三樁定位反鏟挖泥船載荷分析研究

季湘嵐，楊 啟，陳新權

(上海交通大學 a.船舶海洋與建筑工程學院；b.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

三樁定位反鏟挖泥船載荷分析研究

季湘嵐a，楊 啟b，陳新權b

(上海交通大學 a.船舶海洋與建筑工程學院；b.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

鑒于目前還沒有系統(tǒng)的反鏟挖泥船載荷計算的模型和方法，結合三樁定位反鏟挖泥船的作業(yè)特點，分析三樁定位的反鏟挖泥船環(huán)境載荷和作業(yè)載荷計算方法，建立在環(huán)境載荷和工作載荷共同作用下挖泥船三根鋼樁的載荷計算模型，為反鏟挖泥船設計制造提供載荷計算方法。

反鏟挖泥船；鋼樁；載荷分析

反鏟挖泥船通過三樁定位完成作業(yè)。作業(yè)時3根定位樁提升船體部分，使3個定位樁產(chǎn)生一定的對地壓力以克服挖掘反力和波浪等作用力。[1]船體提升的高度根據(jù)反鏟機的切削力和波浪情況而定。3根樁插入水底，并受到6個自由度方向的受力，是一個復雜的超靜定問題。在挖掘過程中，挖掘機動臂左右旋轉(zhuǎn)以便挖掘更大的面積，同時船體受潮汐和波浪變化影響，吃水和浮力都在不斷變化，因此鋼樁的受力也在不斷變化。

目前，國內(nèi)對于鋼樁臺車的自主研發(fā)相對薄弱[2]，世界上研究反鏟挖泥船樁受力特點的人很少，尚沒有查到一種完整地給出反鏟船樁受力計算的模型。工程應用中常假設在挖掘過程中有向上拔起趨勢的臨界狀態(tài)鋼樁受力為零來計算[3]。文中將研究反鏟挖泥船外載荷計算模型，建立一套完整的反鏟挖泥船在環(huán)境和作業(yè)外載荷作用下船舶和定位樁載荷計算分析模型。

1 坐標系的建立

為了分析船舶和定位鋼樁的載荷情況，建立如下坐標系，以船舶幾何中心為原點，沿船長方向為x軸，正方向指向船艏；沿船寬方向為y軸，正方向指向左舷；豎直方向為z軸，正方向豎直向上，見圖1。力的方向以受力圖中的方向為正方向，計算值為負則表示相反。

圖1 坐標系的建立

2 船舶環(huán)境外載荷分析

船舶在沿海作業(yè)施工時收到風浪流環(huán)境條件的作用，其風浪流的計算模型如下。

2.1 風載荷

風載荷的影響相對較小，采用API RP 2A-WSD[4]推薦的系數(shù)法估算風載荷F。

F=(ρ/2)V2CSA

(1)

式中：ρ——空氣密度，取0.001 226t/m3；

V——風速，m/s；

CS——形狀系數(shù)

A——物體面積。

2.2 波浪載荷

波浪載荷可以使用ANSYS軟件中的AQWA模塊進行數(shù)值計算[5-6]，或者采用其他軟件進行模擬。由于船體的對稱性，可以取0°、45°、90°、135°、180° 5個浪向進行計算。

2.3 流載荷

采用系數(shù)法估算流載荷[7],系數(shù)見表1。

(2)

表1 流載荷系數(shù)表

3 反鏟挖泥船定位樁腿載荷分析

反鏟挖泥船定位樁腿在工作時受到工作載荷(挖掘機反力)、環(huán)境載荷(風、浪、流)和抬船對鋼樁產(chǎn)生的壓力3部分載荷作用。工作載荷即挖掘產(chǎn)生的載荷直接通過硬鋼臂傳遞給船體，并通過船體傳遞給定位樁腿，環(huán)境載荷由船體傳遞給定位鋼樁，抬船載荷通過定位樁腿抬船機構直接作用在樁腿上[8-9]。

3.1 工作載荷對定位樁腿的作用力分析

挖掘機臂旋轉(zhuǎn)過的角度設為α，挖掘所受切削反力F與豎直方向的角度設為θ，見圖2。F是空間中的力，其中豎直分量引起鋼樁壓力變化，而水平分量引起鋼樁彎矩變化。[10]

圖2 切削力示意

挖掘力引起鋼樁壓力變化的計算模型如下。

(3)

