以及夾緊液壓缸作用力，求得基樁單一受載區彈性變形的數值解.可以得出，在受載區內，各點位移屬于微小量，并且以徑向位移為主，最大徑向位移出現在受載區中心點位置，數值為2.49×10-4m，指向z軸.z向位移與θ向位移數值較小，其中z向位移關于受載區中線近似呈對稱分布.

2.3 吊具楔塊齒嵌入夾緊夾持承載機理分析

當吊具采用楔塊齒嵌入夾緊方式時，當夾緊機構工作時，楔塊齒將擠壓基樁外壁，最終刺破基樁表面，造成基樁塑性變形，嵌入基樁外壁中.這樣，當吊具完成夾持動作并起吊時，在基樁自身重力作用下，各個楔塊齒與基樁管壁之間形成的擠壓力以及摩擦力，成為了新的夾緊力.以單齒ABCDFG為研究對象，記其齒形角為φ.楔塊齒與基樁的幾何關系中，其中：h為已知基樁壁厚，θ為楔塊齒對基樁圓心的圓心角.

根據其幾何關系，并略去微小幾何量，計算出楔塊齒中面嵌入基樁外壁的面積A1，進而利用齒形角φ計算出楔塊齒兩個工作面與基樁的接觸面積A2如式(7).

(7)

在實際工程中，楔塊齒嵌入產生的夾緊力F與起吊作用力以及基樁自重有關，但根據楔塊齒與基樁管壁的幾何關系，可簡單將其看作正比于A1與A2，即楔塊齒嵌入后，其與基樁接觸面積越大，產生的夾緊力越大.在其表達式中，由于楔塊齒幾何尺寸已經確定，所以弧長l與圓心角θ均已確定，所以影響夾緊力的關鍵因素是楔塊齒的嵌入深度t以及楔塊齒齒形角φ.

2.4 基樁塑性變形過程的滑移線場法求解

由于基樁外壁曲率半徑較大，吊具夾緊機構楔塊齒嵌入基樁管壁的過程可以簡化直線剛性楔壓入塑性母材的過程.此類問題屬于“不定常塑性流動”問題，可以利用滑移線場理論進行求解.對于此類問題，根據普拉格與霍奇的研究思路，由于問題的對稱性，取一半結構進行研究.

根據其幾何關系，可得楔塊嵌入深度t隨外載荷q以及楔塊齒形角β的變化關系如下式.

(8)

根據式(8)，可以得出楔塊嵌入深度t隨外載荷正壓力q的增大而線性增大，而楔塊齒形角β越小，即楔塊越尖銳，其嵌入深度越大.總的來說，需要向剛性楔塊施加較大的力載荷，楔塊才能向下運動微小的位移量，但由于液壓缸的出力一定，因此楔塊的齒形角成了決定楔塊嵌入深度的關鍵因素，合理選擇楔塊齒形角在實際工程中具有重要意義.

2.5 Abaqus環境下基樁塑性變形仿真分析

在本節中，選取45°，60°，75°與90°四種齒形角的楔塊來模擬楔塊齒，進行嵌入過程的有限元仿真分析.本文做的是三維仿真，楔塊除了保證角度外，齒高為8 mm，總高為16 mm，總長為85 mm.本文選取經過強化處理的Q235材質作為基樁試件，采用此種替代方式仍能得到基樁在楔塊齒嵌入過程中塑性變形的一般規律.

一般常以X45NiCrMo4冷作模具鋼作為夾緊機構楔塊齒的材料，其抗拉強度可以達到1 800 MPa，經過表面處理齒面硬度可以達到HRC60[9].楔塊為理想剛性體情況下的嵌入仿真過程的分析.通過仿真結果可以看出，四種齒形角的剛性楔塊嵌入基樁試件后在基樁內部產生的Mises應力分布相似，最大應力發生在與楔塊齒直接接觸的幾個單元.通過觀察整個嵌入過程，與楔塊直接接觸的幾個單元應力變化劇烈，在其達到屈服應力后，塑性區擴展到一定程度后，楔塊才能繼續向下運動，并且塑性區的擴展形式與利用滑移線場理論得到的應力場形狀相似.由于楔塊位移隨時間均勻增加，而且試件固定，試件給楔塊的反作用力即為施加在楔塊上表面中心位置的外載荷集中力.楔塊向下的位移與施加在楔塊上的外載荷間變化關系如圖4所示.

為了使楔塊勻速向下運動，施加在楔塊上的外載荷隨位移的變化并不是線性的，原因是試件經歷了彈性變形、塑性屈服與塑性流動幾個階段，加載力也與這幾個階段相對應，但整體趨勢是加載力越大，楔塊的嵌入深度越大，這與滑移線場理論得到的結果相符合.

(a) 45°模塊應力分布

(b) 60°模塊應力分布

(c) 75°模塊應力分布

(d) 90°模塊應力分布圖4 四種齒形角非剛性楔塊嵌入完成后截面內應力分布

通過圖4可知，試件達到了屈服應力，發生了塑性變形，并且應力場的分布與剛性模型仿真結果相似，楔塊齒的應力分布符合一般性結論，因此仿真得到的應力值具有一定的參考價值[10].綜合考慮，初步選擇楔塊齒的齒形角為75°.

3 內外夾持式變徑海洋基樁吊具總體設計方案

在上述分析過程中，驗證了吊具內外夾持方式的可行性，并對吊具的摩擦夾緊方式以及楔塊齒嵌入夾緊方式的夾持承載機理進行了深入研究，確定了吊具夾緊液壓缸的結構技術參數.本文所述的吊具結構形式如圖5所示.

本文設計的吊具是以IHC公司的雙邊吊具為藍本，借鑒了其夾持方式，但在其基礎上增加了吊具的變徑功能，以提高對不同管徑基樁的適應性.吊具主要由吊梁框架、雙出桿液壓缸、運動連接件、大端夾持部件、小端夾持部件等部件構成.結構整體以焊接連接為主，對某些零件，為方便其拆裝，采用螺栓連接.

圖5 內外夾持式變徑海洋基樁吊具總體結構

吊梁框架Ⅳ為其他零部件提供安裝位置并提供可靠支撐，吊通過焊接在其上的吊耳完成起吊動作.大端夾持部件Ⅰ與小端夾持部件Ⅴ為吊具主要工作部件，完成對基樁管壁的夾持動作.雙出桿液壓缸部件Ⅲ與運動連接件Ⅱ與框架Ⅳ配合，完成兩側夾持部件的變徑動作.

4 結 論

完成了大型海洋基樁吊具摩擦夾緊與楔塊齒嵌入夾緊的夾持承載力對比實驗，得出了在相同橫向載荷作用下，楔塊齒嵌入夾緊方式的承載力為摩擦夾緊方式的3倍這一結論，并以此為基礎對當前各類大型海洋基樁吊具進行對比分析，提出了“內外夾持式變徑海洋基樁吊具”的設計方案，并對吊具的摩擦夾緊以及楔塊齒嵌入夾緊方式進行了理論計算與仿真分析，驗證了實驗結論，為工程實際應用提供了參考.