基于实际工程替打桩安装设计流程介绍
秦一楠
摘 要：本文基于实际工程，详细介绍了海洋工程中替打桩安装设计流程，此设计包括可打入性分析、自由站立分析及替打段设计分析。替打桩安装设计的特点是涉及相关方多、设计过程多、各项工作相互联系制约。鉴于上述特点，建议全面考虑、统筹兼顾，采用螺旋方式稳步推进工作，以实现替打桩安装既安全又经济的目的。
关键词：海洋工程； 替打桩； 可打入性分析； 自由站立分析； 替打段设计分析
中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0074-04
海上平台、单点系泊、海上风电的固定及在海中临时结构物的搭设都需要用钢管桩进行固定。基于生产、技术、实用、安全、生态、环保要求，需要将整根桩打入泥面以下甚至更深处。这对海上桩基的安装提出更高要求：在常规钢桩安装设计的基础上增加替打段设计，满足工程需要。
海洋工程结构复杂、体积庞大、造价昂贵，且其所处的海洋环境恶劣。要实现海上施工即安全又经济，有必要对海上桩基安装过程进行细致、详细、全面的设计分析，用于指导现场施工。最终保证工程安全顺利实施，同时降低工程费用。
本文将结合海外工程项目——西非海管及单点安装项目，详细介绍替打桩设计流程，借此同广大海洋工程界同行分享经验、交流思想，以达到促进海洋工程技术发展，为我国海洋工程走出去尽一份微薄力的目的。
1项目数据简介
根据材质、桩径、桩长、壁厚、设计入泥深度等，此项目的50根桩可分为三种，一种桩为例，其数据如下：桩径1372 mm，桩长20 m，设计入泥深度20 m，壁厚30-40 mm，材质DH36。
根据现有施工条件，选用MHU 150S 锤作为主打锤，IHC S90锤作为备用锤，参数如下：
海况数据如下：
（1）波浪数据： Hmax = 4.5 m，Tass = 13.0 sec。
（2）流速采用95%概率不超过的月最大数据：表层流速Uso = 0.42m*s-1，中层流速Umid = 0.36 m*s-1，底层流速Ubot = 0.14 m*s-1。
（3）水深：Dw = 23.1 m。
2可打入性分析
此分析是验证所使用安装设备，在桩体强度不破坏情况下、满足规范拒锤标准要求下能否将桩安装到位。美国石油协会（API）给出的拒锤标准是：不能超过300次/英尺[2] [6]。
2.1主要原理及公式
可打入性分析计算原理是先通过各段桩尺寸及各层土壤参数计算土壤阻力Soil Resistance to Driving （SRD）数值，再根据Roussel理论选取各层土的震动（Quake）和阻尼（Damping）参数，最后将以上得到的数据采用GRLWEAP软件进行数值模拟分析打桩过程，进而预测打桩情况为现场施工提供指导建议。
土壤阻力计算，主要计算侧阻、端阻，根据土壤塑性指数不同，将土壤大致分为粘性土和非粘性土，分别计算两种土的土壤阻力。
2.2工程实际计算分析
考虑到实际打桩施工中由于土壤受扰动其阻力系数会有所折减的情况，另外打桩过程中是否发生土塞，可将打桩工况分为低阻值不土塞、高阻值不土塞、低阻值土塞及高阻值土塞情况。此项目采用两种锤分别对以上四种工况进行分析，最大锤击数，锤击数与桩入泥关系（如表3、图1）。
基于以往工程經验，连续打桩土壤受扰动不会发生土塞，用MHU 150S锤可以将桩打入预定深度。从锤击数和入泥深度关系图可见，沙土中打桩越往深处越难打入，这和在沙土中打桩更容易将土壤压密实的性质相符合，建议施工时在桩入泥超过15m后采用大锤送桩以保证顺利施工。
3自由站立分析
此分析是基于已有的施工条件（结构的建造最大偏差、选用的锤、最不利的海况条件等），在打桩过程中确保桩身不损害的目的下，采用动态分析的方法对桩身强度进行校核。
3.1主要原理及公式