式中：FA1、FB1、FC1——挖掘機反力的垂直分量產(chǎn)生在A、B、C3樁的壓力；

F——挖掘機反力；

l1——鏟斗距挖掘機座中心距離，見圖3；

l2——挖掘機座中心距B、C樁的水平距離；

l3——B、C樁距船舶重心的水平距離；

l4——船舶重心距A樁的水平距離；

α——挖掘機臂旋轉(zhuǎn)過的角度；

θ——切削反力F與垂直方向的角度；

b——B、C樁距中縱剖面的距離。

由式(3)得

圖3 切削力豎直分量受力分析

反鏟挖掘時，反鏟挖機載荷作用在E點，與縱向夾角α。載荷傳遞到船體上可以分解成x和y方向上載荷，得到F′和F″，見圖4。

圖4 切削力水平分量受力分析

2)y方向上載荷可按下式計算。B、C點較近，假設F″B=F″C，則挖掘機反力引起鋼樁彎矩變化的計算模型為

(4)

由式(4)得

挖機水平分力作用在鋼樁產(chǎn)生的彎矩可以按下面模型計算求得

(5)

式中：MA1、MB1、MC1——挖掘機反力的水平分量產(chǎn)生在A、B、C 3樁底的彎矩；

Hd——挖掘深度，見圖5a)；

H——作業(yè)水深，見圖5b)。

3.2 船舶環(huán)境外載荷對定位樁腿作用力分析

船舶受到環(huán)境外力通過船與定位樁的鏈接裝置傳遞給定位樁。環(huán)境載荷包括風浪流3個部分，三者合成后可以得出船舶6個自由度上對船體重心的力或力矩：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，見圖5。以下分別求出6個方向力或力矩對鋼樁產(chǎn)生的作用。

圖5 反鏟挖泥船受力分析

通過分析各種外載荷對樁腿的作用方式，分別建立在各種載荷作用下3個定位樁腿的計算方法，計算模型見表2。

表2 環(huán)境載荷引起定位樁載荷計算方法匯總表

表中：Fx,Fy,Fz,Mx——x、y、z、Rx方向的環(huán)境載荷；

Fy,Fz——Ry、Rz方向的環(huán)境載荷；

FA，F(xiàn)E，F(xiàn)C——3個樁的垂向載荷；

MA，MS，MC——3樁腿底部的彎矩；

H——作業(yè)水深；

l3——船舶幾何重心距船艏B、C定位樁的縱向距離；

l4——船舶幾何重心距船艉A定位樁的縱向距離。

3.3 抬船對樁腿作用力分析

反鏟挖泥船作業(yè)時由于設備特點，需要把船體上抬一定高度，抬船的高度決定了船舶安全和作業(yè)的穩(wěn)定性。抬船太高，可以克服正常作業(yè)下的載荷，但增加了抬船裝置的提升能力，又增加了船舶潛在的作業(yè)危險性。抬船高度與波浪條件和反鏟作業(yè)時的載荷大小有關，抬船后船體自重和浮力的差值Ft直接作用在裝腿上，3樁受力大小和反鏟挖泥船幾何重心位置有關，根據(jù)分析，3樁載荷計算模型為

(6)

式中：FAt，F(xiàn)Bt，F(xiàn)Ct——Ft作用產(chǎn)生在A、B、C3樁的壓力；

Ft——抬船后船體自重和浮力的差值。

由式(6)得

(7)

綜上所述，將反鏟挖泥船定位樁受到所有載荷合成后就可得到樁腿最終的計算模型。

4 算例

18m3反鏟挖泥船船長76.55m、垂線間長為69m、型寬19.8m、型深4.8m、吃水3m、排水量3 773.7t，鋼樁布置圖見圖7。挖掘機設備以Liebher公司的P995系列為例，動臂13.5m，斗桿長6.5m，斗容18m3，挖掘最大切削力978.6kN。

環(huán)境參數(shù)見表3。

表3 環(huán)境參數(shù)

圖6 鋼樁布置(單位：m)

4.1 樁腿壓力隨抬船高度的變化

以45°環(huán)境載荷為例，假設挖掘機旋轉(zhuǎn)至40°，隨著抬船高度的不斷增加,3個樁腿的壓力也在不斷增加。假設風載荷和流載荷隨時間的變化不變，波浪力為周期變化，則最終反映在樁腿上的載荷變化。圖8是定位樁腿壓力隨抬船高度變化時樁腿最大值和最小值的變化。

圖7 樁腿壓力隨抬船高度變化

樁腿壓力若是為負則表示向上拔起，為了保證船舶作業(yè)的安全和作業(yè)穩(wěn)定性，抬船高度需要保證樁腿有足夠的對地壓力壓住樁腿，經(jīng)計算該船抬船高度設為0.8 m。

