3 500 m3/h系列绞吸式挖泥船定位钢桩强度分析及改造

胡京招，钱胜君，张崇明，吴腾伟

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

3 500 m3/h系列绞吸式挖泥船定位钢桩强度分析及改造

胡京招，钱胜君，张崇明，吴腾伟

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

3 500 m3/h绞吸式挖泥船是中交三家航道局的主力船型，在国内外大型工程项目中发挥着重要的作用。定位钢桩作为绞吸挖泥船的重要设备，担负着船体定位、传递作用力矩的作用，其在作业工况下的强度对绞吸挖泥船的安全作业和持续施工具有不可忽视的意义。文章以3 500 m3/h绞吸式挖泥船定位钢桩为研究对象，针对恶劣工况，利用桩-土理论进行分析，采用有限元数值模拟计算的方法，研究钢桩的强度和改进方法。优化改进后的钢桩结构提高了施工安全系数。

绞吸式挖泥船；定位钢桩；有限元；强度分析；桩土作用理论

0 引言

定位桩是挖泥船上的重要结构件。定位桩受力复杂、破损率较高，是挖泥船设计好坏的关键。目前，国外对绞吸式挖泥船定位桩研究不多，发表的文章较少。国内对绞吸式挖泥船定位桩系统的研究也鲜有相关报道，这与绞吸式挖泥船50多a主要依靠进口的历史有一定关系。在挖泥过程中，绞吸式挖泥船用于固定和移船的定位系统有两种，一种是钢桩定位系统，一种是三缆定位系统。钢桩系统中分为独立双钢桩系统、钢桩台车、转盘钢桩、悬臂钢桩和四钢桩系统等。本文研究的目标主要是钢桩系统中的定位钢桩结构。

绞吸式挖泥船通常在尾部设置1组钢桩，共有2根，1根为主桩、1根为辅桩（图1）。当绞吸挖泥船工作时，主桩为定位桩，在液压系统的辅助下插入海底，固定船体，船体绕钢桩弧线运动。完成一个位置的作业后，由台车推动船体向前进一步，到位后继续绕定位钢桩做弧线扫吸作业，直至钢桩台车走完一个行程。然后在液压系统辅助下，下放辅桩插入海底，提升主桩将其拔出海底，台车及主桩向前移动复位[1]。然后下放主桩至海底，拔出辅桩，开始一个新循环作业。

图1 3 500 m3/h绞吸式挖泥船定位钢桩Fig.1 3 500 m3/h cutter suction dredger's work spud

在施工作业过程中，定位钢桩承受了由船体传递的风、浪、流环境载荷作用力，以及绞刀在挖掘过程产生的反作用力。在远海工况下，风、浪、流环境载荷恶劣且复杂，难以精确计算。同时，由于远海土质特性的特殊性，绞吸挖泥船绞刀在切削土体过程中的作用力与反作用力较为复杂，最终，绞刀与土体的切削反作用力传递到钢桩，由钢桩承受并传递到海底接触区域[2-3]。因此，定位钢桩在远海施工作业过程中承受了各种复杂的载荷，受力条件极为恶劣。

针对恶劣施工工况下定位钢桩易发生屈曲破坏的情况，本文结合桩土作用理论，采用ANSYS有限元分析方法，在原来钢桩设计基础上，改进现有钢桩结构，提高钢桩可靠性，使之强度满足远海施工要求，保障船体安全、持续施工作业。

1 绞吸挖泥船环境载荷分析

目前，3 500 m3/h绞吸船是中交三家航道局施工主力船型，本文以3 500 m3/h绞吸式挖泥船为研究实例，选取风力7级、浪高4 m、流速2 m/s的海况进行环境载荷分析。

3 500 m3/h绞吸式挖泥船主尺度通常为：总长104.8 m；船体长度82.6 m；型宽18.2 m；型深5.2 m；设计吃水3.6 m。

1）风载荷

绞吸船在工作时，受风面积为水面以上浮箱面积与上层建筑面积。因此，当风向垂直于舷侧方向时，绞吸船船体的受风面积S=82.6×（5.2-3.6）+35×9.2=454.16 m2。当风向与船长方向一致时，绞吸船船体的受风面积S=18.2×（5.2-3.6）+14×12=197.12 m2。

查风力等级划分标准（蒲福风级表）可知，7级风的风速为13.9~17.1 m/s，这里取平均V= 15.5 m/s。风压q=0.613×10-3V2=0.147 kPa。

