128 m打桩船桩架结构强度及模态分析

汪 宏 王文 周礼军

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江 212000）

128 m打桩船桩架结构强度及模态分析

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江 212000）

以128 m打桩船桩架为分析对象，利用ANSYS有限元软件建立桩架结构三维模型，模拟其在有风起吊、放置拖航这两种工况下的各构件应力及结构响应状态，校核桩架整体结构强度和稳定性,同时对桩架结构进行模态分析。模拟结果表明，桩架在这两种工况下的材料强度满足安全要求，并就所得数据对桩架的运行安全提出建议。

打桩船；桩架；ANSYS软件；强度校核；模态分析

引 言

科学技术的发展、海洋资源的开发，海上工程从港内施工作业发展为外海乃至远洋作业，带动了海上工程技术的进步。随着海上大型结构逐步向深海发展，对桩基的长度、质量、强度等方面的要求也逐步提高。桩架是专门为海上桩基施工作业建造的起重与导向设备，桩基的要求提高，带动了桩架的优化和发展。

从最初的桩架设计建造［1］、安装工艺［2］，到现时的强度计算［3］、优化改造［4］和稳定性校核的有限元化［5］，国内对于打桩船桩架的相关研究取得了一些实际成果。本文通过利用有限元ANSYS软件［6］，就目前国内最先进和最庞大的128 m打桩船桩架进行研究，对桩架进行强度及结构响应分析。

1 桩架分析工况选取及理论分析

桩架主要由大平台、主弦杆、前后弦杆、侧水平杆及斜杆、龙口、液压油缸、前后支座等构件组成，是空间型桁架-箱体结构。桩架的主要功能可归纳为以下几类：吊桩、打桩、桩基导向。根据功能分类，可获得打桩船出海后桩架出现的工况：非工作状态时，桩架放置拖航；吊桩工况下，分为单钩吊桩和双钩吊桩；打桩工况；引导桩基方向时的桩架变幅工况。若再细分，还能在每种工况下分成不同的桩架倾角。

通过各项资料的整理和综合，本文决定针对桩架典型的两种工况进行分析。这两种工况分别是放置拖航以及风浪作用下的吊桩。桩架结构如图1所示。

其中，对放置拖航状态进行分析主要考虑到桩架在放置状态即工作未开始或者工作已结束，此时打桩船在海上航行，船舶在航行过程中除了受到波浪作用，考虑到强风因素，风压会作用在船身以及桩架上，桩架受风荷载作用的情况不可忽视，不仅会对船舶吃水产生影响，也会对船舶稳性产生影响，因此该工况必须考虑。

图1 桩架结构

而在吊桩作业时，不可能时刻保证无风，因此将整个作业过程设定在有风状态下进行，而且桩架结构承受的载荷也会随风向改变而改变。显而易见，有风吊桩比无风吊桩作业环境更为复杂，考虑有风吊桩，则可以忽略无风吊桩［7］。工况相应参数则按照极限作业要求选取。具体数值见表1。

表1 打桩船工作工况

1.1 工况1

在工况1时，桩架承受自重G1=800 t、桩基重 G2=500 t、起升机构重G3=100 t（固定部分G31=50 t，运动部分重G32=50 t）。根据《船舶与海上设施起重设备规范》（以下简称《船起规范》）中，江苏省船舶设计研究所提供的起升速度资料V=3.4 m/min=0.057 m/s及起升系数公式可得：

式中：φh为起升系数；C为决定于起重机刚度的系数，臂架式取0.3；V为起升速度，m/min。作业系数取λ=1.05。风荷载表达式为：

式中：v为当地对应风速，m/s；q为风压计算值，Pa；c为风力系数；A为构件投影面，m2。

由于安全工作负荷SWL=500×9.8=4 900 kN＞490 kN，因此作用于起升荷载上的风力：

按照规范［8］v = 20 m/s，各构件风载荷Fw= cqA = 0.613 cAv2。

风载荷数值如表2所示。

表2 工况1 各主要构件所受风载荷计算结果汇总

对于工况1，结构所受总载荷

将该总载荷施加到桩架有限元模型上进行计算。其中，Gih为船体倾斜时产生的水平分力，（i=1、2、31、32）。风荷载作用方向取最危险工况方向，即往桩架倾斜方向运动，不考虑背风面构件的受风情况。

1.2 工况2

在工况2时，G1=800、G2=500、G3=100 ；Fw的计算同工况1，取v=55 m/s，可得到如表3所示的计算结果。

表3 工况2 各主要构件所受风载荷计算结果汇总

对于工况2，结构所受总载荷G1+G2+G3+G4+Fw。G4是桩架放置状态下杆所受惯性荷载，考虑其垂直于甲板的惯性力考虑和重力荷载分力方向相同时最为不利；平行于甲板的惯性力考虑和重力荷载分力方向相同，并考虑X、Z方向即船舶横倾和纵倾两种情况。根据规范，取垂直于甲板加速度为 1.0g的惯性载荷，平行于甲板横向加速度为 0.5g的惯性载荷。

2 桩架有限元模型及强度计算结果

结合图1，桩架有限元模型的整体结构见下页图2。根据桩架两种工况的参数，对桩架进行强度有限元分析，并在有限元中设定坐标，X轴与甲板平面平行，指向左舷为正方向；Y轴与甲板平面垂直，指向上为正方向；Z轴与甲板平面平行，指向船首为正方向。桩架前后支腿均固定在船体上，因此对其施加线位移全约束。其中，起升机构固定部分质量等效到顶架平台上，而运动部分质量则附加至桩柱上。

图2 桩架有限元模型

2.1 工况1（有风起吊）

在有风起吊工况下，由于风向作用可能来自各个方向，因此必须考虑风载荷方向，此时的风载荷作用根据表2进行加载。在起吊过程中，存在两种不同的起吊方式，即单钩起吊和双钩起吊，因此在考虑风向的同时还要对起吊方式加以区分。根据资料，风向分别为沿X方向（船横向）和Z方向（船纵向），有风起吊工况如图3所示。

有风起吊工况下，考虑X风向，最大受力点出现在前弦杆及大平台处，桩架各部分的最大应力见表4。风荷载风向的改变，导致了桩架构件受力的改变，其中应力变化较大的构件是后弦杆、侧斜撑杆，在Z方向风荷载作用下，这两个构件可看做是正面承受风荷载的作用，并且在双钩起吊情况下，风向的改变对桩架构件应力也产生一定影响。在风荷载的作用下进行起吊作业的桩架结构强度满足要求。

图3 工况1 桩架结构应力最大

2.2 工况2（放置拖航）

在放置拖航工况下，桩架放倒在船上，此时风载荷作用的横截面积改变，且无起升载荷，起升机构作静力处理。自重载荷通过施加加速度的方法作用于结构模型上。经过计算，所得计算结果如图4所示。

图4 工况2 船舶横倾和纵倾桩架结构最大应力

表4 工况1 桩架结构最大应力值MPa

桩架应力分析结果见表5和表6。对比可知，在风向相同时，船舶横纵倾对杆系构件影响较大，而箱型结构所受应力变化不大，三个支座处的左支脚受力最大，而桩架后弦杆构件是整体结构应力值最大的构件。根据计算，桩架整体所受应力均满足许用应力，支座处节点反力在许用范围之内。其中，材料屈服应力为=550 MPa，安全系数取n=1.5，支座处截面面积A=0.087 m2。

表5 工况2 桩架各构件最大应力值MPa

表6 工况2 桩架三支点反力MN

3 桩架整体结构屈曲分析

针对工况1，达到屈曲极限的桩架结构和屈曲前的结构对比如图5所示。

图5 屈曲时结构的状态

实体部分为屈曲后的结构，虚线圈部分为屈曲前的结构。应用ANSYS对桩架结构进行屈曲分析，施加单位起吊载荷，即桩架结构主要受力方向作用值为1的Y负方向载荷（考虑桩架倾角），求解特征值屈曲解，得到10阶以内的屈曲系数（见表7），周期/频率即为所求屈曲系数，具体结果如下。

表7 工况1 桩架整体屈曲系数

桩架结构在单位荷载作用下，所求的特征值为1阶屈曲系数，而屈曲极限载荷则为特征值与单位载荷的乘积，即0.107 84×108×1 N=10.784×106N，而起吊载荷G2+G32=（500+50）×9.8=5.39×106N。此时，5.39×106N＜10.784×106N，结构在工况最大载荷情况下并未达到屈曲极限，桩架结构稳定。

4 桩架有限元模型及模态分析

模态分析是对桩架自振特性的一种解释，分析本身不需要任何外载荷。在频率0～100 Hz范围内计算桩架的固有振动频率，共计算结构100阶振型结果，取前6阶模态进行对比，结果如图6所示。

