＊王騰 張加翔 于文太 張欣 劉順慶 張曉馨 張長龍

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋物探及勘探開發(fā)裝備國家工程研究中心 山東 266580 2.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 山東 266061 3.海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部 天津 300450 4.青島高測科技股份有限公司 山東 266114 5.中機鍛壓江蘇股份有限公司 江蘇 226600）

打樁錘是樁基礎(chǔ)施工中的重要設(shè)備之一，隨著樁基的直徑和深度的不斷增加，對打樁設(shè)備的要求越來越高[1-2]。打樁過程中，錘芯、砧座與樁端體承受周期性的沖擊載荷，應(yīng)力和力學(xué)關(guān)系復(fù)雜，難以通過傳統(tǒng)計算方法進行分析，借助有限元方法模擬沖擊載荷下沖擊系統(tǒng)的動力學(xué)特性具有重要意義。

Zhou W等人[3]通過擺錘撞擊試驗，研究了樁在不同撞擊條件下的響應(yīng)和破壞模式；Adegbulugbe O等人[4]提出了一種全尺寸樁沖擊性能實驗評估方法，模擬了樁的實際工作過程；Qin W等人[5]分析了大直徑開口鋼樁在沖擊荷載下的位移，并探討了樁錘單次沖擊在軟土中的偏微分方程，預(yù)測了拒錘情況和鋼樁的位移。綜上，已有文獻對沖擊載荷下打樁錘沖擊系統(tǒng)動力學(xué)的研究較少，因此本文基于沖擊載荷作用下的打樁錘沖擊系統(tǒng)有限元模型，研究不同沖擊能量下對砧座應(yīng)力、樁端位移和沖擊力的影響，為打樁錘沖擊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1.基于波動力學(xué)沖擊過程分析

圖1 沖擊系統(tǒng)等效模型

錘芯和砧座碰撞過程的本質(zhì)是應(yīng)力波產(chǎn)生和傳遞的過程，古典牛頓碰撞理論忽略了錘芯、砧座及鋼樁的形狀，應(yīng)用波動理論分析打樁錘的工作過程能夠更加準(zhǔn)確地描述各部件的受力狀態(tài)。在本研究的模型中，砧座被等效為一個具有彈性系數(shù)Kh的彈簧，如圖1所示。

根據(jù)牛頓第二定律和波動理論[6]，可得式（1）：

式中，F(xiàn)為錘芯與砧座的沖擊力；Kh為砧座剛度，N·m-1；mc為錘芯阻尼，N·(m·s-1)-1；mz為樁身阻尼，N·(m·s-1)-1；t=0時，v’=v0，v=0，F(xiàn)=0。

由式（1）可得式（2）：

經(jīng)過拉普拉斯變換后可解得沖擊力的表達式（3）：

2.建立模型

本研究將采用Solidworks軟件構(gòu)建的某打樁錘沖擊系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件，并運用HyperMesh的高級網(wǎng)格劃分功能對該模型進行網(wǎng)格劃分，得到如圖2所示的有限元模型。錘桿、錘芯、砧座、鋼樁和土體材料及其屬性見表1和表2所示。由于沖擊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和載荷作用的對稱特性，為提高仿真計算效率和精度，采用1/4模型進行求解。

表1 金屬材料性能參數(shù)

表2 土體模型性能參數(shù)

沖擊過程中，液壓系統(tǒng)差動連接（活塞上下端面同時連通高壓油），因此對活塞上下端面施加22MPa的壓力，如圖3所示。

圖2 沖擊系統(tǒng)有限元模型圖

圖3 活塞受力示意圖

為提高計算效率，本研究將錘芯與砧座的初始間隔定為10mm。在沖擊瞬間，錘芯的動能即為其沖擊能量，根據(jù)動能定理，該打樁錘的最大沖擊能量設(shè)定為600kJ，錘芯質(zhì)量為33t。據(jù)此計算，錘芯在沖擊時的速度為6.03m/s。

3.仿真結(jié)果分析

圖4 砧座沖擊應(yīng)力時程變化云圖

沖擊過程不同時刻砧座沖擊應(yīng)力分布云圖如圖4所示，由圖可知，沖擊過程中砧座內(nèi)的應(yīng)力呈波動狀態(tài)，應(yīng)力主要集中于上接觸面及其下部區(qū)2.0ms。

圖5 沖擊能量變化曲線圖

沖擊過程各部件的能量變化情況如圖5所示，由圖可知，錘芯初始能量為586.18kJ，鋼樁最大能量為538.45kJ，因此沖擊過程的能量傳遞效率為91.86%。

4.不同沖擊能量的響應(yīng)分析

通過改變錘芯沖擊速度使錘芯具有不同的沖擊能量。錘芯沖擊速度分別為3m/s、4m/s、5m/s、6m/s，得到樁端位移、最大沖擊力以及砧座最大應(yīng)力如表3所示。樁端位移隨時間、樁端位移隨沖擊速度、沖擊力隨時間、最大沖擊力隨沖擊速度、砧座應(yīng)力隨時間、最大應(yīng)力隨沖擊速度的變化曲線如圖6至圖11所示。

表3 不同沖擊能量下樁端位移、最大沖擊力和砧座最大應(yīng)力

圖6 樁端位移隨時間變化曲線圖

圖7 樁端位移隨沖擊速度變化曲線圖

由圖6和圖7可知，樁端位移先增大后減小，最終穩(wěn)定，穩(wěn)定后的位移是鋼樁的實際貫入深度，沖擊速度由3m/s增大到6m/s時，對應(yīng)的貫入深度逐漸增加，表明貫入深度隨沖擊能量增加而增大。

由圖8和圖9可知，沖擊力隨著沖擊速度的增大而增大，沖擊力近似為一階躍信號，沖擊作用時間近似為5ms；沖擊速度由3m/s增大到6m/s時，最大沖擊力隨沖擊速度增加呈線性變化。

圖8 沖擊力隨時間變化曲線圖

圖9 最大沖擊力隨沖擊速度變化曲線圖

由圖10和圖11可知，砧座應(yīng)力隨著沖擊速度的增大而增大，且各個沖擊速度下的最大應(yīng)力值均符合強度設(shè)計要求；沖擊速度由3m/s增大到6m/s時，砧座最大應(yīng)力隨沖擊速度增加呈線性變化。

圖10 砧座應(yīng)力隨時間變化曲線圖

圖11 砧座最大應(yīng)力隨沖擊速度變化曲線圖

5.結(jié)束語

（1）根據(jù)沖擊能量在各部件中的傳遞情況，計算能量傳遞效率，得到?jīng)_擊過程中各部件的應(yīng)力分布，沖擊力、應(yīng)力以及鋼樁的時程變化曲線。

（2）砧座最大應(yīng)力達到360.361MPa，主要分在上接觸面，且圓角處有應(yīng)力集中現(xiàn)象；沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率為91.86%。

（3）貫入深度、沖擊力、沖擊應(yīng)力隨著沖擊能量的增大而增大，最大沖擊力和最大沖擊應(yīng)力與速度呈線性變化關(guān)系。