综上所述，取形状系数C=1.0，α=90°，可算出绞吸船主船体所受风载荷。

风向沿船长方向时：

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

风向垂直于船长方向时：

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

2）波浪载荷

由于绞吸式挖泥船工作状态介于自由船舶和自升式平台之间，承受波浪载荷较为复杂，因此，在计算规则波中作用于船舶上的波浪干扰力时，可以采用著名的傅汝德-克雷诺夫假设，即在规则波中船舶的存在不影响波浪中的压力分布[4]。在波浪高度4 m情况下，船舶受到的波浪力如下。

当波浪沿船长方向时：

当波浪垂直于船长方向时：

3）流载荷

流速选取2 m/s，计算挖泥船船体水线以下部分所受的水流力为：

式中：Fflow为水流力，kN；ρ为海水密度，kg/m3，取1.04×103kg/m3；V为潮流速度，m/s；Aw为水线以下正投影面积，m2；Cx为阻尼系数，取1.4。

当流沿船长方向时：

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

当流垂直于船长方向时：

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

2 绞刀-土体相互作用受力分析

绞吸式挖泥船在工作过程中，绞刀头与土体切削作用产生作用力与反作用力，绞刀头受到的反作用力最终通过桥架和船体传递到定位钢桩，由钢桩将载荷传递至海底。其中，绞刀头所受的切削力可以分解为3个方向的力：轴向力Fa，水平方向的力Fh，垂直于轴向及水平方向的力Fv（图2）。

图2 绞刀与土体作用受力分解Fig.2 Forces analysis of cutter head and soil

绞刀头的受力和绞吸式挖泥船的工况是密切相关的，工作的土质不同，以及每次进刀的距离和相对切削厚度不同，绞刀头的受力都是不同的。因为绞刀头受力较复杂，尚无很精确的算法，故采用如下近似公式计算[5-7]：

根据3 500 m3/h绞吸挖泥船配备的绞刀功率P=1 250 kW，绞刀头的半径R=1.4 m，转速N= 30 r/min，则根据以上公式计算出所受外力，得：Fa=113.678 kN，Fh=284.195 kN，Fv=255.776 kN。

根据力的来源以及作用方式，水平方向力Fh与绞车拉力相互抵消，垂直于轴向及水平方向的力Fv与桥架重力及土体作用力相互抵消。最终通过绞刀轴与船体传递到钢桩的力是轴向力Fa的分力。在工程计算中，将Fa产生的力全部作为水平载荷施加到钢桩与船体接触的区域，作为钢桩外部载荷的一部分进行计算。

3 定位钢桩在外载荷作用下的受力分析

计算过程中假定风、浪、流同向，当环境载荷沿船长方向时，环境载荷及绞刀受到外载荷全部传递到钢桩上；当环境载荷垂直船长方向时，此时载荷传递到横移锚与钢桩上。因此，在恶劣工况下，选择环境载荷沿船长方向对钢桩进行受力分析[8-9]。

将外载荷施加在钢桩受力区域，计算钢桩的强度以及刚性，本文通过有限元的计算分析方法对钢桩进行强度校核分析。

根据钢桩尺寸建立有限元模型，采用壳单元进行钢桩模拟[10-11]。将环境载荷、绞刀传递的外载荷加载至钢桩受力区域，钢桩与海底接触区域采取弹性支撑约束，由于土质的不同，弹性系数亦不同，在远海工况下，选取基床系数K为5×104kN/m3，将外载荷施加至钢桩上。

从分析中可以看出，定位钢桩在外载荷作用下，受力情况比较恶劣。在4 m浪高的海况下，如果单一靠定位钢桩来固定船体，钢桩受到的应力已经达到了174.89 MPa（图3），最大变形达到196.88 mm。

图3 钢桩受载荷作用应力分布Fig.3 Stress distribution of work spud with loads

计算校核过程是比较理想的状态，忽略了实际施工过程中的突发海况、船体升沉摇摆产生的惯性力、绞刀横移切削过程遇到的土质突变以及远海中长周期波浪的影响。因此，现有定位钢桩在远海施工工况下，遇到突发恶劣海况，尤其是在中长周期波海域，是容易发生屈服破坏的，施工船舶钢桩安全系数较低。

4 远海工况下定位钢桩的优化改进

4.1 定位钢桩的结构优化

定位钢桩插入海底后，与海底地基的接触为弹性基础接触，与船体抱箍区域的接触为带有部分自由度的铰支。通过计算机数值模拟以及工程中实船调研，发现钢桩破损的区域通常在钢桩与船体接触的附近区域，以及钢桩在海底泥面附近的区域，此区域为承受弯矩载荷以及船体随波浪上下浮动时产生的瞬间动载荷的受载区域。因此，针对此区域对钢桩进行结构改进和优化。

