超大型打桩船桩架设计及技术经济分析船舶论文

上海交通大学硕士学位论文超大型打桩船桩架设计及技术经济分析姓名：胡灵斌申请学位级别：硕士专业：工业工程指导教师：陈健元;姚耀淙20030901上海交通大学工程硕士论文摘要i超大型打桩船桩架设计及技术经济分析摘要本文阐述了确定打桩船桩架主参数的方法，和桩架设计计算、优化办法。桩架是打桩船的主要设备，桩架的设计对整条船的设计至关重要，不但降低造价，而且对船舶的稳性和抗风能力有重要作用。打桩船作业工况很多，且影响应力计算的因素较多。本文从力分析着手，分析超大型打桩船桩架的一些典型工况和作业条件，每个工况都对不同的杆件产生最大应力，找出典型工况对桩架进行强度计算，按照2节点梁单元的形式，建立计算模型，应用DNV船级社SESAM软件对桩架强度进行有限元计算分析。打桩船又兼作起重船使用，所以对多个起重工况进行计算，计算设计起重曲线。确定影响桩架计算的因素，进行量级的确定，利用正交试验法分析计算结果，达到桩架设计优化。根据桩架典型工况，进行模拟测试，并且将测试结果与设计计算结果比较，分析测试应力数据和起重平台位移量，由于外界条件与设计工况的区别，所测定应力数据和起重平台位移量较少，把风力、浪高等因素计算值叠加，测试结果与设计计算结果相符。桩架的技术经济分析，缩短设计和制造周期，降低桩架自身的造价，同时减轻重量，使液压缸的作用力减少，节约液压缸的采购费用，提高该船舶的作业时间，延长打桩船有上海交通大学工程硕士论文摘要ii效作业时间，多创造产值，增加企业经济效益。打桩船提前出厂，缓解工程打桩船紧张矛盾，并解决超长桩施工的无设备难题。提前进点杭州跨海大桥工程施工，并得到后期工程创造有利条件。在Ⅱ型打桩船桩架设计过程中，根据“Ⅰ型打桩船”桩架形式，对“Ⅱ型打桩船”桩架的材料、规格进行类比，进行优化，减轻桩架结构重量约30吨，桩架惯性力小，桩架的起重平台弹性位移量小，降低打桩船桩架制造成本，并且桩架刚度、稳定性有改善，提高桩架技术性能。本文提供桩架设计的一般方法，完成了超大型打桩船桩架研究、开发、测试和运行。关键词：超大型打桩船，桩架，优化设计，经济分析上海交通大学工程硕士论文ABSTRACTiiiDESIGNOFTHEPILINGTOWEROFTHESUPER-SIZEDPILINGBARGEANDIT’STECHNICALANDECONOMICALANALYSISABSTRACTThispaperprovidesthemethodindeterminingthemainparametersofthepilingtowerfortheno-propelledpilingbarges,andtherelevantmethodsofdesigncalculationandoptimizationdesign.Themainfunctionalstructureofasuper-sizedpilingbargeisthepilingtower,andthusawelldonedesignworknotonlyreducethetotalcostofthebargebutalsodowelltothestabilityandit’swindresistance.Thusthedesignofthispartisofvitalimportanceinthedesignofthewholebarge.Theworkconditionsofasuper-sizedpilingbargearecomplicated,soabitmoreaspectshallbetakenintotheconsiderationinstressanalysis.UsingtheSESAMprogramofDNVclassification,theauthoranalyzedthetypicalworkconditionsofthepilingbarge,whichresultinthemaximumstressindifferentbars.Moreover,theauthoralsocarriedoutthecalculationofthestrengthofthepillingtowerbasedonthe2-nodebeamunitmodelsaswellasthefiniteelementmethodfortheeachcondition.Tosomedegree,thesurer-sizedpilingbargeworksasafloatingcrane.So,it’samusttocalculateandchecktheworkconditionasapurefloatingcraneanddeveloptheliftingcurve.Throughthesemethods,theauthortriedtofindouttheinfluence,andtodeterminetheclassificationoftheworkconditionandtheload.And,atlast,achievethegoalofoptimumstructuraldesign.Inthisdesignprocedure,thepressureofthehydraulicoilcylinderhasareductionof32%,atthesametime,thesectiondimensionofthehydraulicoilcylinderanddesigncyclehasalsogotareduction.Carryoutthesimulationworkaccordingtothetypicalworkconditions,andthencomparethetestresulttothecalculation,analyzingthestressandthedisplacementofthecrane上海交通大学工程硕士论文ABSTRACTivplatform.Becauseofthedifferencebetweentherealisticworkconditionsandtheacademicconditions,theteststressandthedisplacementofthecraneplatformarerelativelysmall,soallthewind,waveandotherfactorstogethershouldbeaddedincalculation.InthedesignofthepillingtoweroftypeⅡpilingbarge,firstcomparedwiththetypeⅠofit’smaterialandsize,andthenreduceit’sweightfor30tons.ThepillingtowerofⅡhasasmallerinertiaforce,andtheelasticitydisplacementofplatformisalsosmaller.Themanufacturingcosthasbeenreducedandthestiffnessandstabilityofpilingtowerhasbeenimproved.Allthisformedaseriesofsuperiortechnicaldata.Themethodthispaperprovidesisageneralmethodindesigningthepillingtower,andwecompletedtheresearch,development,test,andrunofthepilingbargebythismethod.KEYWORDS:super-sizedpilingbarges,pilingtower,optimumstructuraldesign,economicalanalysis上海交通大学工程硕士论文符号说明v符号说明1.σS—钢材屈服强度2.n—安全系数3.β—系数，根据钢材的屈强比选取4.σcp—合成后的复合应力5.σx—x轴方向的正应力6.σy—y轴方向的正应力7.τ—剪切应力8.σSt—稳定性许用应力9.σcr—构件的临界压应力10.σm—构件承受的弯曲应力11.σc—构件承受的压应力12.J—惯性矩13.E—钢材弹性模量14.ε—应变值15.μ—泊松比附件四上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：胡灵斌日期：2005年2月16日附件五上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：胡灵斌指导教师签名：陈健元姚耀淙日期：2005年2月16日日期：2005年2月21日上海交通大学工程硕士论文第一章绪论1第一章绪论目前的海上施工与以往的工程性质已有了本质的差别，从完全的港内作业已经向外海发展，而这个差别从很大程度上依赖于设备的更新换代。三航局拥有我国最多的打桩船，从数量上讲就有12艘，而且其中以进口为主（自1973～1987共引进7艘），最高桩架达80m，可打70m桩。由于过去施工以港内为主，这些打桩船适应的风、流、浪等环境条件均较低，以水流为例，设计按1.5m/s为依托，而且船龄严重老化。在当前洋山深水港的海上施工中其弊端已经显现，承担超大型深水施工作业完全不能适应。表1-1现有大型打桩船的主要参数资料：船名本打桩船三航桩10三航桩11姐妹船洋山号建造国中国日本日本中国主尺度(m)L×B×D63.6×27×5.248×22×4.256×26×4.260×25×5桩架高度93m70m80m85m锤型号液压锤和D160柴油锤D100柴油锤D128柴油锤D100柴油锤植桩长80m60m70m70m桩径2500mm1800mm1800mm1600mm桩重1200kN750kN800kN800kN主吊钩能力1200kN×2800kN×3800kN×2100kN×2付吊钩能力800kN×1400kN×1400kN×2600kN×2移船绞车数量9台8台8台8台移船绞车拉力300kN150kN150kN160kN洋山深水港和东海大桥建造、长江口深水航道整治、杭州湾大桥建造，这些国家和交通部、上海市的重点工程已经或即将启动。为了重点工程需求，也为企业自身长远的发展并参与到这些工程中去，设计制造一艘超大型打桩船（见表1-1），为今后海上桥墩的植桩作好了充分的技术和设备准备。打桩船的设计关键设计是桩架设计，它的主要功能有：起重、打桩、变幅、桩导向等。超大型打桩船的桩架布置（图1-1）所示，作为打桩船的最重要设备，它能前俯、后仰打桩，也可兼作起重作业或打夯施工，是一种多功能的设备，该打桩船是目前我国自己设计的超大型打桩船，桩架顶部距船底基线高约95m，可仰、俯±140度打桩（桩长80m，重1200kN）；作为起重船用时，吊重量达2000kN，吊高84.6m(距水面)。桩架研究设计不但降低造价，而且对船舶的稳性和抗风能力有重要作用。上海交通大学工程硕士论文第一章绪论2图1-1大型打桩船桩架布置Fig.1-2Thepillingtowerofthesuperpropelledpilingbarge上海交通大学工程硕士论文第二章桩架设计初步分析3第二章桩架设计初步分析2.1桩架主要相关参