張 鵬 萬(wàn)

（原上海船舶研究設(shè)計(jì)院海工部，上海 201203）

0 引 言

93.5m打樁船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院海工部在 21世紀(jì)初為滿足沿海大型工程需要而研發(fā)設(shè)計(jì)的超大型打樁船之一，是目前國(guó)內(nèi)同類型打樁船中，作業(yè)能力最大，技術(shù)性能最先進(jìn)的打樁船，并以其優(yōu)異的作業(yè)性能和性價(jià)比受到用戶的青睞。

1 概 述

1.1 船型

打樁船為非自航箱型船，在沿海作業(yè)（蒲氏風(fēng)級(jí)7級(jí)，水流速≤3.0m/s，有義波高H1/3=0.8m），無(wú)限航區(qū)調(diào)遣。GPS定位，自動(dòng)化程度高，配備大型變幅油缸變幅和全船液壓系統(tǒng)移船和作業(yè)。設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了耐波性和錨系泊力的分析。全船建模，對(duì)樁架、象鼻梁和主船體進(jìn)行有限元分析，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。按CCS國(guó)際船舶要求入級(jí)，具有起重設(shè)備證書(shū)。船舶的主尺度見(jiàn)表1。

表1 船舶主尺度

1.2 總體布置

打樁船的總體布置見(jiàn)圖1、2。

圖1 打樁船樁架

圖2 打樁船平面

2 縱傾及穩(wěn)性

主甲板下左右前后均布置有淡水艙、燃油艙、橫傾水艙和足夠數(shù)量的壓載水艙，調(diào)整浮態(tài)。

2.1 縱傾

作業(yè)工況時(shí)，均無(wú)橫傾和艏傾，滿足植樁要求。

2.2 穩(wěn)性

該船B/H＞3.0（為5.385），作業(yè)穩(wěn)性按“國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則”對(duì)起重船要求計(jì)算；拖航時(shí)完整穩(wěn)性按“國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則”對(duì)近海供應(yīng)船要求計(jì)算[1]，并由CCS上海審圖中心上報(bào)國(guó)家海事局批準(zhǔn)。本船穩(wěn)性校核12種工況：

工況 01 100%油水，樁重120t，作業(yè)（樁架直立）；

工況 02 10.0%油水，樁重120t，作業(yè)（樁架直立）；

工況 03 100%油水，吊重200t，作業(yè)（樁架前傾8°）；

工況 04 10.0%油水，吊重200t，作業(yè)（樁架前傾8°）；

工況 05 100%油水，避風(fēng)（樁架放倒）；

工況 06 10.0%油水，避風(fēng)（樁架放倒）；

工況 07 設(shè)計(jì)吃水t=2.60m，100%油水，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣（樁架放倒）；

工況 08 設(shè)計(jì)吃水t=2.60m，10.0%油水，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣（樁架放倒）；

工況 09 滿載吃水t=2.86m，100%油水，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣（樁架放倒）；

工況 10 滿載吃水t=2.86m，10.0%油水，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣（樁架放倒）；

工況 11 滿載吃水t=2.86m，100%油水，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣，結(jié)冰（樁架放倒）；

工況 12 滿載吃水t=2.86m，10.0%油水，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣，結(jié)冰（樁架放倒）；

計(jì)算結(jié)果滿足法規(guī)要求，在作業(yè)時(shí)穩(wěn)性有富裕。

由于打樁船為非自航船，按SOLAS公約“國(guó)際海上人命安全公約”免除破艙穩(wěn)性計(jì)算[2]。

3 船體結(jié)構(gòu)

船體的主要構(gòu)件遵照中國(guó)船級(jí)社“鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范”[3]及最新修改通報(bào)的有關(guān)要求，參照規(guī)范對(duì)起重船（或駁船）的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

打樁船為單甲板、全焊接鋼質(zhì)非自航工程船[4]。主船體設(shè)四道全通的水密橫艙壁和兩道貫通艏、艉的水密邊縱艙壁。主船體上甲板、船底、舷側(cè)及邊縱艙壁均采用縱骨架式，強(qiáng)框架的間距不大于4檔肋距。機(jī)艙區(qū)域兩縱艙壁間設(shè)置雙層底，其高度為1.0m，隔檔設(shè)置實(shí)肋板。由于主船體采用了縱骨架結(jié)構(gòu)形式，具有足夠的總縱強(qiáng)度。甲板室采用橫骨架式。橫艙壁為垂直扶強(qiáng)材加水平桁的橫骨架結(jié)構(gòu)形式。在船體主要受力區(qū)域和受有集中力的構(gòu)件及應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度校核并作局部加強(qiáng)。

