海洋工程替打樁替打段設計介紹

張樂 秦一楠

摘 要：替打段作為替打樁的施工工具，在替打樁施工中有不可替代的作用。設計好替打段有助于現場打樁施工安全、高效進行。本文結合實際工程項目對替打段設計進行了介紹，其主要設計包括強度分析、屈曲分析和疲勞分析。

關鍵詞：替打樁；替打段；強度分析；屈曲分析；疲勞分析

中圖分類號：TE3 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）9-0068-02

近年來隨著海洋資源的開發利用，我國海洋工程日益增多，這對我們既是機遇也是挑戰。海洋石油開采固定平臺，單點系泊的管匯、錨樁，海上風電等些結構物在海洋復雜惡劣條件下，要實現正常工作就需要有牢固的基礎。這給海上樁基工程的發展提供了更多機會，同時也帶來新的挑戰。替打樁是在常規樁的基礎上進一步發展而來的新型樁，基于生產工藝、安全和環保的要求，這種樁施工時需要把整根鋼樁完全送入泥面以下，這對海上樁基施工提出了更高的要求。

海上樁基工程的施工往往占據結構物海上安裝的大部分時間，而海上施工的費用是非常昂貴的，一天就需要幾百萬，比如中海油的藍鯨工程船一天就需要二百多萬的費用。保證樁的安全、順利、高效地安裝勢必給海洋開發利用帶來更大的經濟效益。

本文基于上述海洋工程發展要求、樁基礎工程特點，結合實際工程項目，對替打樁替打段設計進行介紹，以此探討替打樁的安裝設計，實現用有效設計來服務現場施工，最終達到施工既安全又經濟的目的。

替打段是為替打樁順利安裝而設計鋼管結構物。為了保證樁的安裝順利進行，需要對其進行強度校核、屈曲校核及疲勞校核。除了滿足上述要求外，替打段的設計還要盡量減輕重量、減少高度，以實現既安全又經濟的目標。

1項目數據簡介

本文將采用實際工程項目數據來介紹替打樁替打段的安裝設計過程。此項目為中國海洋石油公司海外工程項目——西非海管及單點安裝項目。該項目有50根樁，按材質、樁徑、樁長、壁厚、設計入泥深度等，可將其分成三種。以直徑1219mm的樁為例進行介紹，此類樁樁長20m，設計入泥也是20m。根據可打入性分析可預測此類樁安裝過程中最大錘擊力為17647.9 kN，最大錘擊數為9.577×104。

此項目選用MHU 150S錘和IHC S90錘作為打樁錘。根據錘套內徑、內壁深度和樁徑，確定替打段上端直徑為914mm，底端直徑為1219mm，中部位為變徑部位。

2強度校核

打樁時，替打段安放在錘與樁之間，打樁錘擊力將通過替打段傳遞給樁。強度校核采用有限元分析，應用ANSYS軟件，用Shell181單元建模，進行常規分析。此分析目的主要是校核結構強度，另外還可為后面的屈曲、疲勞分析提供應力數據。此部分分析簡單，毋庸贅述，但計算過程中注意以下幾點：建模盡量用規則單元，單元尺寸控制在3～4倍板厚水平；加載采用最大打樁力，方向沿軸向以模擬錘擊力；邊界條件采用底部鉸支模擬替打段與樁的接觸。

計算結果為最大應力222.40MPa，小于鋼材屈服強度。變徑段最大應力幅值為74.85MPa，此數值用于后面分析。

3屈曲校核

3.1理論公式

替打段的屈曲校核采用形狀控制校核方法。替打段變徑部位，往往是容易發生屈曲失穩的部位，根據API規范的相關要求[2]，形狀控制校核方法就是要通過控制變徑段的角度使其小于臨界角來防止發生屈曲失穩。此外，還需對縱向應力、環向應力驗算。主要公式羅列如下[4]：

3.2項目應用

根據直徑與壁厚的比值，來查得變徑段的臨界角度。此替打段的最大臨界角為7.5度，實際設計為7度，滿足形狀控制要求。

由于替打段上下端是插入錘套和樁頭中，在打樁過程中替打段主要受的軸向錘擊力。作用的錘擊力為17647.9kN，根據截面性質，可以求得其受的壓應力為fa=182.584 MPa，彎曲應力為fb=0 MPa。將求得的壓應力、彎曲應力代入上面的實際應力計算公式，可以求得實際的縱向應力、環向應力分別為fb‘=97.215 MPa和fh‘=51.556 MPa。根據結構尺寸可以求得環向許用應力為Fhc=335 MPa。將實際應力與材料屈服強度、環向許用應力比較，可知實際值小于許用值，替打段滿足防止屈曲發生的要求。

4疲勞校核

4.1理論公式

替打段的疲勞校核，采用工程界最常用到的損傷分析法。參照DNV規范[3]，損傷分析法的主要公式如下：

4.2項目應用

結合本項目具體介紹下疲勞分析過程。首先，提取替打段強度校核結果中過度段的應力幅值74.85MPa，采用應力與循環次數曲線（S-N Curve）中的D曲線[5]，可確定在此應力水平下的最大循環次數N為9.479×105。然后，將打樁分析中總的錘擊數9.577×104作為實際循環次數。將實際循環次數與最大循環次數對比，最終求得損傷系數D。

5結論

本文結合實際工程項目對替打樁替打段設計進行了詳細介紹。替打段作為打樁施工的工具，看似微不足道，但只有把其設計做全、做細、做深，才能有效服務現場施工、保證施工過程的安全，最終達到施工既安全又經濟的目的。

參考文獻：

[1] American Institute of Steel Construction， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition， 1989.

[2] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design， 21st Edition， 2007.

[3] DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures， 2012.

[4] 海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法—工作應力設計法[M].國家發展和改革委員會，2004-07-03.

[5] 胡毓仁，陳伯真. 船舶及海洋工程結構疲勞可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.11.