此分析采用SACS软件，用动力放大系数方法，模拟桩在波浪、海流、桩自重、锤重及涡流共振作用下受力情况，进而校核桩身强度。首先是根据桩、导向架的尺寸、建造偏差确定桩的倾斜角度。其次是用SACS软件建立模型，模型须真实模拟各段桩的壁厚、长度、直径及整桩倾斜角度，模型中还要体现锤重、锤重心高度及导向架对桩支撑的边界条件等信息。再次是分步骤进行计算桩所受到的波浪、海流及合成力。最后提取桩身应力值进行校核，根据Timoshenko弹性稳定性理论[5]计算轴向许用应力，根据API规范[2]计算弯曲许用应力。此外，根据DNV规范[4]进行涡流振动校核，防止桩振动破坏。主要公式如下：
3.2工程实际计算分析
打桩过程中，随着桩逐渐进入泥中，悬在导向架上部的长度不断减小，同时考虑各段桩壁厚，可将自由站立分析分为三个工况进行强度分析。自由站立分析结果如表4。
基于以上结果，可知施工环境条件好于或等于给定最差条件（波高、流速），采用现有的MHU 150S锤来安装桩，桩身强度满足要求。
4替打段的设计分析
替打段是底部插入桩头，上部伸入锤套，用于送桩入泥，反复使用的一段钢管结构物。打桩时的锤击力较大，替打段的设计就需要进行强度校核。另外，替打段有变径段，就需要对其进行形状校核，以防止出现局部屈曲失稳。此外，多根桩施工需反复使用替打段，这就要对其进行疲劳验算。最后，替打段除了满足自身的强度、屈曲、疲劳及施工工艺要求外，还要尽量减轻重量、减少高度，这有利于施工安全、操作方便。
4.1替打段强度分析
强度校核采用有限元ANSYS软件。采用Shell181单元进行建模，建模尽量用规则四边形单元，单元尺寸控制在3-4倍板厚的水平，这样有利于计算的精度。根据打桩分析，将打桩过程中最大的打桩力，加载在顶部作为设计荷载。替打段底部插入桩头与桩接触部位，将其铰支固定。
计算结果最大应力为274.07 MPa小于钢材的屈服强度，根据AISC规范[1]，替打段强度满足安装桩的施工要求。
4.2替打段形状校核
为了确保变径段不发生屈曲失稳，根据API RP 2A-WSD[2]要求，要对变径段的角度进行验算，对纵向应力验算，以及验算环向应力。
变径段的临界角度采用直径与壁厚的比值进行确定，实际变径段角度小临界角度即可。纵向应力、环向应力的验算依照规范公式进行，确保实际应力小于许用应力。主要公式列于下面：
按照规范要求、应用具体公式，结合本项目实际情况，对替打段进行形状校核。
根据直径与壁厚的比值，来查得变径段的临界角度。此替打段的允许最大临界角为9.1度，实际设计为8 度，满足形状控制要求。
替打段防止屈曲应力校核过程如下：首先，在22956.4 kN锤击力作用下，根据替打段截面性质，可以求得其受的压应力为fa=209.017 MPa，而弯曲应力为fb=0 MPa；再将求得应力带入上面的实际应力计算公式，可以求得實际的纵向应力、环向应力分别为fb'=119.15 MPa和fh'=63.189 MPa；再次根据结构尺寸可以求得环向许用应力为Fhc=335 MPa；最后将实际纵向、环向应力分别与材料屈服强度、环向许用应力比较。由于实际应力小于许用应力，此替打段是满足防止失稳发生要求的。
4.3替打段疲劳验算
疲劳分析主要有损伤、时域和谱疲劳分析法。参照DNV规范 [3]，替打段疲劳采用损伤疲劳法进行验算。损伤分析法是基于应力与循环次数曲线（S-N Curve）[7]，用提取的替打段强度校核结果中过度段应力幅值S，来确定在此应力水平下的最大循环次数N。然后，将打桩分析中总的锤击循环次数作为实际循环次数n。最后，将实际循环次数与最大循环次数作比，最终求得损伤系数D。
（15）
本项目，变径段最大应力幅值为58.656 MPa时，在此应力水平下最大循环次数N为1.818×106，而预测实际打桩锤击数不超过1.403×105，因此替打段的抗疲劳满足桩的安装要求。
5结语
本文基于实际工程，介绍替打桩安装设计流程。此设计涉及的分析多，包括可打入性、自由站立和替打段设计分析；此设计需要校核的方面全，包含强度、屈曲及疲劳校核；此设计所用的规范多，既用到API、DNV等常用海洋工程规范，也涉及到Timoshenko弹性稳定性理论、土壤振动与阻尼Roussel理论。另外，此设计的各个分析是彼此联系、又相互制约。比如可打入性分析为替打段设计分析提供打桩力、锤击次数等，而替打段设计分析所确定的替打段重量、长度又影响可打入性分析、自由站立分析。基于替打桩安装设计特点和实际工程工作任务量大、时间紧的要求，在保质保量的前提条件下，特提出以下几点建议以提高工作效率。
