胡京招，錢(qián)勝君，張崇明，吳騰偉

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

3 500 m3/h系列絞吸式挖泥船定位鋼樁強(qiáng)度分析及改造

胡京招，錢(qián)勝君，張崇明，吳騰偉

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

3 500 m3/h絞吸式挖泥船是中交三家航道局的主力船型，在國(guó)內(nèi)外大型工程項(xiàng)目中發(fā)揮著重要的作用。定位鋼樁作為絞吸挖泥船的重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著船體定位、傳遞作用力矩的作用，其在作業(yè)工況下的強(qiáng)度對(duì)絞吸挖泥船的安全作業(yè)和持續(xù)施工具有不可忽視的意義。文章以3 500 m3/h絞吸式挖泥船定位鋼樁為研究對(duì)象，針對(duì)惡劣工況，利用樁-土理論進(jìn)行分析，采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究鋼樁的強(qiáng)度和改進(jìn)方法。優(yōu)化改進(jìn)后的鋼樁結(jié)構(gòu)提高了施工安全系數(shù)。

絞吸式挖泥船；定位鋼樁；有限元；強(qiáng)度分析；樁土作用理論

0 引言

定位樁是挖泥船上的重要結(jié)構(gòu)件。定位樁受力復(fù)雜、破損率較高，是挖泥船設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵。目前，國(guó)外對(duì)絞吸式挖泥船定位樁研究不多，發(fā)表的文章較少。國(guó)內(nèi)對(duì)絞吸式挖泥船定位樁系統(tǒng)的研究也鮮有相關(guān)報(bào)道，這與絞吸式挖泥船50多a主要依靠進(jìn)口的歷史有一定關(guān)系。在挖泥過(guò)程中，絞吸式挖泥船用于固定和移船的定位系統(tǒng)有兩種，一種是鋼樁定位系統(tǒng)，一種是三纜定位系統(tǒng)。鋼樁系統(tǒng)中分為獨(dú)立雙鋼樁系統(tǒng)、鋼樁臺(tái)車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)鋼樁、懸臂鋼樁和四鋼樁系統(tǒng)等。本文研究的目標(biāo)主要是鋼樁系統(tǒng)中的定位鋼樁結(jié)構(gòu)。

絞吸式挖泥船通常在尾部設(shè)置1組鋼樁，共有2根，1根為主樁、1根為輔樁（圖1）。當(dāng)絞吸挖泥船工作時(shí)，主樁為定位樁，在液壓系統(tǒng)的輔助下插入海底，固定船體，船體繞鋼樁弧線運(yùn)動(dòng)。完成一個(gè)位置的作業(yè)后，由臺(tái)車(chē)推動(dòng)船體向前進(jìn)一步，到位后繼續(xù)繞定位鋼樁做弧線掃吸作業(yè)，直至鋼樁臺(tái)車(chē)走完一個(gè)行程。然后在液壓系統(tǒng)輔助下，下放輔樁插入海底，提升主樁將其拔出海底，臺(tái)車(chē)及主樁向前移動(dòng)復(fù)位[1]。然后下放主樁至海底，拔出輔樁，開(kāi)始一個(gè)新循環(huán)作業(yè)。

圖1 3 500 m3/h絞吸式挖泥船定位鋼樁Fig.1 3 500 m3/h cutter suction dredger's work spud

在施工作業(yè)過(guò)程中，定位鋼樁承受了由船體傳遞的風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷作用力，以及絞刀在挖掘過(guò)程產(chǎn)生的反作用力。在遠(yuǎn)海工況下，風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷惡劣且復(fù)雜，難以精確計(jì)算。同時(shí)，由于遠(yuǎn)海土質(zhì)特性的特殊性，絞吸挖泥船絞刀在切削土體過(guò)程中的作用力與反作用力較為復(fù)雜，最終，絞刀與土體的切削反作用力傳遞到鋼樁，由鋼樁承受并傳遞到海底接觸區(qū)域[2-3]。因此，定位鋼樁在遠(yuǎn)海施工作業(yè)過(guò)程中承受了各種復(fù)雜的載荷，受力條件極為惡劣。

