液壓升降系統(tǒng)圓柱形樁腿兩種結(jié)構(gòu)形式

黃寶文, 戴小明，陳 極，張 磊

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣東 廣州 511462； 2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

樁腿是自升式作業(yè)平臺(tái)的核心構(gòu)件，根據(jù)不同的工作水深、海底地基、升降機(jī)構(gòu)等情況，可設(shè)計(jì)成殼體式或桁架式。殼體式樁腿為封閉型，一般適用水深在60 m以內(nèi)；桁架式樁腿為透空式，用于深水(一般大于60 m)自升式平臺(tái)。樁腿上部樁身結(jié)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)配合完成升降動(dòng)作，下部樁底形式根據(jù)海底地基不同可選用沉墊型(軟黏土地基)、樁靴型(較軟黏土和沙土地基)、插樁型(較硬的沙土地基和堅(jiān)硬的巖石地基)，樁靴型樁腿一般而言兼顧軟硬地基的要求。

我國近海作業(yè)水深一般不超過60 m，因此近海作業(yè)的風(fēng)電安裝平臺(tái)、居住平臺(tái)、輔助工程平臺(tái)，甚至新開發(fā)的旅游居住平臺(tái)大多安裝液壓插銷式升降系統(tǒng)和圓柱形殼體式樁腿。

1 兩種樁腿形式介紹

目前國內(nèi)液壓插銷式升降系統(tǒng)的樁腿一般為圓柱形殼體式，也有少量為多邊形或方形，考慮到樁腿的耐波性，用圓柱形殼體式的居多。圓柱形殼體式樁腿有如下兩種形式。

(1) 插銷孔處有腹板加強(qiáng)形式(簡稱貼板式)。如圖1所示，樁腿插銷孔處有腹板加強(qiáng)，從底部銷孔一直延伸至樁腿頂部，腹板直徑一般比銷孔直徑大300 mm以上，腹板厚度與樁腿厚度基本一致，在腹板四周開深熔焊坡口，并保證腹板與樁腿貼合，以便腹板參與樁腿的剖面模數(shù)計(jì)算[1]。

圖1 帶腹板型式樁腿示例

(2) 插銷孔處無腹板加強(qiáng)形式(簡稱無貼板式)。如圖2所示，樁腿插銷孔處無腹板加強(qiáng)，只有銷孔。

圖2 不帶腹板型式樁腿示例

2 兩種樁腿形式優(yōu)缺點(diǎn)比較

參考中船黃埔文沖船舶有限公司在建和已交付的多艘居住平臺(tái)、風(fēng)電安裝平臺(tái)，對(duì)兩種樁腿形式在建造工藝、詳細(xì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算、使用時(shí)的防轉(zhuǎn)功能等方面的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 建造工藝

在插銷孔處設(shè)置貼板時(shí)，由于銷孔從上至下貫穿整個(gè)樁腿，貼板長度與樁腿長度幾乎一致，會(huì)大幅增加焊接工作量。貼板角焊縫與樁腿對(duì)接焊縫有一定的重疊，在重復(fù)受熱中對(duì)特殊構(gòu)件的焊接質(zhì)量有影響。此外，插銷孔處設(shè)置的貼板無法保證與樁腿完全貼合，一般會(huì)有較小的間隙，后期處理難度大。若貼板與樁腿貼合不緊密，則需退回加工車間重新壓制，增加施工時(shí)間。實(shí)船驗(yàn)證表明此情況經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)致反復(fù)施工。

在插銷孔處設(shè)置的貼板與樁腿焊接后將影響樁腿的整體撓度和筒體圓度的精度，可能導(dǎo)致樁腿完工后的公差度達(dá)不到要求。

因此在建造工藝方面，銷孔處無腹板加強(qiáng)形式更簡單、制作難度小，銷孔處有腹板加強(qiáng)形式的制作成本更高。

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

殼體式樁腿通常采用圓柱型，樁腿橫截面為圓形，考慮到樁腿的細(xì)長比滿足簡化條件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，采用梁單元對(duì)樁腿進(jìn)行有限元模擬。樁腿模型如圖3[2]所示。

圖3 樁腿模型

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并優(yōu)化質(zhì)量，計(jì)算時(shí)在橫剖面的樁腿插銷貼板、樁腿壁板以及加強(qiáng)筋等位置均選取數(shù)個(gè)計(jì)算點(diǎn)，沿樁腿長度方向每隔5 m選取計(jì)算剖面，在樁腿有限元模型中獲取剖面載荷之后，對(duì)該剖面的所有計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)校核。根據(jù)各強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)樁腿板厚進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p薄和增厚。這種方法雖然計(jì)算量較大，但對(duì)樁腿質(zhì)量優(yōu)化較為有效。

在計(jì)算分析中將樁腿插銷孔處貼板加入樁腿計(jì)算，需要加強(qiáng)的地方均做加強(qiáng)，不以增加樁腿板厚的方法來全面加強(qiáng)樁腿的剖面載荷，對(duì)樁腿的質(zhì)量減小有幫助。

因此，在強(qiáng)度計(jì)算分析方面，銷孔處有腹板加強(qiáng)形式更能減小樁腿質(zhì)量，減少材料成本。

2.3 樁腿防轉(zhuǎn)功能

在樁腿插銷孔處貼板后，樁腿的貼板將與固樁室頂和圍井區(qū)域的耐磨板配合，以限制樁腿的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。樁腿相對(duì)于主船體的轉(zhuǎn)動(dòng)力直接作用于固樁室頂和圍井區(qū)域[3]。