4 移船定位設(shè)備

4.1 錨機(jī)及錨絞車

該船采用多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)作為船舶作業(yè)定位和移船。在上甲板的左、右舷設(shè)置液壓移船錨絞車，每舷各5臺(tái)，其中1臺(tái)組合式錨機(jī)布置在左舷艉部，錨絞車可在操縱室集控，以實(shí)現(xiàn)船舶移位和定位集控；也可在機(jī)旁就地控制，進(jìn)行單機(jī)拋錨起錨以及檢修調(diào)試。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

10臺(tái)移船錨絞車由液壓馬達(dá)、減速機(jī)構(gòu)、卷筒裝置、剎車裝置、離合器、機(jī)架和底座組成。結(jié)構(gòu)合理緊湊、承載能力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、安全可靠、維護(hù)保養(yǎng)方便。卷筒出繩方向?yàn)橄鲁隼K。配置帶式制動(dòng)器和離合器。剎車和離合器均采用液壓缸控制，并可手動(dòng)應(yīng)急操作。

錨絞車的液壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)包括：絞車液壓馬達(dá)、絞車控制閥組（件）、液壓動(dòng)力源（泵站）。設(shè)置必要的油液過(guò)濾、加熱冷卻、過(guò)載保護(hù)和安全報(bào)警等設(shè)備。操縱閥組具有換向調(diào)速功能，可以配置全液壓或電控方式。采用電控時(shí)，配套電控設(shè)備適應(yīng)船舶環(huán)境條件?？稍诩厥疫b控，以實(shí)現(xiàn)船舶移位和定位集控；也可在機(jī)旁就地控制，進(jìn)行單機(jī)拋錨起錨以及檢修調(diào)試。

4.2 航行錨及鏈

按“規(guī)范”舾裝數(shù)要求配備C型6t霍爾錨1只，配AM2 φ68mm錨鏈、GB/T549-1996有檔電焊錨鏈1根，長(zhǎng)285m；拖航調(diào)遣應(yīng)配備的2個(gè)艏錨用艏部作業(yè)定位錨替代，并配有短錨鏈。另需配備2根φ44mm、破斷拉力和長(zhǎng)度都能滿足“規(guī)范”要求的高強(qiáng)度鋼絲繩索作為航行錨索。

4.3 拖索及系泊索

拖索1根，鍍鋅鋼索6×37－1670，直徑φ44mm，長(zhǎng)度220m，破斷負(fù)荷1030kN；系泊索八股高強(qiáng)丙綸繩，直徑φ48，長(zhǎng)度200m，4根，破斷負(fù)荷336.5kN。鍍鋅鋼索 6×37－1670，直徑φ24mm，長(zhǎng)度200m，5根，破斷負(fù)荷280kN。

5 設(shè)計(jì)分析

5.1 整船線型

根據(jù)船舶重量分布，艏部有樁架及樁，雖然船后部有甲板室及機(jī)艙，但機(jī)艙位置較前，其重量也較輕，全船重心仍偏舯前較多，故在線型設(shè)計(jì)時(shí)把浮心往前移，結(jié)合考慮減搖等情況。整船的線型有以下特征：1) 艏部為圓弧形平底，弧長(zhǎng)較短，改善船舶拍擊，使浮心前移；2) 艉部采用較長(zhǎng)的弧形平底；3) 船舶橫剖面為直角舭部，增加橫搖阻尼；4) 甲板梁拱高0.3m，使流水、泄水通暢；5) 艉部設(shè)兩道分水踵，使船在拖航中較穩(wěn)定，既減搖又減少左右擺艉，有利于拖航。

5.2 總布置特點(diǎn)

1) 艏艉設(shè)置足夠容積的壓載水艙，以滿足船舶在各種工況時(shí)調(diào)整浮態(tài)；

2) 機(jī)艙及燃油艙設(shè)在艉部（主甲板下），減小由于艏部樁架重量引起的縱傾；

3) 主甲板按功能和作業(yè)要求，相對(duì)集中布置幾個(gè)區(qū)域：艏部為樁架作業(yè)區(qū)域，舯部為移船和樁架作業(yè)絞車設(shè)備區(qū)域。三層甲板室布置在艉部，第一層為船員生活服務(wù)區(qū)域，第二層為船員居住區(qū)域，第三層為船舶操縱指揮區(qū)域，各層甲板室均設(shè)內(nèi)部梯道；

4) 按國(guó)際航行船舶“船員艙室設(shè)備”和入級(jí)要求，調(diào)整艙室設(shè)備的布置，設(shè)有高級(jí)船員會(huì)客室、醫(yī)務(wù)室和烘衣間等并配置相應(yīng)設(shè)備。