在钢桩设计过程中，根据钢桩各个部位承载情况采用不等厚设计，根据远海施工区域深度，对钢桩与船体接触附近区域段以及泥面区域段进行局部加厚设计，以此来保证此区域的强度要求，在钢桩内部纵向设置纵向扶强结构，进一步增加纵向弯曲的刚性。同时，在钢桩内部受力变形区域设置不等间距的环形加强箍，内部受力区域形成环形板架结构，合理布置钢桩不同区域的刚性和强度，并做好过渡区域的平缓过渡，避免强度突变。

4.2 优化后定位钢桩受力分析

根据3 500 m3/h绞吸挖泥船钢桩受力分析结果，将钢桩与船体接触区域以及泥面附近区域范围内板厚加厚，并向两侧逐渐减薄。在原来基础上，钢桩内部增加纵向T形型材，在受力变形严重区域增加环形箍。

将模型导入ANSYS有限元中，采用扫略型网格划分方式建立有限元模型，在与泥土接触区域建立弹性基础支撑，基床系数K选取为5×104kN/m3，将钢桩承受的环境载荷以及外界载荷施加在钢桩上，分别计算其在外载荷作用下钢桩的整体变形和各个地方的应力值。

从计算结果可以看出，结构改进优化后的钢桩在远海施工作业工况下，产生的最大应力为116.3 MPa（图4），最大变形为145.67 mm，比优化前有较大幅度的降低，极大地提高了施工安全系数。

图4 结构优化后钢桩受载应力分布Fig.4 Stress distribution of work spud with loads after improvement

5 结语

通过对钢桩结构的优化改进，钢桩在外载荷作用下最大应力降低了30%~40%，最大变形量也降低了约30%，较大地提高了钢桩的强度和刚性，提高了绞吸式挖泥船对远海恶劣海况的施工适用性。随着国内疏浚公司逐步走向海外，拓展远海业务，绞吸挖泥船远海施工的频率也越来越高，保证船舶施工安全，提高钢桩安全系数对远海施工的绞吸式挖泥船越来越重要。

[1] 刘伟力，聂武，冯峰.挖泥船定位桩设计方法分析与比较[J].哈尔滨工程大学学报，2002（4）：5-7，4. LIU Wei-li,NIE Wu,FENG Feng.Design method analysis and comparison for spud of dredger[J].Journal of Harbin Engineering University,2002(4):5-7,4.

[2]蒋如宏，何炎平，余龙，等.大型绞吸式挖泥船台车系统的设计研究[J].船舶工程，2007（3）：41-43. JIANG Ru-hong,HE Yan-ping,YU Long,et al.Design study on large car-type system of cutter suction dredger[J].Ship Engineering, 2007(3):41-43.

[3] 倪文华.挖泥船台车移位系统设计分析[J].船舶，2002（8）：56-58. NI Wen-hua.Design analysis of spud carriage shifting system of dredging boat[J].Ship&Boat,2002(8):56-58.

[4]竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津：天津大学出版社，1991：27-31. ZHU Yan-rong.Wave mechanics for oceanengineering[M]. TianJin:TianJin University Press，1991：27-31.

[5]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004：35-67. LI Guang-xin.Advanced soil mechanics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004:35-67.

[6] MIEDEMA S A.Calculation of the cutting forces when cutting in fully saturated sand[D].The Netherlands:Delft University of Technology,1987.

[7]王谷谦.疏浚工程手册[M].上海：中交上海航道局有限公司，1994. WANG Gu-qian.Dredging engineering book[M].Shanghai:CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.,1994.

[8] MORISON J R,Johnson J W,OBRIEN M P.Experimental studies of forces on piles[J].Coastal Engineering Proceedings,1953(4): 340-370.

[9]OCIMF1994,PredictionofwindloadsandcurrentloadsonVLCCs[S].

[10]苗得雨.绞吸式挖泥船定位桩系统受力分析[D].天津：天津大学建筑工程学院，2008. MIAO De-yu.Structure force analysis of the spud system of the cutter suction dredger[D].Tianjin:School of Civil Engineering, Tianjin University,2008.

[11]黄贤.绞吸式挖泥船定位桩台车系统设计和研究[D].上海：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，2009. HUANG Xian.Design and study of cutter suction dredger's spudcarriage system[D].Shanghai:School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University,2009.

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，河南许昌人，硕士，工程师，船舶与海洋工程专业。E-mail：hujingzhao@cccc-drc.com