圖4 樁腿貼板防轉(zhuǎn)示例

樁腿銷孔處無腹板形式通過上下環(huán)梁與固樁室的導(dǎo)向裝置來限制樁腿的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5所示。樁腿相對(duì)于主船體的轉(zhuǎn)動(dòng)力先通過插銷連接傳遞至上下環(huán)梁，再通過環(huán)梁傳遞至固樁室[4]。

圖5 固樁室導(dǎo)向裝置防轉(zhuǎn)動(dòng)示例

對(duì)比兩種轉(zhuǎn)動(dòng)力的傳遞可知，樁腿銷孔貼板后，樁腿的轉(zhuǎn)動(dòng)力直接傳遞至主船體，防轉(zhuǎn)功能更優(yōu)化。

3 兩種樁腿形式的選擇范圍和原因

在設(shè)計(jì)初期，選擇樁腿形式需從多個(gè)方面進(jìn)行考慮：在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，從船型配合的需求上來考慮；在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，從大型船廠的設(shè)備制作能力上來考慮；在運(yùn)營時(shí)，從使用方的經(jīng)濟(jì)性和海域適用性等方面進(jìn)行考慮。

對(duì)兩種樁腿形式的選擇進(jìn)行劃分：

(1) 對(duì)于空船質(zhì)量在10 000 t以下、起重能力在800 t以下的船型，考慮到國內(nèi)大部分制造廠的加工能力，此類平臺(tái)在設(shè)計(jì)初期選擇的樁腿直徑一般不超過3.8 m，樁腿板厚一般不超過60 mm，推薦使用插銷孔處設(shè)置貼板式樁腿，原因如下：

圓柱形樁腿一般采用液壓三芯輥或四芯輥進(jìn)行板材壓圓，國內(nèi)大型船廠的壓圓能力在直徑4 m以下，3.8 m的直徑為加工有效寬度的極限；空船質(zhì)量在10 000 t以下的船型的樁腿厚度一般不超過60 mm，因此插銷孔處的貼板厚度也不會(huì)超過此厚度，一般為50～55 mm，國內(nèi)大型船廠的壓圓能力可制作此直徑和板厚的樁腿，而且在公差度控制方面有一定的保障。另外使用樁腿貼板可以與固樁室的耐模板配合使用，形成防轉(zhuǎn)功能，不必再額外添加防轉(zhuǎn)裝置。

使用貼板式可減小樁腿整體質(zhì)量、降低樁腿厚度，在現(xiàn)階段鋼材價(jià)格居高的形勢下可用貼板式達(dá)到節(jié)約成本的目的。

(2) 對(duì)于空船質(zhì)量在10 000 t以上、起重能力在1 200 t以上的船型，推薦使用插銷孔處無貼板式樁腿，原因如下：

空船質(zhì)量超過10 000 t以上的大型工程平臺(tái)的樁腿板厚可能會(huì)在80 mm以上，樁腿直徑超過4 m。如果此時(shí)再用貼板形式，國內(nèi)的制造廠制作能力有限，插銷孔處的貼板在壓圓后的公差度難以保證，導(dǎo)致插銷孔處的貼板在壓圓后與圓柱形樁腿無法貼合，此時(shí)將插銷孔處的貼板計(jì)算加入樁腿受力分析中是不合理的。因?yàn)橘N板不參與剖面模數(shù)計(jì)算，所以樁腿板厚無法減少，還額外增加貼板質(zhì)量，導(dǎo)致樁腿的質(zhì)量沒有改變。

因此，對(duì)于船廠的建造成本和詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算而言，使用無貼板式比較合理，可降低船廠的制作難度，且達(dá)到節(jié)約成本的目的。

上述劃分對(duì)樁腿的選擇給出了指導(dǎo)性意見，但沒有參考使用方的要求。如果使用方的作業(yè)環(huán)境和施工習(xí)慣希望盡可能減少樁腿厚度、壓縮樁腿直徑，以減輕船舶整體質(zhì)量，則可能會(huì)從樁腿材質(zhì)入手，通過提高樁腿材質(zhì)來達(dá)到目的。在這種情況下，上述劃分可能會(huì)有一定的改動(dòng)。

4 結(jié)束語

對(duì)于中小型工程平臺(tái)，在選擇圓柱型樁腿時(shí)，樁腿直徑一般不超過4 m，此直徑的樁腿適合在船廠自行加工制造，選用貼板形式的樁腿既可減小船廠制作難度，又可減小船廠的委外制造成本。對(duì)于大型工程平臺(tái)，樁腿直徑一般超過4 m，由于目前國內(nèi)船廠的加工能力有限，而且此直徑的樁腿使用貼板形式也無法減小制作難度，建議使用固樁室內(nèi)的防轉(zhuǎn)裝置取代貼板的樁腿防轉(zhuǎn)功能，可確保平臺(tái)的施工運(yùn)營。因此，在樁腿選擇時(shí)以4 m直徑為界限區(qū)分，4 m以下樁腿用貼板形式防轉(zhuǎn)，4 m以上樁腿用無貼板形式，以固樁室內(nèi)的防轉(zhuǎn)裝置防止轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

船舶市場處于低谷時(shí)期，在不影響平臺(tái)正常施工的情況下，應(yīng)重點(diǎn)考慮船廠的施工難度和制造成本?，F(xiàn)階段在樁腿的制作成本方面，各大型船廠都在進(jìn)行各種嘗試，本文是對(duì)樁腿選型驗(yàn)證的較好推薦。