針對(duì)惡劣施工工況下定位鋼樁易發(fā)生屈曲破壞的情況，本文結(jié)合樁土作用理論，采用ANSYS有限元分析方法，在原來(lái)鋼樁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，改進(jìn)現(xiàn)有鋼樁結(jié)構(gòu)，提高鋼樁可靠性，使之強(qiáng)度滿足遠(yuǎn)海施工要求，保障船體安全、持續(xù)施工作業(yè)。

1 絞吸挖泥船環(huán)境載荷分析

目前，3 500 m3/h絞吸船是中交三家航道局施工主力船型，本文以3 500 m3/h絞吸式挖泥船為研究實(shí)例，選取風(fēng)力7級(jí)、浪高4 m、流速2 m/s的海況進(jìn)行環(huán)境載荷分析。

3 500 m3/h絞吸式挖泥船主尺度通常為：總長(zhǎng)104.8 m；船體長(zhǎng)度82.6 m；型寬18.2 m；型深5.2 m；設(shè)計(jì)吃水3.6 m。

1）風(fēng)載荷

絞吸船在工作時(shí)，受風(fēng)面積為水面以上浮箱面積與上層建筑面積。因此，當(dāng)風(fēng)向垂直于舷側(cè)方向時(shí)，絞吸船船體的受風(fēng)面積S=82.6×（5.2-3.6）+35×9.2=454.16 m2。當(dāng)風(fēng)向與船長(zhǎng)方向一致時(shí)，絞吸船船體的受風(fēng)面積S=18.2×（5.2-3.6）+14×12=197.12 m2。

查風(fēng)力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（蒲福風(fēng)級(jí)表）可知，7級(jí)風(fēng)的風(fēng)速為13.9~17.1 m/s，這里取平均V= 15.5 m/s。風(fēng)壓q=0.613×10-3V2=0.147 kPa。

綜上所述，取形狀系數(shù)C=1.0，α=90°，可算出絞吸船主船體所受風(fēng)載荷。

風(fēng)向沿船長(zhǎng)方向時(shí)：

Fw=CqSsinα=1×0.147×197.12×sin 90°=28.98 kN

風(fēng)向垂直于船長(zhǎng)方向時(shí)：

Fw=CqSsinα=1×0.147×454.16×sin 90°=66.76 kN

2）波浪載荷

由于絞吸式挖泥船工作狀態(tài)介于自由船舶和自升式平臺(tái)之間，承受波浪載荷較為復(fù)雜，因此，在計(jì)算規(guī)則波中作用于船舶上的波浪干擾力時(shí)，可以采用著名的傅汝德-克雷諾夫假設(shè)，即在規(guī)則波中船舶的存在不影響波浪中的壓力分布[4]。在波浪高度4 m情況下，船舶受到的波浪力如下。

當(dāng)波浪沿船長(zhǎng)方向時(shí)：

當(dāng)波浪垂直于船長(zhǎng)方向時(shí)：

3）流載荷

流速選取2 m/s，計(jì)算挖泥船船體水線以下部分所受的水流力為：

式中：Fflow為水流力，kN；ρ為海水密度，kg/m3，取1.04×103kg/m3；V為潮流速度，m/s；Aw為水線以下正投影面積，m2；Cx為阻尼系數(shù)，取1.4。

當(dāng)流沿船長(zhǎng)方向時(shí)：

Fflow=（1.04×4×1.2×18.2×3.6×1.4）/2=229kN

當(dāng)流垂直于船長(zhǎng)方向時(shí)：

Fflow=（1.04×4×1.2×82.6×3.6×1.4）/2=1 039kN

2 絞刀-土體相互作用受力分析

絞吸式挖泥船在工作過(guò)程中，絞刀頭與土體切削作用產(chǎn)生作用力與反作用力，絞刀頭受到的反作用力最終通過(guò)橋架和船體傳遞到定位鋼樁，由鋼樁將載荷傳遞至海底。其中，絞刀頭所受的切削力可以分解為3個(gè)方向的力：軸向力Fa，水平方向的力Fh，垂直于軸向及水平方向的力Fv（圖2）。