（1）项目实施前要充分了解业主的要求，领会详细设计的意图，掌握施工现场的具体情况。这就需要多方沟通，避免不必要的设计浪费。
（2）深入研究设计资料文件，需要准确洞察，把握好项目的关键点、难点，这有助于工作中抓重点、集中精力攻克难点。
（3）统筹好各项工作，可以采用螺旋渐进稳步推进工作，将设计方案逐步推进到即安全又经济的最优程度。这就要求设计时各个计算分析协调进行、及时沟通、信息畅通，保证工作顺利有序的进行。
参考文献：
[1] American Institute of Steel Construction， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition， 1989.
[2] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design，21st Edition， 2007.
[3] DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures， 2012.
[4]DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， 2014.
[5] TIMOSHENKO， “Theory of Elastic stability， Section 2.12， Buckling of Bar under Distributed Axial Load”.
[6] 海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法—工作应力设计法[M].国家发展和改革委员会，2004-07-03.
[7] 胡毓仁，陈伯真. 船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.11.
摘 要：本文基于实际工程，详细介绍了海洋工程中替打桩安装设计流程，此设计包括可打入性分析、自由站立分析及替打段设计分析。替打桩安装设计的特点是涉及相关方多、设计过程多、各项工作相互联系制约。鉴于上述特点，建议全面考虑、统筹兼顾，采用螺旋方式稳步推进工作，以实现替打桩安装既安全又经济的目的。
关键词：海洋工程； 替打桩； 可打入性分析； 自由站立分析； 替打段设计分析
中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0074-04
海上平台、单点系泊、海上风电的固定及在海中临时结构物的搭设都需要用钢管桩进行固定。基于生产、技术、实用、安全、生态、环保要求，需要将整根桩打入泥面以下甚至更深处。这对海上桩基的安装提出更高要求：在常规钢桩安装设计的基础上增加替打段设计，满足工程需要。
海洋工程结构复杂、体积庞大、造价昂贵，且其所处的海洋环境恶劣。要实现海上施工即安全又经济，有必要对海上桩基安装过程进行细致、详细、全面的设计分析，用于指导现场施工。最终保证工程安全顺利实施，同时降低工程费用。
本文将结合海外工程项目——西非海管及单点安装项目，详细介绍替打桩设计流程，借此同广大海洋工程界同行分享经验、交流思想，以达到促进海洋工程技术发展，为我国海洋工程走出去尽一份微薄力的目的。
1项目数据简介
根据材质、桩径、桩长、壁厚、设计入泥深度等，此项目的50根桩可分为三种，一种桩为例，其数据如下：桩径1372 mm，桩长20 m，设计入泥深度20 m，壁厚30-40 mm，材质DH36。
根据现有施工条件，选用MHU 150S 锤作为主打锤，IHC S90锤作为备用锤，参数如下：
海况数据如下：
（1）波浪数据： Hmax = 4.5 m，Tass = 13.0 sec。
（2）流速采用95%概率不超过的月最大数据：表层流速Uso = 0.42m*s-1，中层流速Umid = 0.36 m*s-1，底层流速Ubot = 0.14 m*s-1。
