打樁船樁架支撐架結構強度有限元分析

譚慧娟，薛光遠，吳俊逸，宋 健

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200120；3.杭州市眾硅電子科技有限公司，浙江 杭州 311300)

0 引言

樁架是打樁船的主要工作設備，是專門為海上樁基施工作業建造的起重與導向設備，因此樁架的設計對整條船的設計至關重要[1-2]。根據功能分類，可將其工況分為非作業放置拖航工況和作業吊樁打樁工況。國內對作業工況進行了很多研究，而對非作業放置拖航工況的研究甚少。因在航行擱置狀態中支撐架對樁架的穩定作用至關重要，所以有必要研究此工況下各結構的強度問題。

某80 m打樁船在船首安裝了樁架結構。樁架使用多年后，出現樁架懸臂的晃動問題。為了安全起見，用戶決定在支撐架的后部對原支撐架進行加強。目前有限元直接計算是分析船舶結構強度直觀而準確的方法之一[3]，因此本文以該船的樁架支撐架為研究對象，采用MSC.PATRAN和NASTRAN軟件對整個支撐架結構進行有限元計算分析。

1 支撐架結構改造方案

在拖航狀態下，打樁架倒放在樁架支撐架上。由于支撐架相對靠船首，支撐架后部的樁架懸臂部分相對較長，懸臂部分存在一定的晃動問題。打樁船的原樁架支撐與船體結構連接的示意圖(側視圖)見圖1。

圖1 原支撐架結構布置圖

本文提出的加強方案內容是：保留原支撐架結構不動，在支撐架的后部對原支撐架進行加強；加強的結構與原支撐架和主船體及甲板室進行可靠連接；在加強的支撐架頂部對倒放后的樁架進行再支撐。該加強方案有效縮短了樁架的懸臂長度，可較好地改善懸臂的晃動，同時也增加了支撐架的強度。加強后的樁架支撐架及連接的船體結構的示意圖(側視圖)見圖2。

2 建立有限元模型

2.1 結構模型

建立模型時采用三維板梁組合單元。主甲板、上層建筑和樁架支撐基座板架結構采用平面四邊形板單元描述板格和腹板；局部過渡區域采用三角形板單元；用一維梁單元描述縱骨、橫梁、強框架面板、樁架支撐架桿件等構件。通過板梁單元組合的力學模型描述與樁架支撐架結構連接的船體結構強度。

圖2 加強后的支撐架結構布置圖

有限元模型的坐標系為直角坐標系，X軸由艉部指向艏部為正，Y軸由右舷指向左舷為正，Z軸垂直向上為正。有限元模型坐標原點建立在一層甲板后端壁與中縱剖面和主甲板面相交處。支撐架結構和與船體連接部分結構有限元模型見圖3。

圖3 加強后的支撐架結構及船體結構有限元模型

加強后的支撐架結構尺寸如下：水平及斜撐桿Φ245 mm×10 mm、Φ219 mm×10 mm；垂直下弦管Φ560 mm×16 mm，上弦管、水平桿Φ426 mm×14 mm；頂部的操作平臺材料均為Q345B。

2.2 邊界條件

有限元模型的底端約束X(縱向)、Y(橫向)、Z(垂向)3個方向的線位移，即三向線位移為0。

2.3 計算載荷

樁架支撐架結構頂部受垂直于前后之間頂部面板連接線的壓力，受力大小為3.172×106kN；前后支架頂部受力采用MPC形式連接，受力方向為垂直于靠船首的支架頂部面板，沿-X軸(向船尾方向)逆時針方向旋轉53°；支撐架底端和船體連接部分，采用MPC形式連接。

3 結果分析

本船體結構包含Q235A和Q345B 2種材料。

Q235A的材料屈服強度為235 MPa。根據《鋼質海船入級規范》(2018)板單元許用相當應力取屈服強度的0.8倍，為188.00 MPa；梁單元正應力取屈服強度的0.67倍，為157.45 MPa；梁單元許用剪切應力取屈服強度的0.39倍，為91.65 MPa。

Q345B的材料屈服強度為345 MPa。根據《鋼質海船入級規范》(2018)板單元許用相當應力取屈服強度的0.8倍，為276.00 MPa；梁單元正應力取屈服強度的0.67倍，為231.15 MPa；梁單元許用剪切應力取屈服強度的0.39倍，為134.55 MPa。

應力結果匯總見表1，應力分布見圖4～圖6。全船應力值均滿足規范許用值要求，Q235A的板單元最大合成應力值為155.00 MPa<188.00 MPa；Q345B的板單元最大合成應力值為257.00 MPa<276.00 MPa，梁單元的最大合成應力值為157.00 MPa<231.15 MPa。

表1 計算后應力結果匯總表 單位：MPa

圖4 所有板單元的最大相當合成應力

圖6 所有梁單元的最大合成應力

4 結論

(1)直接計算后的應力結果顯示，本文加強后的樁架支撐結構的強度滿足規范要求，證明采用該加強方法能夠有效保證原有及加強后的結構強度，且不影響主船體其他結構，大大改善了懸臂晃動的問題，滿足了用戶的使用要求。

(2)支撐架加強部分的結構總質量為20.321 t，質量變化率為1.312%，小于2%；重心縱向位置距船中0.98 m，重心縱向位置變化率為0.005 3L(L為規范定義船長)，小于0.01L。計算結果均滿足法規的相關要求。

(3)本船的穩性裕度較大，穩性也滿足相關法規要求。