圖2 絞刀與土體作用受力分解Fig.2 Forces analysis of cutter head and soil

絞刀頭的受力和絞吸式挖泥船的工況是密切相關(guān)的，工作的土質(zhì)不同，以及每次進(jìn)刀的距離和相對(duì)切削厚度不同，絞刀頭的受力都是不同的。因?yàn)榻g刀頭受力較復(fù)雜，尚無(wú)很精確的算法，故采用如下近似公式計(jì)算[5-7]：

根據(jù)3 500 m3/h絞吸挖泥船配備的絞刀功率P=1 250 kW，絞刀頭的半徑R=1.4 m，轉(zhuǎn)速N= 30 r/min，則根據(jù)以上公式計(jì)算出所受外力，得：Fa=113.678 kN，F(xiàn)h=284.195 kN，F(xiàn)v=255.776 kN。

根據(jù)力的來(lái)源以及作用方式，水平方向力Fh與絞車(chē)?yán)ο嗷サ窒?，垂直于軸向及水平方向的力Fv與橋架重力及土體作用力相互抵消。最終通過(guò)絞刀軸與船體傳遞到鋼樁的力是軸向力Fa的分力。在工程計(jì)算中，將Fa產(chǎn)生的力全部作為水平載荷施加到鋼樁與船體接觸的區(qū)域，作為鋼樁外部載荷的一部分進(jìn)行計(jì)算。

3 定位鋼樁在外載荷作用下的受力分析

計(jì)算過(guò)程中假定風(fēng)、浪、流同向，當(dāng)環(huán)境載荷沿船長(zhǎng)方向時(shí)，環(huán)境載荷及絞刀受到外載荷全部傳遞到鋼樁上；當(dāng)環(huán)境載荷垂直船長(zhǎng)方向時(shí)，此時(shí)載荷傳遞到橫移錨與鋼樁上。因此，在惡劣工況下，選擇環(huán)境載荷沿船長(zhǎng)方向?qū)︿摌哆M(jìn)行受力分析[8-9]。

將外載荷施加在鋼樁受力區(qū)域，計(jì)算鋼樁的強(qiáng)度以及剛性，本文通過(guò)有限元的計(jì)算分析方法對(duì)鋼樁進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。

根據(jù)鋼樁尺寸建立有限元模型，采用殼單元進(jìn)行鋼樁模擬[10-11]。將環(huán)境載荷、絞刀傳遞的外載荷加載至鋼樁受力區(qū)域，鋼樁與海底接觸區(qū)域采取彈性支撐約束，由于土質(zhì)的不同，彈性系數(shù)亦不同，在遠(yuǎn)海工況下，選取基床系數(shù)K為5×104kN/m3，將外載荷施加至鋼樁上。

從分析中可以看出，定位鋼樁在外載荷作用下，受力情況比較惡劣。在4 m浪高的海況下，如果單一靠定位鋼樁來(lái)固定船體，鋼樁受到的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了174.89 MPa（圖3），最大變形達(dá)到196.88 mm。

圖3 鋼樁受載荷作用應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of work spud with loads

計(jì)算校核過(guò)程是比較理想的狀態(tài)，忽略了實(shí)際施工過(guò)程中的突發(fā)海況、船體升沉搖擺產(chǎn)生的慣性力、絞刀橫移切削過(guò)程遇到的土質(zhì)突變以及遠(yuǎn)海中長(zhǎng)周期波浪的影響。因此，現(xiàn)有定位鋼樁在遠(yuǎn)海施工工況下，遇到突發(fā)惡劣海況，尤其是在中長(zhǎng)周期波海域，是容易發(fā)生屈服破壞的，施工船舶鋼樁安全系數(shù)較低。

4 遠(yuǎn)海工況下定位鋼樁的優(yōu)化改進(jìn)

4.1 定位鋼樁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

定位鋼樁插入海底后，與海底地基的接觸為彈性基礎(chǔ)接觸，與船體抱箍區(qū)域的接觸為帶有部分自由度的鉸支。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以及工程中實(shí)船調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鋼樁破損的區(qū)域通常在鋼樁與船體接觸的附近區(qū)域，以及鋼樁在海底泥面附近的區(qū)域，此區(qū)域?yàn)槌惺軓澗剌d荷以及船體隨波浪上下浮動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬間動(dòng)載荷的受載區(qū)域。因此，針對(duì)此區(qū)域?qū)︿摌哆M(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化。