（3）水深：Dw = 23.1 m。
2可打入性分析
此分析是验证所使用安装设备，在桩体强度不破坏情况下、满足规范拒锤标准要求下能否将桩安装到位。美国石油协会（API）给出的拒锤标准是：不能超过300次/英尺[2] [6]。
2.1主要原理及公式
可打入性分析计算原理是先通过各段桩尺寸及各层土壤参数计算土壤阻力Soil Resistance to Driving （SRD）数值，再根据Roussel理论选取各层土的震动（Quake）和阻尼（Damping）参数，最后将以上得到的数据采用GRLWEAP软件进行数值模拟分析打桩过程，进而预测打桩情况为现场施工提供指导建议。
土壤阻力计算，主要计算侧阻、端阻，根据土壤塑性指数不同，将土壤大致分为粘性土和非粘性土，分别计算两种土的土壤阻力。
2.2工程实际计算分析
考虑到实际打桩施工中由于土壤受扰动其阻力系数会有所折减的情况，另外打桩过程中是否发生土塞，可将打桩工况分为低阻值不土塞、高阻值不土塞、低阻值土塞及高阻值土塞情况。此项目采用两种锤分别对以上四种工况进行分析，最大锤击数，锤击数与桩入泥关系（如表3、图1）。
基于以往工程經验，连续打桩土壤受扰动不会发生土塞，用MHU 150S锤可以将桩打入预定深度。从锤击数和入泥深度关系图可见，沙土中打桩越往深处越难打入，这和在沙土中打桩更容易将土壤压密实的性质相符合，建议施工时在桩入泥超过15m后采用大锤送桩以保证顺利施工。
3自由站立分析
此分析是基于已有的施工条件（结构的建造最大偏差、选用的锤、最不利的海况条件等），在打桩过程中确保桩身不损害的目的下，采用动态分析的方法对桩身强度进行校核。
3.1主要原理及公式
此分析采用SACS软件，用动力放大系数方法，模拟桩在波浪、海流、桩自重、锤重及涡流共振作用下受力情况，进而校核桩身强度。首先是根据桩、导向架的尺寸、建造偏差确定桩的倾斜角度。其次是用SACS软件建立模型，模型须真实模拟各段桩的壁厚、长度、直径及整桩倾斜角度，模型中还要体现锤重、锤重心高度及导向架对桩支撑的边界条件等信息。再次是分步骤进行计算桩所受到的波浪、海流及合成力。最后提取桩身应力值进行校核，根据Timoshenko弹性稳定性理论[5]计算轴向许用应力，根据API规范[2]计算弯曲许用应力。此外，根据DNV规范[4]进行涡流振动校核，防止桩振动破坏。主要公式如下：
3.2工程实际计算分析
打桩过程中，随着桩逐渐进入泥中，悬在导向架上部的长度不断减小，同时考虑各段桩壁厚，可将自由站立分析分为三个工况进行强度分析。自由站立分析结果如表4。
基于以上结果，可知施工环境条件好于或等于给定最差条件（波高、流速），采用现有的MHU 150S锤来安装桩，桩身强度满足要求。
4替打段的设计分析
替打段是底部插入桩头，上部伸入锤套，用于送桩入泥，反复使用的一段钢管结构物。打桩时的锤击力较大，替打段的设计就需要进行强度校核。另外，替打段有变径段，就需要对其进行形状校核，以防止出现局部屈曲失稳。此外，多根桩施工需反复使用替打段，这就要对其进行疲劳验算。最后，替打段除了满足自身的强度、屈曲、疲劳及施工工艺要求外，还要尽量减轻重量、减少高度，这有利于施工安全、操作方便。
4.1替打段强度分析
强度校核采用有限元ANSYS软件。采用Shell181单元进行建模，建模尽量用规则四边形单元，单元尺寸控制在3-4倍板厚的水平，这样有利于计算的精度。根据打桩分析，将打桩过程中最大的打桩力，加载在顶部作为设计荷载。替打段底部插入桩头与桩接触部位，将其铰支固定。
计算结果最大应力为274.07 MPa小于钢材的屈服强度，根据AISC规范[1]，替打段强度满足安装桩的施工要求。
4.2替打段形状校核
为了确保变径段不发生屈曲失稳，根据API RP 2A-WSD[2]要求，要对变径段的角度进行验算，对纵向应力验算，以及验算环向应力。
变径段的临界角度采用直径与壁厚的比值进行确定，实际变径段角度小临界角度即可。纵向应力、环向应力的验算依照规范公式进行，确保实际应力小于许用应力。主要公式列于下面：
按照规范要求、应用具体公式，结合本项目实际情况，对替打段进行形状校核。