5.3 移船定位錨泊設(shè)備

打樁作業(yè)時(shí)采用多點(diǎn)錨泊實(shí)現(xiàn)移船和定位，錨泊系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)中對(duì)超大型打樁船錨泊系統(tǒng)在外界風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷作用下受力的極限進(jìn)行計(jì)算，為錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和校核提供依據(jù)。

5.3.1 環(huán)境條件與環(huán)境力

環(huán)境條件：

風(fēng)力： 7級(jí)（蒲氏風(fēng)級(jí)）

風(fēng)速： 15.48m/s

流速： 3m/s

有義波高： H1/3= 0.8m

波浪周期： T = 4.0s

按最惡劣的風(fēng)、浪、流的方向組合共向情況進(jìn)行計(jì)算，共選擇了12種典型的環(huán)境條件（見(jiàn)表2）。

表2 錨泊系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果匯總

5.3.2 作業(yè)錨和錨索

采用改進(jìn)型海軍錨為作業(yè)錨，與常規(guī)海軍錨比較，橫桿適當(dāng)減小，錨桿加粗，錨冠加大，錨重增加，經(jīng)改進(jìn)有助于克服上拔力，增加與泥沙的接觸面，提高錨抓力。

作業(yè)錨索選用6×37-1671、φ44mm鋼索，端部加配長(zhǎng)度12.5～15m，AM2 φ68mm錨鏈，并配有轉(zhuǎn)環(huán)卸扣與錨連接，增強(qiáng)了錨抵抗上拔力的能力，使錨較易入土，提高錨爪力。

6 樁架設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，參照母型船舶選取樁架主結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，采用樁架、象鼻梁、主船體三部分建模。用有限元法進(jìn)行強(qiáng)度分析。樁架為三角形桁架結(jié)構(gòu)（整體式），樁架頂部設(shè)置吊錘平臺(tái)、起重平臺(tái)。樁架共有11層平臺(tái)，主舷桿采用DH36高強(qiáng)度直縫管。

6.1 計(jì)算模型

包括樁架、象鼻梁及主船體3部分，其中主船體部分從FR0到FR106（在上甲板的甲板室相應(yīng)區(qū)域內(nèi)以節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的形式替代計(jì)入）。

有限元模型包括船體的主要構(gòu)件及樁架的主要桁架結(jié)構(gòu)，如甲板、船底、舷側(cè)和艙壁結(jié)構(gòu)等。計(jì)算模型的甲板板、舷側(cè)板、船體外板、艙壁板以及肋板、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、縱桁、水平桁及龍骨的腹板等均模擬為4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元，普通肋骨、橫梁、縱骨、高腹板梁的面板以及樁架結(jié)構(gòu)等均模擬為2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?/p>

6.2 構(gòu)件尺寸和材料特性（見(jiàn)表3）

表3 樁架主要構(gòu)件尺寸

物理參數(shù)為楊氏模量E=2.06×105/N/mm2；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85×10-9/t/mm3。

6.3 計(jì)算工況

根據(jù)CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（以下稱“起重設(shè)備規(guī)范”）的要求，參照《各種裝載情況穩(wěn)性計(jì)算書(shū)》，采用有限元法分析和計(jì)算3種作業(yè)狀態(tài)的不同工況：

1) 無(wú)風(fēng)作業(yè)狀態(tài)。工況1，樁架直立吊樁120t；工況2，樁架前傾8°，最大吊重200t；工況3，樁架后仰69°位置起立；

2) 有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)。工況1，樁架直立吊樁120t；工況2，樁架前傾8°，最大吊重200t；工況3，樁架后仰69°位置起立；

3) 樁架放置狀態(tài)。根據(jù)“起重設(shè)備規(guī)范”3.2.11.1中的要求，在樁架放置狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)承受兩種情況的組合力：工況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；靜橫傾30o；風(fēng)速55m/s；工況2，垂直于甲板的加速度1.0g；橫向平行于甲板的加速度0.5g；靜橫傾30o；風(fēng)速55m/s。

6.4 計(jì)算載荷

6.4.1 主船體載荷

1) 空船重量2601.4t；2) 壓載水艙內(nèi)壓載水壓力（壓載水高度見(jiàn)《各種裝載情況穩(wěn)性計(jì)算書(shū)》）；3) 舷外水壓力（吃水高度見(jiàn)《各種裝載情況穩(wěn)性計(jì)算書(shū)》）。

6.4.2 樁架載荷

1) 自重載荷樁架結(jié)構(gòu)重量270t；

2) 吊重（起升）載荷大小見(jiàn)計(jì)算工況中所述。以節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的形式施加于吊樁平臺(tái)前端的吊點(diǎn)上。吊重載荷作為樁架起升載荷的一部分。

