140 m級(jí)超大型打樁船的抱樁器設(shè)計(jì)

高 峰 李 杰

上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司 上海 226259

0 引言

打樁船作為支撐海洋工程建設(shè)的重要裝備，在海洋油氣開(kāi)發(fā)、海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)、港口碼頭建設(shè)、跨海跨江大橋建設(shè)等方面發(fā)揮著不可或缺的基礎(chǔ)作用。隨著人類活動(dòng)不斷向海洋延伸，縮短區(qū)域溝通距離等需要越來(lái)越多，對(duì)打樁船的作業(yè)能力要求也越來(lái)越高。

國(guó)外某跨海大橋采用的“雄程1號(hào)”樁架高度128 m，最大打樁樁重450 t，后續(xù)建造的“樁20號(hào)”打樁船高度130 m，最大打樁樁重450 t，如圖1所示。本文研究世界最大140 m級(jí)打樁船的核心構(gòu)件抱樁器的設(shè)計(jì)過(guò)程，其樁架高度140 m，最大打樁樁重700 t。

圖1 “樁20號(hào)”130 m級(jí)打樁船

1 抱樁器的工作原理及設(shè)計(jì)要求

打樁船的樁架最高距設(shè)計(jì)水線為140 m，抱樁器要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，本文為適應(yīng)各種打樁工況及維護(hù)方便的要求，設(shè)計(jì)了適合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的四臂抱樁器。

工作流程采用樁架安裝在船舶艏部，通過(guò)1組前支腳與結(jié)構(gòu)連接。樁架使用主液壓缸頂起和回收產(chǎn)生前傾和俯仰18.5°以內(nèi)完成打樁。樁架配備2套額定載荷700 t主吊鉤，1套額定載荷400 t副吊鉤，以滿足樁架吊起鋼樁和翻身的要求。樁架吊錘滑輪組能調(diào)整吊錘中心，以滿足不同直徑的鋼樁。抱樁器需滿足樁架前后傾角9°狀態(tài)下具有較大的強(qiáng)度，滿足最大700 t鋼樁的打樁需求，且需滿足一定的洋流沖擊情況下的抱樁力。

打樁船抱樁器安裝在樁架的中間龍口結(jié)構(gòu)上，且布置2套四臂抱樁器，分為上抱樁器和下抱樁器。上下2層抱樁器可同時(shí)工作也可單獨(dú)使用，抱樁器布置如圖2所示。龍口結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，滿足打樁錘的移動(dòng)、打樁作業(yè)以及固定打樁錘。抱樁器安裝位置應(yīng)與龍口結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，提高抱樁器的安裝固定強(qiáng)度，減小額外的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖2 抱樁器布置圖

根據(jù)實(shí)際的打樁作業(yè)需求，下抱樁器應(yīng)盡可能靠近水面，確保在最低位打樁時(shí)下抱樁器仍可提供定位。上抱樁器應(yīng)根據(jù)船型大小進(jìn)行選配，140 m打樁船因其700 t的打樁作業(yè)能力需要配備上抱樁器，提高抱樁力同時(shí)可提供各種形式的抱樁模式，作業(yè)更為靈活。

2 四臂抱樁器的總體設(shè)計(jì)

140 m打樁船的抱樁器采用四臂抱樁器，即每套抱樁器左右臂又分為大臂和小臂。大臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)、行程大，由1根大行程液壓缸驅(qū)動(dòng)；小臂結(jié)構(gòu)輕、行程短，由1根小行程液壓缸驅(qū)動(dòng)。大臂和小臂通過(guò)絞點(diǎn)連接，大臂連接在龍口結(jié)構(gòu)上的焊接耳板上。左右小臂可使用安全鎖銷進(jìn)行鎖固，保證安全，減小液壓缸沖擊。為適應(yīng)不同樁徑，還需布置可伸縮臂爪，使用插銷進(jìn)行固定，布置如圖3所示。

圖3 四臂抱樁器布置

四臂抱樁器是在雙臂抱樁器的基礎(chǔ)上研發(fā)而來(lái)，主要解決了在大樁徑下液壓缸體積過(guò)大造成的布置問(wèn)題和大型液壓缸由于行程過(guò)長(zhǎng)壓桿穩(wěn)性無(wú)法滿足的難題。雙臂抱樁器由于抱樁和打開(kāi)均為全行程，操作過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，由于波浪的影響，抱樁器經(jīng)常與鋼樁碰撞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和活動(dòng)部件需頻繁地維護(hù)。