4.2 樁腿壓力隨挖掘機旋轉(zhuǎn)角度α變化

以環(huán)境載荷45°方向作用船體上為例，設抬船高度為0.8 m，挖掘機從0°旋轉(zhuǎn)至90°，計算樁腿載荷變化見圖9、10。

圖8 樁腿壓力隨旋轉(zhuǎn)角度變化

圖9 樁底彎矩隨旋轉(zhuǎn)角度變化

由圖9、10可見，隨著挖掘機角度的增大首樁(A樁)的壓力減小，C樁(遠離鏟斗一側的樁)的壓力逐漸增大，而B樁(靠近鏟斗一側的樁)壓力逐漸減小。樁底彎矩的變化相對較小。

4.3 樁腿壓力隨鏟斗運動軌跡的變化

挖掘機鏟斗的最遠距離連成一個軌跡曲線，見圖11～13。

圖10 鏟斗運動軌跡

圖11 樁腿壓力隨鏟斗運動軌跡變化

圖12 樁底彎矩隨鏟斗運動軌跡變化

以環(huán)境載荷方向45°為例，設抬船高度為0.8 m，挖掘機轉(zhuǎn)動40°，樁腿壓力和力矩隨反鏟切削軌跡變化載荷變化見圖12、13。挖掘機對樁腿壓力或彎矩的影響不僅與鏟斗所在的位置有關(即參數(shù)l1、α、Hd)還與鏟斗切削的角度θ有關。鏟斗伸出距離l1的大小也對樁腿壓力產(chǎn)生影響，挖掘深度Hd的大小對樁底彎矩產(chǎn)生影響；鏟斗切削的角度θ接近0°或180°時對樁腿壓力產(chǎn)生影響較大，接近90°時對樁底彎矩產(chǎn)生影響較大。

4.4 樁腿壓力隨環(huán)境載荷角度的變化

環(huán)境載荷方向在0°～180°變化時樁腿載荷變化曲線見圖14，15。三樁所受壓力總體變化規(guī)律相同，在90°載荷處較小；但90°載荷下，樁底彎矩較大，變化較為明顯。

圖13 樁腿壓力隨環(huán)境載荷角度變化

圖14 樁底彎矩隨環(huán)境載荷角度變化

5 結論

1)在對反鏟挖泥船設計研究的基礎上，得出鋼樁定位反鏟挖泥船外載荷計算方法和定位樁腿載荷計算模型，所建立的反鏟挖泥船載荷計算模型可以為反鏟挖泥船設計提供很好的載荷理論計算方法，具有很強的實際應用價值。

2)建立了反鏟挖泥船在環(huán)境載荷、反鏟挖泥作業(yè)載荷和船體抬升載荷等復雜外載荷共同作用下的樁腿外載荷計算模型，為反鏟挖泥船定位樁腿系統(tǒng)設計提供了外載荷計算的理論依據(jù)。

3)結合實例計算，可以根據(jù)反鏟挖泥船工作能力和作業(yè)環(huán)境計算分析確定需要的最小抬船高度，確保船舶在施工時的安全性。

4)挖掘機左右旋轉(zhuǎn)角度對靠近挖掘機的兩個樁腿載荷有很大影響，實際工程中應盡量采取合適的作業(yè)面寬度，盡量減少定位樁腿的最大載荷。并在作業(yè)時應盡量讓船舶縱向迎流和浪進行施工作業(yè)，避免船舶處在橫浪和斜浪下承受較大的環(huán)境載荷。

總之，所建立的反鏟挖泥船外載荷和樁腿載荷理論計算方法在實際應用中還需要考慮船型特點，船舶設計重量重心控制和調(diào)整以及船舶在潮汐變化情況下載荷變化等其他因素的影響。

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Study on Loads of Spuds-anchored Backhoe Dredger

JI Xiang-lana, YANG Qib, CHEN Xin-quanb

(a.School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering;b.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

There is no systemic model and method of loads calculation for spuds-anchored backhoe dredger in the world. The characteristics of working principle of spuds-anchored backhoe dredger are studied to analyze the environmental loads and operating loads. A set of models for the loads of spuds are established, so as to provide a theoretical method of load calculation for the design and manufacture of the backhoe dredger.

backhoe dredger; spud; load analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.002

2014-07-01

季湘嵐(1992-)，男，碩士生

U674.31

A

1671-7953(2015)01-0005-06

修回日期：2014-07-09

研究方向:船舶與海洋結構物設計制造

E-mail:zhuiluotianji@126.com