3) 風(fēng)載荷根據(jù)“起重設(shè)備規(guī)范”3.2.12.1，有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)下風(fēng)速為20m/s（大于蒲氏風(fēng)級(jí)7級(jí)風(fēng)時(shí)的風(fēng)速），風(fēng)壓值為245.2Pa，有效受風(fēng)面積為214.85m2，故風(fēng)壓力為5.268×104N；放置狀態(tài)下風(fēng)速為55m/s，風(fēng)壓值為1854.325Pa，故風(fēng)壓力為3.984×105N。

6.4.3 船舶傾斜產(chǎn)生的分力

該船可以在沿?；蛳喈?dāng)于沿海海況的水域作業(yè)，對(duì)應(yīng)海況等級(jí)1級(jí)，作業(yè)時(shí)船舶橫傾5°、縱傾2°。船舶傾斜產(chǎn)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。

該船作業(yè)狀態(tài)下樁架上的載荷及載荷組合為：

(1) 樁架上的自重載荷；

(2) （起升載荷＋船舶傾斜（橫傾與縱傾）所產(chǎn)生的起升載荷水平分力）×φh；

(3) 由船舶傾斜（橫傾與縱傾）產(chǎn)生的自重載荷水平分力；

(4) 風(fēng)載荷。

組合載荷為：

無(wú)風(fēng)作業(yè)狀態(tài)：（(1)＋(2)＋(3)）×φd；

有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)：（(1)＋(2)＋(3)）×φd+(4)。

上述中：aL——船舶傾斜產(chǎn)生的平行于甲板的縱向加速度；

aT——船舶傾斜產(chǎn)生的平行于甲板的橫向加速度；

aV——船舶傾斜產(chǎn)生的垂直于甲板的加速度；

g——重力加速度，g＝9.81m/s2；

φd——作業(yè)系數(shù)，取φd=1.20；φh——起升系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中：φw——波浪系數(shù)；

該船在無(wú)風(fēng)作業(yè)狀態(tài)下，按H1/3=0.8m的海況，求得φw＝9.22；在有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)下，參照海況等級(jí)為2～3級(jí)，查得φw＝13.7；

式中：K——起重機(jī)系統(tǒng)的剛度，N/mm；Ql——起升載荷，N。

計(jì)算得： 無(wú)風(fēng)作業(yè)狀態(tài)下φh=1.3555；有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)下φh=1.6109。

6.5 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

6.5.1 船體結(jié)構(gòu)和象鼻梁結(jié)構(gòu)

參照“起重設(shè)備規(guī)范”3.10.7，船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力衡準(zhǔn)。

6.5.2 樁架結(jié)構(gòu)[5]

根據(jù)“起重設(shè)備規(guī)范”3.2.16中所述，樁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的許用應(yīng)力為：

式中：σs——鋼材屈服強(qiáng)度，N/mm2；

n——安全系數(shù)，按“起重設(shè)備規(guī)范”表3.2.16.1選取；

β——系數(shù)，按“起重設(shè)備規(guī)范”表2.3.5選取，對(duì)于普通鋼β=1.0，對(duì)于H36高強(qiáng)度鋼β=1.018。

在不同狀態(tài)下，樁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件許用應(yīng)力值見(jiàn)表4～6。

表4 無(wú)風(fēng)作業(yè)狀態(tài)，安全系數(shù)取為n=1.50的許用應(yīng)力 單位：N/mm2

表5 有風(fēng)作業(yè)狀態(tài)，安全系數(shù)取為n=1.33的許用應(yīng)力 單位：N/mm2

表6 樁架放置狀態(tài)下，安全系數(shù)取為n=1.15的許用應(yīng)力 單位：N/mm2

6.6 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，樁架前弦桿梁及后弦桿梁的單元應(yīng)力最大值都滿足規(guī)范要求（見(jiàn)表7、8）。

表7 樁架前弦桿梁?jiǎn)卧獞?yīng)力最大值（H36高強(qiáng)度鋼） 單位：N/mm2

表8 樁架后弦桿梁?jiǎn)卧獞?yīng)力最大值（H36高強(qiáng)度鋼） 單位：N/mm2

7 結(jié) 語(yǔ)

93.5m打樁船系國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)和建造的超大型打樁船之一，具有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，榮獲上海市 2005年重大科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。至今該系列超大型打樁船共建造13艘，為沿海工程建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。

[1] IS Code[S]. 2008.

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

[3] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[4] 工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)[M]. 工程船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)翻譯小組. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1977.

[5] 宋書(shū)博. 打樁船樁架強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核計(jì)算[J]. 船舶與海洋工程，2013, (4): 29-33.