四臂抱樁器在抱樁和打開(kāi)時(shí)，均只需小臂動(dòng)作即可，此時(shí)大臂可不動(dòng)作，故大大縮短了抱緊和打開(kāi)的時(shí)間。在海上施工時(shí)，抱樁的時(shí)間越短效率越高，也越安全，設(shè)備損耗更少。

3 四臂抱樁器的受力有限元分析

根據(jù)本抱樁器的打樁作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)大臂進(jìn)行有限元幾何模型建模并進(jìn)行有限元分析，包括應(yīng)力分析、剪力分析和變形分析。由此可得大臂在最大工況下的受力分布，進(jìn)而開(kāi)展樁架結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)和局部應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)。

根據(jù)大臂結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)圖紙，先對(duì)大臂進(jìn)行建模，模型如圖4所示；對(duì)不同的結(jié)構(gòu)板厚進(jìn)行建模并導(dǎo)出模型板厚云圖，板厚云圖如圖5所示。

圖4 大臂有限元模型

圖5 模型板厚云圖

3.1 邊界條件及受力分析

1）邊界條件 支持邊界條件的假定應(yīng)以不影響模型中心所考察單元的計(jì)算結(jié)果為原則。工況1約束各輥輪線性自由度，工況2約束一端輥輪線性自由度。工況1邊界條件施加如圖6所示，工況2邊界條件施加如圖7所示。

圖6 工況1邊界條件

圖7 工況2邊界條件

2）受力分析 參考以往經(jīng)驗(yàn)，取最大打樁樁重700 t的1/20為計(jì)算載荷，故抱樁器的最小設(shè)計(jì)載荷為343 kN，設(shè)計(jì)彎矩為727 kN·m。大臂受力作用點(diǎn)選擇螺栓節(jié)點(diǎn)中心位置，垂向距離上面板高度為100 mm，分別在工況1和工況2中加載受力，如圖8所示。

圖8 應(yīng)力云圖

3.2 分析結(jié)果

工況1構(gòu)件有限元分析應(yīng)力結(jié)果為：艙段位置σe為290 MPa、τ為152 MPa、變形量為0.82 mm。工況2構(gòu)件有限元分析應(yīng)力結(jié)果為：艙段位置σe為294 MPa、τ為149 MPa、變形量為2.57 mm。在摩擦力不超過(guò)35 t時(shí)，抱樁器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均不超過(guò)材料屈服強(qiáng)度。

4 樁架抱樁器主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)校核

4.1 抱樁器液壓缸選型和計(jì)算

打樁船打樁時(shí)，需先將鋼樁垂直吊起，調(diào)整樁架角度使鋼樁與樁架平行，此時(shí)再進(jìn)行抱樁作業(yè)。抱樁時(shí)樁架為垂直狀態(tài)，此時(shí)抱樁器僅是將鋼樁進(jìn)行固定，抱樁器并不受鋼樁的壓力。待抱樁器抱緊，安全鎖銷鎖緊后，樁架調(diào)整打樁角度開(kāi)始?jí)簶叮藭r(shí)抱樁器受力最大。

液壓缸選型按樁架打樁作業(yè)700 t樁重時(shí)，作業(yè)角度±9°為邊界受力進(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算出抱樁器上的最大分力為

在樁未入泥之前，樁重分力完全由2臺(tái)抱樁器承擔(dān)，且力全部作用在小臂上。可得每臺(tái)抱樁器小臂上的分力不小于55 t。將小臂臂爪受力反算到液壓缸上，依次計(jì)算小臂液壓缸的受力，簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖9所示。

圖9 小臂液壓缸受力模型

其中

鋼樁入水時(shí)還會(huì)受到洋流及波浪的作用力，綜合以上因素和98.8 t抱樁力共同作用，小臂液壓缸推力最終選型采用140 t，其中100 t為作業(yè)力，考慮到1.1倍超載和1.25倍的安全系數(shù)，二者相乘是1.375，此時(shí)的設(shè)計(jì)受力余量為37.5t，向上取整為40 t為鋼樁作業(yè)過(guò)程中額外增加的設(shè)計(jì)余量。

小臂液壓缸由于比較短小，故壓桿穩(wěn)性的作用可忽略。而大臂液壓缸的行程較長(zhǎng)，除了考慮推力，大臂液壓缸的選型還應(yīng)計(jì)算壓桿穩(wěn)性。

