93.5m打桩船设计研究

张 鹏 万

（原上海船舶研究设计院海工部，上海 201203）

0 引 言

93.5m打桩船是上海船舶研究设计院海工部在 21世纪初为满足沿海大型工程需要而研发设计的超大型打桩船之一，是目前国内同类型打桩船中，作业能力最大，技术性能最先进的打桩船，并以其优异的作业性能和性价比受到用户的青睐。

1 概 述

1.1 船型

打桩船为非自航箱型船，在沿海作业（蒲氏风级7级，水流速≤3.0m/s，有义波高H1/3=0.8m），无限航区调遣。GPS定位，自动化程度高，配备大型变幅油缸变幅和全船液压系统移船和作业。设计过程中进行了耐波性和锚系泊力的分析。全船建模，对桩架、象鼻梁和主船体进行有限元分析，具有足够的强度和刚度。按CCS国际船舶要求入级，具有起重设备证书。船舶的主尺度见表1。

表1 船舶主尺度

1.2 总体布置

打桩船的总体布置见图1、2。

图1 打桩船桩架

图2 打桩船平面

2 纵倾及稳性

主甲板下左右前后均布置有淡水舱、燃油舱、横倾水舱和足够数量的压载水舱，调整浮态。

2.1 纵倾

作业工况时，均无横倾和艏倾，满足植桩要求。

2.2 稳性

该船B/H＞3.0（为5.385），作业稳性按“国内航行海船法定检验技术规则”对起重船要求计算；拖航时完整稳性按“国际航行海船法定检验技术规则”对近海供应船要求计算[1]，并由CCS上海审图中心上报国家海事局批准。本船稳性校核12种工况：

工况 01 100%油水，桩重120t，作业（桩架直立）；

工况 02 10.0%油水，桩重120t，作业（桩架直立）；

工况 03 100%油水，吊重200t，作业（桩架前倾8°）；

工况 04 10.0%油水，吊重200t，作业（桩架前倾8°）；

工况 05 100%油水，避风（桩架放倒）；

工况 06 10.0%油水，避风（桩架放倒）；

工况 07 设计吃水t=2.60m，100%油水，无限航区调遣（桩架放倒）；

工况 08 设计吃水t=2.60m，10.0%油水，无限航区调遣（桩架放倒）；

工况 09 满载吃水t=2.86m，100%油水，无限航区调遣（桩架放倒）；

工况 10 满载吃水t=2.86m，10.0%油水，无限航区调遣（桩架放倒）；

工况 11 满载吃水t=2.86m，100%油水，无限航区调遣，结冰（桩架放倒）；

工况 12 满载吃水t=2.86m，10.0%油水，无限航区调遣，结冰（桩架放倒）；

计算结果滿足法规要求，在作业时稳性有富裕。

由于打桩船为非自航船，按SOLAS公约“国际海上人命安全公约”免除破舱稳性计算[2]。

3 船体结构

船体的主要构件遵照中国船级社“钢质海船入级规范”[3]及最新修改通报的有关要求，参照规范对起重船（或驳船）的要求进行设计。

打桩船为单甲板、全焊接钢质非自航工程船[4]。主船体设四道全通的水密横舱壁和两道贯通艏、艉的水密边纵舱壁。主船体上甲板、船底、舷侧及边纵舱壁均采用纵骨架式，强框架的间距不大于4档肋距。机舱区域两纵舱壁间设置双层底，其高度为1.0m，隔档设置实肋板。由于主船体采用了纵骨架结构形式，具有足够的总纵强度。甲板室采用横骨架式。横舱壁为垂直扶强材加水平桁的横骨架结构形式。在船体主要受力区域和受有集中力的构件及应力复杂区域进行强度校核并作局部加强。

4 移船定位设备

4.1 锚机及锚绞车

该船采用多点锚泊系统作为船舶作业定位和移船。在上甲板的左、右舷设置液压移船锚绞车，每舷各5台，其中1台组合式锚机布置在左舷艉部，锚绞车可在操纵室集控，以实现船舶移位和定位集控；也可在机旁就地控制，进行单机抛锚起锚以及检修调试。

表2 主要技术参数

10台移船锚绞车由液压马达、减速机构、卷筒装置、刹车装置、离合器、机架和底座组成。结构合理紧凑、承载能力大、传动平稳、安全可靠、维护保养方便。卷筒出绳方向为下出绳。配置带式制动器和离合器。刹车和离合器均采用液压缸控制，并可手动应急操作。

锚绞车的液压传动和控制系统包括：绞车液压马达、绞车控制阀组（件）、液压动力源（泵站）。设置必要的油液过滤、加热冷却、过载保护和安全报警等设备。操纵阀组具有换向调速功能，可以配置全液压或电控方式。采用电控时，配套电控设备适应船舶环境条件。可在集控室遥控，以实现船舶移位和定位集控；也可在机旁就地控制，进行单机抛锚起锚以及检修调试。