根据有限元计算结果，1阶模态振型为沿X方向即沿船横向摇摆；2阶模态振型为沿Z方向即沿船纵向摆动；3阶模态振型则为由Z方向向X方向进行扭转变形；4阶模态振型同一阶模态一样沿着船横向摇摆运动，同时作弯曲和扭转；5阶模态振型沿船纵向摇摆，而且其摇摆幅度远大于2阶模态；6阶模态振型为扭转振型，其扭转幅度远大于3阶模态。根据计算所得结果，第100阶模态对应频率为24.4 Hz，并且100阶模态频率均在0～25 Hz范围内。

桩架放置状态下的响应可以忽略不计，而作业状态下的响应分析不可忽略。在有风起吊工况下对桩架整体进行单钩和双钩吊重响应分析，分析频率在0～100 Hz范围内。对桩架整体结构响应计算结果选取外载荷承受点，得到如下页图7所示结果。

由图7中的结果可以看出，单钩和双钩吊重状态下结构受力点的响应幅值随频率增大而逐渐减小。该点的最大响应峰值在0～20 Hz之间，1阶模态频率为0.542 96 Hz（见下页表8），而其对应的响应赋值约为0.031 2 m。单钩吊重情况该点最大峰值为0.165 m，双钩吊重情况该点最大峰值为0.107 m，其对应频率均在15 Hz左右，出现在低频区域内，而此时1阶模态频率对应的响应幅值0.031 2 m＜0.107 m，因而1阶模态频率对应振动效果不明显。

图6 工况1 桩架不同阶位模态振型

图7 工况1桩架某受力点响应分析

表8 工况1 各阶频率Hz

5 结 论

本文运用ANSYS软件对各工况下128 m打桩船桩架进行模拟，得到以下结论：

（1）对于工况1和工况2，弦杆部分为结果主要受力构件，最大受力部位在后弦杆中部，其所受应力远大于其他构件，仍满足结构强度要求，施工时应注意不要超负荷作业；

（2）对于工况1，在桩架满载情况下双钩起吊和单钩起吊两者计算结果相差不大，结构稳定性也满足要求，3个支座反力均在安全范围之内；

（3）工况1，结构前100阶模态振动频率集中在0～25 Hz范围内，结构的响应最大峰值约为15 Hz。通过对比，结构1阶模态振动幅值小于结构响应最大峰值。

［1］ 汪宏，曾宪邦，李志明.桩架改造设计方案的有限元分析［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2007，21（4）：29-32.

［2］ 王明祥，李家林.打桩船桩架制作及安装新工艺［J］.船舶工程，2010，32（3）：50-53，71.

［3］ 吴晓源，王一飞，李辉.打桩船桩架结构强度有限元分析［J］.计算机辅助工程，2006，15： 87-88.

［4］ 王一军，郑美金，周斌.打桩船桩架加高改造探索［J］.江苏船舶，2005，22（2）：5-7.

［5］ 唐军，唐淼.93米打桩船桩架的起立工况分析［J］.船舶设计通讯，2003（3-4）： 56-66.

［6］ 李卫民，杨红义，王宏祥. ANSYS工程结构实用案例分析［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［7］ 王立军，韦家础，林平根，等.打桩船桩架及支撑结构的强度研究［J］.船舶工程，2008，30（3）：27-29，9.

［8］ 中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范［M］.北京：人民交通出版社. 2007.

Structural strength and modal analysis of pile frame of 128 m pile driving vessel

WANG Hong WANG Jing-wen ZHOU Li-jun
(College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu Sience and Technology University, Zhenjiang 212000, China)

The pile frame on 128m pile driving vessel is analyzed with a 3D pile holder model by ANSYS. It carries out the simulation of component stress and structural response under the two working conditions, lifting cargo with wind and laying towage, and check of the overall strength and stability of pile frame, as well as the modal analysis of pile frame structure. The simulation results show that the material strength of pile frame under the above two working conditions can meet safety requirements, which provide suggestion for the operation of pile frame based on the obtained results.

pile driving vessel; pile frame; ANSYS; strength check; modal analysis

U661.43

A

1001-9855（2014）03-0035-07

江苏科技大学重点实验室资助项目（2007CH032F）。

2013-09-24 ；

2013-10-30

汪 宏（1960-），男，教授，研究方向：打桩船的桩架结构承载力有限元技术。

王璟文（1989-），男，硕士，研究方向：船舶与海洋工程。

周礼军（1978-），男，讲师，研究方向：港口航道与海岸工程。