根据直径与壁厚的比值，来查得变径段的临界角度。此替打段的允许最大临界角为9.1度，实际设计为8 度，满足形状控制要求。
替打段防止屈曲应力校核过程如下：首先，在22956.4 kN锤击力作用下，根据替打段截面性质，可以求得其受的压应力为fa=209.017 MPa，而弯曲应力为fb=0 MPa；再将求得应力带入上面的实际应力计算公式，可以求得實际的纵向应力、环向应力分别为fb'=119.15 MPa和fh'=63.189 MPa；再次根据结构尺寸可以求得环向许用应力为Fhc=335 MPa；最后将实际纵向、环向应力分别与材料屈服强度、环向许用应力比较。由于实际应力小于许用应力，此替打段是满足防止失稳发生要求的。
4.3替打段疲劳验算
疲劳分析主要有损伤、时域和谱疲劳分析法。参照DNV规范 [3]，替打段疲劳采用损伤疲劳法进行验算。损伤分析法是基于应力与循环次数曲线（S-N Curve）[7]，用提取的替打段强度校核结果中过度段应力幅值S，来确定在此应力水平下的最大循环次数N。然后，将打桩分析中总的锤击循环次数作为实际循环次数n。最后，将实际循环次数与最大循环次数作比，最终求得损伤系数D。
（15）
本项目，变径段最大应力幅值为58.656 MPa时，在此应力水平下最大循环次数N为1.818×106，而预测实际打桩锤击数不超过1.403×105，因此替打段的抗疲劳满足桩的安装要求。
5结语
本文基于实际工程，介绍替打桩安装设计流程。此设计涉及的分析多，包括可打入性、自由站立和替打段设计分析；此设计需要校核的方面全，包含强度、屈曲及疲劳校核；此设计所用的规范多，既用到API、DNV等常用海洋工程规范，也涉及到Timoshenko弹性稳定性理论、土壤振动与阻尼Roussel理论。另外，此设计的各个分析是彼此联系、又相互制约。比如可打入性分析为替打段设计分析提供打桩力、锤击次数等，而替打段设计分析所确定的替打段重量、长度又影响可打入性分析、自由站立分析。基于替打桩安装设计特点和实际工程工作任务量大、时间紧的要求，在保质保量的前提条件下，特提出以下几点建议以提高工作效率。
（1）项目实施前要充分了解业主的要求，领会详细设计的意图，掌握施工现场的具体情况。这就需要多方沟通，避免不必要的设计浪费。
（2）深入研究设计资料文件，需要准确洞察，把握好项目的关键点、难点，这有助于工作中抓重点、集中精力攻克难点。
（3）统筹好各项工作，可以采用螺旋渐进稳步推进工作，将设计方案逐步推进到即安全又经济的最优程度。这就要求设计时各个计算分析协调进行、及时沟通、信息畅通，保证工作顺利有序的进行。
参考文献：
[1] American Institute of Steel Construction， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition， 1989.
[2] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design，21st Edition， 2007.
[3] DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures， 2012.
[4]DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， 2014.
[5] TIMOSHENKO， “Theory of Elastic stability， Section 2.12， Buckling of Bar under Distributed Axial Load”.
[6] 海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法—工作应力设计法[M].国家发展和改革委员会，2004-07-03.
[7] 胡毓仁，陈伯真. 船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1997.11.