4.2 航行锚及链

按“规范”舾装数要求配备C型6t霍尔锚1只，配AM2 φ68mm锚链、GB/T549-1996有档电焊锚链1根，长285m；拖航调遣应配备的2个艏锚用艏部作业定位锚替代，并配有短锚链。另需配备2根φ44mm、破断拉力和长度都能满足“规范”要求的高强度钢丝绳索作为航行锚索。

4.3 拖索及系泊索

拖索1根，镀锌钢索6×37－1670，直径φ44mm，长度220m，破断负荷1030kN；系泊索八股高强丙纶绳，直径φ48，长度200m，4根，破断负荷336.5kN。镀锌钢索 6×37－1670，直径φ24mm，长度200m，5根，破断负荷280kN。

5 设计分析

5.1 整船线型

根据船舶重量分布，艏部有桩架及桩，虽然船后部有甲板室及机舱，但机舱位置较前，其重量也较轻，全船重心仍偏舯前较多，故在线型设计时把浮心往前移，结合考虑减摇等情况。整船的线型有以下特征：1) 艏部为圆弧形平底，弧长较短，改善船舶拍击，使浮心前移；2) 艉部采用较长的弧形平底；3) 船舶横剖面为直角舭部，增加横摇阻尼；4) 甲板梁拱高0.3m，使流水、泄水通畅；5) 艉部设两道分水踵，使船在拖航中较稳定，既减摇又减少左右摆艉，有利于拖航。

5.2 总布置特点

1) 艏艉设置足够容积的压载水舱，以满足船舶在各种工况时调整浮态；

2) 机舱及燃油舱设在艉部（主甲板下），减小由于艏部桩架重量引起的纵倾；

3) 主甲板按功能和作业要求，相对集中布置几个区域：艏部为桩架作业区域，舯部为移船和桩架作业绞车设备区域。三层甲板室布置在艉部，第一层为船员生活服务区域，第二层为船员居住区域，第三层为船舶操纵指挥区域，各层甲板室均设内部梯道；

4) 按国际航行船舶“船员舱室设备”和入级要求，调整舱室设备的布置，设有高级船员会客室、医务室和烘衣间等并配置相应设备。

5.3 移船定位锚泊设备

打桩作业时采用多点锚泊实现移船和定位，锚泊系统的性能至关重要，在设计中对超大型打桩船锚泊系统在外界风、浪、流环境载荷作用下受力的极限进行计算，为锚泊系统设计、分析和校核提供依据。

5.3.1 环境条件与环境力

环境条件：

风力： 7级（蒲氏风级）

风速： 15.48m/s

流速： 3m/s

有义波高： H1/3= 0.8m

波浪周期： T = 4.0s

按最恶劣的风、浪、流的方向组合共向情况进行计算，共选择了12种典型的环境条件（见表2）。

表2 锚泊系统计算结果汇总

5.3.2 作业锚和锚索

采用改进型海军锚为作业锚，与常规海军锚比较，横杆适当减小，锚杆加粗，锚冠加大，锚重增加，经改进有助于克服上拔力，增加与泥沙的接触面，提高锚抓力。

作业锚索选用6×37-1671、φ44mm钢索，端部加配长度12.5～15m，AM2 φ68mm锚链，并配有转环卸扣与锚连接，增强了锚抵抗上拔力的能力，使锚较易入土，提高锚爪力。

6 桩架设计

根据设计任务书要求，参照母型船舶选取桩架主结构的主要参数，采用桩架、象鼻梁、主船体三部分建模。用有限元法进行强度分析。桩架为三角形桁架结构（整体式），桩架顶部设置吊锤平台、起重平台。桩架共有11层平台，主舷杆采用DH36高强度直缝管。

6.1 计算模型

包括桩架、象鼻梁及主船体3部分，其中主船体部分从FR0到FR106（在上甲板的甲板室相应区域内以节点质量的形式替代计入）。

有限元模型包括船体的主要构件及桩架的主要桁架结构，如甲板、船底、舷侧和舱壁结构等。计算模型的甲板板、舷侧板、船体外板、舱壁板以及肋板、强横梁、强肋骨、纵桁、水平桁及龙骨的腹板等均模拟为4节点或3节点板单元，普通肋骨、横梁、纵骨、高腹板梁的面板以及桩架结构等均模拟为2节点梁单元。

6.2 构件尺寸和材料特性（见表3）

表3 桩架主要构件尺寸

物理参数为杨氏模量E=2.06×105/N/mm2；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85×10-9/t/mm3。

