一種液壓打樁錘樁套變徑裝置設計與分析

摘 要：針對日益廣泛應用的液壓打樁錘大樁套內徑變徑方式進行研究，通過提供一種新型可替換插入式裝置改變傳統焊接式變徑方式，降低對母材的破壞，提供施工現場作業效率；并利用Ansys軟件進行兩種危險工種應力及應變分析，以改進設計。

關鍵詞：液壓打樁錘；樁套；有限元分析；變徑裝置

1 概況

液壓打樁錘是海洋工程如海洋石油工程導管架樁基作業、海洋風電工程樁基安裝、跨海大橋樁基作業等領域應用廣泛的關鍵設備，它通過大能量傳遞把鋼樁打入海底預定深度，從而實現海上結構物的固定。打樁錘樁套則是讓液壓打樁錘放置于鋼樁上的重要組成部件。尤其是當前海洋石油工程及風電市場的蓬勃發展，海上鋼樁直徑越來越大，對樁套來說規格也逐漸變大同時由于其結構及材質特殊，價格也往往不菲。

當前，液壓打樁錘的用戶購置時只按照可能需求的最大樁徑隨打樁錘購置一個樁套，而當需要作業于較小直徑鋼樁時，通常做法是在原樁套內部焊接若干條狀筋板實現內徑變化。

這種方法缺點明顯，一是耗時耗材，每次焊接需大量優質鋼材板和焊材，且這些鋼材不能再重復利用；二是長期往復焊接對原樁套母材造成不可修復性破壞，三是對焊接工藝要求高，打樁錘作業的一個關鍵點在于樁錘砧鐵、樁套和鋼樁的中心在一條直線上，而逐條焊接筋板的變徑工藝就顯然不可避免的造成變徑的樁徑存在較大圓周度誤差，則在長時間打樁作業時存在筋板變形風險，容易對打樁設備造成破壞。

文章在于介紹一種新的液壓打樁錘樁套內徑變徑裝置，克服現有技術存在的上述缺點，并進行危險工況有限元分析。

圖1 液壓打樁錘

2 設計方案及簡圖

該裝置，即可替換變徑套芯的設計原理如圖2所示，它通過高強螺栓緊固件與打樁錘樁套進行固定連接；樁套芯為管狀結構，樁套芯的一端安裝有導向環。

其工作原理為打樁錘體通過連接法蘭7將砧鐵1和錘套2連接為一體，而砧鐵1放在錘體和錘套2中間處于自由狀態；樁套芯3為管狀結構，樁套芯3的一端安裝有導向環9，樁套芯3通過緊固件和錘套2進行固定連接，使打樁錘可以順利安放在鋼樁5上，并實現和砧鐵1的面接觸。

新型變徑樁套芯可以根據常用變徑尺寸系列化，實現了業現場安全快速拆換；且可以實現重復作業使用，節省了大量的鋼材、資金和工程成本；同時，可使變徑圓周度可控，降低了作業風險；并實現了對原樁套母材最大保護，提高了現場作業效率。

1、砧鐵，2、錘套，3、樁套芯，4、螺栓，5、鋼樁，6、底座，

7、連接法蘭，8、導向套筒，9、導向環

圖2 可替換變徑套芯原理圖

3 有限元分析

根據液壓打樁錘的工作流程，對帶有該裝置的樁套下放過程中受力的兩種危險工況分別分析，結果如下：

3.1下放過程中斜筋板最先接觸樁壁（工況一）

圖3 應力云圖（工況一） 圖4位移云圖（工況一）

3.2下放過程中排水孔處最先接觸樁壁（工況二）

圖5應力云圖（工況二） 圖6位移云圖（工況二）

綜上兩種工況初步的分析結果，當材料選用Q345D時，最大局部應力均要求不超過0.8*345=276MPa，因此目前結構形式是滿足強度要求的。通過有限元分析結果的位移云圖可見，兩種工況下在錘套下放過程中最大累積變形量均出現在錘套底部未接觸樁壁的一側，最大值處于1.4-3cm之間。

4 結束語

（1）雖然最大局部應力268MPa不超標，但裕量較小，建議在排水孔周圍處增加一圈補強板則可更有效減小局部應力，達到優化目的。

（2）最大形變位置主要是由于這一側的錘套并未有來自于底部樁的支撐，基本處于一個懸空狀態，因此變形量相對較大，但變形量相對整體錘套結構尺寸而言較為微小，因此并不影響正常使用。

（3）根據設計結果，為某1200KJ液壓打樁錘設計制造一套108-96\"變徑套芯，在海上作業期間更換時間僅用了4小時，大大提高了作業效率，連續完成5萬錘打樁作業，未發生破壞性變形，使用效果良好。