根據(jù)布置圖擬選用缸徑400 mm、桿徑250 mm、行程2 350 mm的液壓缸作為大臂液壓缸，大臂液壓缸主要參數(shù)為：活塞桿徑d=0.25 m、安裝距LB=3.108 m、缸徑D=400 mm、工作壓力Pm=20 MPa。大臂液壓缸的安裝形式為前耳環(huán)、有導(dǎo)向，主要力學(xué)參數(shù)為：液壓缸導(dǎo)向系數(shù)K=1.5、材料彈性模數(shù)E=210 000 MPa、實(shí)際彈性模數(shù)E1=180 000 MPa、活塞桿橫截面慣性矩。

參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五卷第6章的表21-6-16進(jìn)行壓桿設(shè)計(jì)校核計(jì)算。

1）液壓缸推力

2）活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力

3）安全系數(shù)

活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力有6.239倍安全系數(shù)，壓桿的參數(shù)選擇滿足需求。

4.2 抱樁器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和計(jì)算

根據(jù)所得的液壓缸選型和推力，以及抱樁器的總體方案，設(shè)計(jì)主要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及界面參數(shù)。已知的參數(shù)：大臂液壓缸最大推力為250 t，小臂液壓缸最大推力為140t，大臂液壓缸工作壓力為20 MPa，小臂液壓缸工作壓力為20 MPa。抱樁器結(jié)構(gòu)主要選用鋼板為Q355B，許用應(yīng)力為345 MPa，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為172.5 MPa。

1）小臂結(jié)構(gòu)受力分析

小臂液壓缸推力分析如圖10所示，小臂橫截面如圖11所示。小臂截圖尺寸：B1=253 mm、b1=221 mm、H1=1 490 mm、h1=1 400 mm。

圖10 小臂液壓缸推力分析

圖11 小臂橫截面

彈性模數(shù)計(jì)算公式

應(yīng)力為

式中：F3為液壓缸推力，F(xiàn)3=1 372 kN；L1為力臂，L1=900 mm。

計(jì)算應(yīng)力小于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

2）大臂液壓缸推力分析圖如圖12所示，大臂橫截面如圖13所示。大臂截圖尺寸：B2=974 mm、b2=934 mm、H2=800 mm、h2=700 mm。

圖12 大臂液壓缸推力分析

圖13 大臂橫截面

彈性模數(shù)Wx2=37 151 250 mm3，大臂液壓缸推力F4=1 960 kN，推力水平分力F5=F4·cos22=1 817 kN，力矩L2=1 048 mm。應(yīng)力為

小于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

4.3 安全鎖銷方案和布置

為應(yīng)對(duì)700 t鋼樁打樁時(shí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，本抱樁器設(shè)計(jì)布置1套液壓安全鎖銷，該鎖銷可通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)鎖銷的鎖緊和解鎖，無(wú)需人員到達(dá)抱樁器即可完成作業(yè)。該鎖銷采用壁厚液壓缸為設(shè)計(jì)藍(lán)本，結(jié)合抱樁器的工作特點(diǎn)和布置方式進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，方案如圖14所示。

圖14 鎖銷設(shè)計(jì)圖

為適應(yīng)布置和強(qiáng)度的要求，液壓缸缸體需采用特制加厚缸體，材料選用Q355，液壓缸的油路布置在活塞桿上。安裝時(shí)活塞桿固定、缸體活動(dòng)，活塞桿使用螺栓固定在小臂結(jié)構(gòu)上且強(qiáng)度足夠，缸體作為鎖銷滿足抱樁器的鎖緊需要。

采用此方案的安全鎖銷結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠；同時(shí)還能避免打樁作業(yè)碰撞，從而極大地提高了鎖銷的使用效率，降低了維護(hù)成本。

5 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)超大型抱樁器的設(shè)計(jì)解析，從打樁船的最大作業(yè)能力作為初始設(shè)置條件，根據(jù)打樁船的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)以及抱樁器的布置方式，計(jì)算抱樁器的基本受力情況，根據(jù)選定的抱樁器方案，初步計(jì)算抱樁器的結(jié)構(gòu)界面，完成抱樁器的基本設(shè)計(jì)。然后對(duì)各個(gè)主要受力部件進(jìn)行具體、詳細(xì)的設(shè)計(jì)，校核相關(guān)參數(shù)是否滿足受力要求。

140 m級(jí)打樁船是目前全球在建的最大的打樁船，其核心構(gòu)件抱樁器也為該類型世界最大，其設(shè)計(jì)、計(jì)算以及結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化和仿真都代表了國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)和建造的最高水準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)該抱樁器的設(shè)計(jì)研究，為該類型的抱樁器設(shè)計(jì)提供一個(gè)成熟的理念，同時(shí)也為提高國(guó)內(nèi)打樁船的設(shè)計(jì)和研究水平貢獻(xiàn)力量。