于全虎，章慶生

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

128 m打樁船的設(shè)計(jì)與研究

于全虎，章慶生

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外海洋基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要大量的專用打樁船，設(shè)計(jì)滿足當(dāng)前港航基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求、綜合技術(shù)性能優(yōu)良的打樁船，同時(shí)為未來(lái)不斷適應(yīng)港航事業(yè)發(fā)展，研究更高技術(shù)水準(zhǔn)的打樁船積累經(jīng)驗(yàn)是十分必要的。通過(guò)對(duì)128 m打樁船打樁系統(tǒng)主要性能、載荷情況以及主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)的研究，解決了其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前128 m打樁船首制船已成功投入使用，經(jīng)濟(jì)效益良好。

打樁船;樁架;打樁系統(tǒng);船舶設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)海工建設(shè)裝備起步較晚，20世紀(jì)七八十年代國(guó)內(nèi)自行建造的打樁船樁架高度普遍在36 m左右，樁架高50 m的打樁船全部是從日本進(jìn)口的二手船。隨著我國(guó)沿海的開發(fā)，港口和碼頭建設(shè)、水上橋梁建設(shè)、海上風(fēng)電安裝等工程的興起，中小型乃至大型打樁船已不能滿足需要，打樁船向超大型方向發(fā)展。本世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)開始建造樁架高80～90 m的打樁船，國(guó)內(nèi)已投入使用的樁架超過(guò)100 m的打樁船分別為100、108、110 m，目前樁架高度達(dá)到128 m的打樁船是亞洲樁架最高，打樁能力最強(qiáng)的超大型打樁船，也是國(guó)內(nèi)第一艘無(wú)限航區(qū)的打樁工程船。128 m打樁船能施工直徑5 m，樁長(zhǎng)超過(guò)100 m的鋼管樁，不但能用于建造更大的多管樁海洋工程基礎(chǔ)，而且可用大直徑的單管樁替代小直徑的多管樁海工基礎(chǔ)。

1 主要量度

128 m大型打樁船為鋼制、無(wú)限航區(qū)、非自航打樁工程船，滿足如下規(guī)范與法規(guī):

中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2006)及修改通報(bào)、中國(guó)船級(jí)社《非公約尺度船檢驗(yàn)指南》(2001)、中國(guó)海事局《國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2008)。

其主要量度如下:

型長(zhǎng) 78 m

型寬 36 m

型深 6.2 m

設(shè)計(jì)吃水 3.2 m

2 打樁系統(tǒng)載荷分析

2.1 象鼻梁結(jié)構(gòu)

象鼻梁結(jié)構(gòu)、油缸支撐位及其所處船體結(jié)構(gòu)承受了樁架起豎工作狀態(tài)下的全部力，因此必須采用ANSYS有限元軟件對(duì)128 m打樁船在各種載荷工況下的船體及象鼻梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型計(jì)算與分析。由于船體及象鼻梁為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只需建立一半模型。有限元分析模型如圖1所示。

圖1 船體及象鼻梁有限元模型

2.2 樁架

依據(jù)樁架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及樁架運(yùn)行工況條件，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范計(jì)算128 m打樁船樁架各部位的應(yīng)力分布以及最大應(yīng)力發(fā)生的部位，以此為基礎(chǔ)對(duì)樁架結(jié)構(gòu)包括支柱、頂架平臺(tái)、支座、油缸等進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》以及打樁船的作業(yè)范圍與條件，128 m打樁船的起升樁架應(yīng)屬于近海遮蔽水域起重機(jī)類，樁架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)符合規(guī)范中近海用起重機(jī)的相關(guān)要求。

依據(jù)128 m打樁船的樁架(包括平臺(tái)、支柱、支座等)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，利用ANSYS建立128 m打樁船整個(gè)樁架的有限元分析模型。建模中根據(jù)樁架的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用了各種不同類型的單元及邊界條件。樁架的有限元模型如圖2所示。

在有限元建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)打樁工況、樁重與錘重參數(shù)以及水文等條件，計(jì)算確定樁架的各種載荷，通過(guò)對(duì)樁架在各種組合載荷工況下的受力分析以及強(qiáng)度計(jì)算，得到樁架各部位的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)。

圖2 樁架的有限元分析模型

根據(jù)樁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立有限元分析模型時(shí)共采用了5種不同的單元:管單元、桿單元、板單元、型材單元與實(shí)體單元。主支柱采用管單元，龍口采用型材單元，支撐龍口的各橫梁采用管單元，樁架的各層平臺(tái)以及頂架平臺(tái)則采用了板單元，與液壓油缸相連的樁架后支座結(jié)構(gòu)采用了板殼單元。

近海用起重機(jī)類的128 m打樁船的樁架載荷與普通起重機(jī)有所區(qū)別，需按特殊工況進(jìn)行考慮。在128 m打樁船的樁架強(qiáng)度計(jì)算中考慮的載荷包括:起升載荷、風(fēng)載荷、樁架自重、船舶傾斜載荷以及在起升與溜樁瞬時(shí)的樁架動(dòng)載荷。樁架載荷示意圖如圖3所示。在樁架強(qiáng)度分析的有限元模型中，將以上載荷按不同的方向分別施加到不同的部位，并且設(shè)置支承部位(前后支座)的約束條件進(jìn)行靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。

組合載荷=各分項(xiàng)載荷總和×作業(yè)系數(shù)1.20

圖3 樁架載荷示意圖

3 打樁系統(tǒng)性能

根據(jù)以上載荷及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，128 m打樁船打樁系統(tǒng)主要性能參數(shù)如下:

樁架高 125.7 m(大平臺(tái)頂面至水面)

樁架最大起重能力 360 t(樁架前傾9°)

雙鉤2×180 t/單鉤360 t

主鉤起重能力 300 t

副鉤起重能力 150 t

樁架起重作業(yè)范圍 0°～12.5°

樁架打樁作業(yè)范圍 0°～12.5°

最大作業(yè)樁重 300 t

最大沉樁能力 110 m+水深

最大作業(yè)樁徑 Φ5 000 mm

倒樁方式 油缸二次倒樁

4 主要?jiǎng)恿C(jī)械設(shè)備

128 m打樁船輪機(jī)部分及打樁系統(tǒng)所用機(jī)電設(shè)備眾多，結(jié)合船舶的功能性要求，通過(guò)計(jì)算得到各種設(shè)備的參數(shù)要求。主要?jiǎng)恿υO(shè)備配備情況見表1。

5 機(jī)械艙室布置

128 m打樁船主要A類機(jī)械艙室分為機(jī)艙和發(fā)電機(jī)艙，兩艙室通過(guò)左右舷的艙門溝通。發(fā)電機(jī)艙內(nèi)設(shè)有集控室，可同時(shí)監(jiān)控機(jī)艙和發(fā)電機(jī)艙。油泵柴油機(jī)和作業(yè)發(fā)電機(jī)組位于機(jī)艙內(nèi)，輔助發(fā)電機(jī)組位于發(fā)電機(jī)艙內(nèi)。機(jī)艙和發(fā)電機(jī)艙布置見圖4。

表1 128 m打樁船主要?jiǎng)恿υO(shè)備參數(shù)

6 研究解決的關(guān)鍵問(wèn)題及特點(diǎn)

128 m打樁船作為亞洲最大的新型超大型打樁船，研究過(guò)程中必然會(huì)遇到很多難點(diǎn)，其中需要解決的主要關(guān)鍵問(wèn)題及特點(diǎn)如下:

(1)采用改進(jìn)樁架結(jié)構(gòu)，提高樁架強(qiáng)度，減輕樁架重量，改善樁架重量、重心對(duì)船舶穩(wěn)性的影響。

(2)充分研究、考慮了航道及港航工程對(duì)打樁船主體尺度的要求，如調(diào)撥航道上主要橋梁對(duì)倒樁高度的要求，目前以及未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)工程建設(shè)需要船舶的尺度及打樁、吊重能力。

(3)研究了樁架高度與船寬、穩(wěn)性的關(guān)系，使之科學(xué)合理。

圖4 128 m打樁船機(jī)艙和發(fā)電機(jī)艙布置

(4)研究樁架變幅和傾倒機(jī)構(gòu)，降低倒樁后整船的拖帶高度，擴(kuò)大船舶今后適用范圍和到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后的起樁架效率。以往的打樁船倒樁方式不盡合理，倒樁后高度較高，限制了使用區(qū)域。

(5)機(jī)電設(shè)備的配備科學(xué)合理，選用綜合技術(shù)性能優(yōu)良，價(jià)格合理的設(shè)備。

(6)上層建筑艙室的設(shè)計(jì)布局合理，功能滿足要求，工作生活環(huán)境方便舒適。

(7)電動(dòng)裝置運(yùn)用無(wú)級(jí)調(diào)速，提高效率。電氣控制系統(tǒng)采用變頻器控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。同時(shí)，利用變頻器良好的軟啟動(dòng)性能，解決對(duì)發(fā)電機(jī)的保護(hù)問(wèn)題，另外還實(shí)現(xiàn)了輕負(fù)荷時(shí)的超速運(yùn)行目標(biāo)。

7 結(jié)語(yǔ)

128 m打樁船具有無(wú)限航區(qū)拖航能力，服務(wù)范

圍可遍及世界上大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)。目前國(guó)內(nèi)外樁架100 m以上的大型、特大型打樁船具有一定的稀缺性，128 m打樁船建造市場(chǎng)前景良好。128 m打樁船“雄程1”交船后即投入福州—平潭跨海大橋樁基建設(shè)工程，2號(hào)船也正在船廠加緊施工中，科研成果轉(zhuǎn)化優(yōu)勢(shì)明顯。

［1］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 中國(guó)船級(jí)社.非公約尺度船檢驗(yàn)指南［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 中國(guó)海事局.國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］ 中國(guó)船級(jí)社.船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2007.

The building of here and abroad ocean infrastructure needs large numbers of special purposes floating pile driver in recent years， it is very necessary that design floating pile driver satisfying current harbor and navigation infrastructure building requirement，synthesize technical performance excellent，at the same time for adapting harbor and navigation enterprise development，accumulating experiences of research on higher technical level floating pile driver.Through the research on a 128 m floating pile driver piling systemmain performance，load condition and main equipment technical parameter，it solves the key technology problem.At present the first 128 m floating pile driver has been put into operation in success，has fine economic benefit.

Design and research on a 128 m floating pile driver

Yu Quanhu，Zhang Qingsheng(1)

U662.2

A

特大型海洋工程打樁船的研發(fā)與制造，鎮(zhèn)江市新興產(chǎn)業(yè)科技專項(xiàng)(CY2011019)

2014-08-12

于全虎(1974—)，男，高級(jí)工程師，從事船舶動(dòng)力裝置的科研與設(shè)計(jì)工作;章慶生(1964—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事船舶動(dòng)力裝置的科研與設(shè)計(jì)工作。