在鋼樁設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)鋼樁各個(gè)部位承載情況采用不等厚設(shè)計(jì)，根據(jù)遠(yuǎn)海施工區(qū)域深度，對(duì)鋼樁與船體接觸附近區(qū)域段以及泥面區(qū)域段進(jìn)行局部加厚設(shè)計(jì)，以此來(lái)保證此區(qū)域的強(qiáng)度要求，在鋼樁內(nèi)部縱向設(shè)置縱向扶強(qiáng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加縱向彎曲的剛性。同時(shí)，在鋼樁內(nèi)部受力變形區(qū)域設(shè)置不等間距的環(huán)形加強(qiáng)箍，內(nèi)部受力區(qū)域形成環(huán)形板架結(jié)構(gòu)，合理布置鋼樁不同區(qū)域的剛性和強(qiáng)度，并做好過(guò)渡區(qū)域的平緩過(guò)渡，避免強(qiáng)度突變。

4.2 優(yōu)化后定位鋼樁受力分析

根據(jù)3 500 m3/h絞吸挖泥船鋼樁受力分析結(jié)果，將鋼樁與船體接觸區(qū)域以及泥面附近區(qū)域范圍內(nèi)板厚加厚，并向兩側(cè)逐漸減薄。在原來(lái)基礎(chǔ)上，鋼樁內(nèi)部增加縱向T形型材，在受力變形嚴(yán)重區(qū)域增加環(huán)形箍。

將模型導(dǎo)入ANSYS有限元中，采用掃略型網(wǎng)格劃分方式建立有限元模型，在與泥土接觸區(qū)域建立彈性基礎(chǔ)支撐，基床系數(shù)K選取為5×104kN/m3，將鋼樁承受的環(huán)境載荷以及外界載荷施加在鋼樁上，分別計(jì)算其在外載荷作用下鋼樁的整體變形和各個(gè)地方的應(yīng)力值。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化后的鋼樁在遠(yuǎn)海施工作業(yè)工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為116.3 MPa（圖4），最大變形為145.67 mm，比優(yōu)化前有較大幅度的降低，極大地提高了施工安全系數(shù)。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鋼樁受載應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of work spud with loads after improvement

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，鋼樁在外載荷作用下最大應(yīng)力降低了30%~40%，最大變形量也降低了約30%，較大地提高了鋼樁的強(qiáng)度和剛性，提高了絞吸式挖泥船對(duì)遠(yuǎn)海惡劣海況的施工適用性。隨著國(guó)內(nèi)疏浚公司逐步走向海外，拓展遠(yuǎn)海業(yè)務(wù)，絞吸挖泥船遠(yuǎn)海施工的頻率也越來(lái)越高，保證船舶施工安全，提高鋼樁安全系數(shù)對(duì)遠(yuǎn)海施工的絞吸式挖泥船越來(lái)越重要。

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Strength analysis and improvement on work spud of 3 500 m3/h cutter suction dredgers

HU Jing-zhao,QIAN Sheng-jun,ZHANG Chong-ming,WU Teng-wei
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

The 3 500 m3/h cutter suction dredger is the main ship form for the three dredging companies of CCCC,which plays an important role in the large projects at home and abroad.The work spud is a key equipment of the cutter suction dredger,and plays the role of fixing dredger position and transmitting moment.Under working condition,the strength of work spud is very important for the safe operation and continuous construction of the cutter suction dredger.With the work spud of 3 500 m3/h cutter suction dredgers as the research object,in view of the bad working conditions,we researched the strength and improvement technique of work spud with FEM by using the pile-soil theory.The optimized work spud structure improves the construction safety factor.

cutter suction dredger;work spud;finite element;strength analysis;pile-soil theory

U674.31

A

2095-7874（2016）12-0070-04

10.7640/zggwjs201612015

2016-07-13

胡京招（1985— ），男，河南許昌人，碩士，工程師，船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)。E-mail：hujingzhao@cccc-drc.com