6.3 计算工况

根据CCS《船舶与海上设施起重设备规范》（以下称“起重设备规范”）的要求，参照《各种装载情况稳性计算书》，采用有限元法分析和计算3种作业状态的不同工况：

1) 无风作业状态。工况1，桩架直立吊桩120t；工况2，桩架前倾8°，最大吊重200t；工况3，桩架后仰69°位置起立；

2) 有风作业状态。工况1，桩架直立吊桩120t；工况2，桩架前倾8°，最大吊重200t；工况3，桩架后仰69°位置起立；

3) 桩架放置状态。根据“起重设备规范”3.2.11.1中的要求，在桩架放置状态下，结构承受两种情况的组合力：工况1，垂直于甲板的加速度1.0g；前后方向平行于甲板的加速度0.5g；静横倾30º；风速55m/s；工况2，垂直于甲板的加速度1.0g；横向平行于甲板的加速度0.5g；静横倾30º；风速55m/s。

6.4 计算载荷

6.4.1 主船体载荷

1) 空船重量2601.4t；2) 压载水舱内压载水压力（压载水高度见《各种装载情况稳性计算书》）；3) 舷外水压力（吃水高度见《各种装载情况稳性计算书》）。

6.4.2 桩架载荷

1) 自重载荷桩架结构重量270t；

2) 吊重（起升）载荷大小见计算工况中所述。以节点质量的形式施加于吊桩平台前端的吊点上。吊重载荷作为桩架起升载荷的一部分。

3) 风载荷根据“起重设备规范”3.2.12.1，有风作业状态下风速为20m/s（大于蒲氏风级7级风时的风速），风压值为245.2Pa，有效受风面积为214.85m2，故风压力为5.268×104N；放置状态下风速为55m/s，风压值为1854.325Pa，故风压力为3.984×105N。

6.4.3 船舶倾斜产生的分力

该船可以在沿海或相当于沿海海况的水域作业，对应海况等级1级，作业时船舶横倾5°、纵倾2°。船舶倾斜产生的分力以重力加速度 g按垂直于甲板方向和平行于甲板方向分解：aL=0.035g，aT=0.087g，aV=0.996g。

该船作业状态下桩架上的载荷及载荷组合为：

(1) 桩架上的自重载荷；

(2) （起升载荷＋船舶倾斜（横倾与纵倾）所产生的起升载荷水平分力）×φh；

(3) 由船舶倾斜（横倾与纵倾）产生的自重载荷水平分力；

(4) 风载荷。

组合载荷为：

无风作业状态：（(1)＋(2)＋(3)）×φd；

有风作业状态：（(1)＋(2)＋(3)）×φd+(4)。

上述中：aL——船舶倾斜产生的平行于甲板的纵向加速度；

aT——船舶倾斜产生的平行于甲板的横向加速度；

aV——船舶倾斜产生的垂直于甲板的加速度；

g——重力加速度，g＝9.81m/s2；

φd——作业系数，取φd=1.20；φh——起升系数，按下式计算：

式中：φw——波浪系数；

该船在无风作业状态下，按H1/3=0.8m的海况，求得φw＝9.22；在有风作业状态下，参照海况等级为2～3级，查得φw＝13.7；

式中：K——起重机系统的刚度，N/mm；Ql——起升载荷，N。

计算得： 无风作业状态下φh=1.3555；有风作业状态下φh=1.6109。

6.5 强度衡准

6.5.1 船体结构和象鼻梁结构

参照“起重设备规范”3.10.7，船体结构构件应力衡准。

6.5.2 桩架结构[5]

根据“起重设备规范”3.2.16中所述，桩架结构构件的许用应力为：

式中：σs——钢材屈服强度，N/mm2；

n——安全系数，按“起重设备规范”表3.2.16.1选取；

β——系数，按“起重设备规范”表2.3.5选取，对于普通钢β=1.0，对于H36高强度钢β=1.018。

在不同状态下，桩架结构构件许用应力值见表4～6。

表4 无风作业状态，安全系数取为n=1.50的许用应力 单位：N/mm2

表5 有风作业状态，安全系数取为n=1.33的许用应力 单位：N/mm2

表6 桩架放置状态下，安全系数取为n=1.15的许用应力 单位：N/mm2

6.6 计算结果

经计算，桩架前弦杆梁及后弦杆梁的单元应力最大值都满足规范要求（见表7、8）。

表7 桩架前弦杆梁单元应力最大值（H36高强度钢） 单位：N/mm2

表8 桩架后弦杆梁单元应力最大值（H36高强度钢） 单位：N/mm2

7 结 语

93.5m打桩船系国内自行设计和建造的超大型打桩船之一，具有独立的知识产权，荣获上海市 2005年重大科技进步三等奖。至今该系列超大型打桩船共建造13艘，为沿海工程建设作出了贡献。

[1] IS Code[S]. 2008.

[2] SOLAS Consolidated Edition[S]. 2009.

[3] 中国船级社. 钢质海船入级规范[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4] 工程船舶设计基准[M]. 工程船舶设计基准翻译小组. 北京：国防工业出版社，1977.

[5] 宋书博. 打桩船桩架强度及稳定性校核计算[J]. 船舶与海洋工程，2013, (4): 29-33.