海洋工程替打桩替打段设计介绍
张乐 秦一楠
摘 要：替打段作为替打桩的施工工具，在替打桩施工中有不可替代的作用。设计好替打段有助于现场打桩施工安全、高效进行。本文结合实际工程项目对替打段设计进行了介绍，其主要设计包括强度分析、屈曲分析和疲劳分析。
关键词：替打桩；替打段；强度分析；屈曲分析；疲劳分析
中图分类号：TE3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0068-02
近年来随着海洋资源的开发利用，我国海洋工程日益增多，这对我们既是机遇也是挑战。海洋石油开采固定平台，单点系泊的管汇、锚桩，海上风电等些结构物在海洋复杂恶劣条件下，要实现正常工作就需要有牢固的基础。这给海上桩基工程的发展提供了更多机会，同时也带来新的挑战。替打桩是在常规桩的基础上进一步发展而来的新型桩，基于生产工艺、安全和环保的要求，这种桩施工时需要把整根钢桩完全送入泥面以下，这对海上桩基施工提出了更高的要求。
海上桩基工程的施工往往占据结构物海上安装的大部分时间，而海上施工的费用是非常昂贵的，一天就需要几百万，比如中海油的蓝鲸工程船一天就需要二百多万的费用。保证桩的安全、顺利、高效地安装势必给海洋开发利用带来更大的经济效益。
本文基于上述海洋工程发展要求、桩基础工程特点，结合实际工程项目，对替打桩替打段设计进行介绍，以此探讨替打桩的安装设计，实现用有效设计来服务现场施工，最终达到施工既安全又经济的目的。
替打段是为替打桩顺利安装而设计钢管结构物。为了保证桩的安装顺利进行，需要对其进行强度校核、屈曲校核及疲劳校核。除了满足上述要求外，替打段的设计还要尽量减轻重量、减少高度，以实现既安全又经济的目标。
1项目数据简介
本文将采用实际工程项目数据来介绍替打桩替打段的安装设计过程。此项目为中国海洋石油公司海外工程项目——西非海管及单点安装项目。该项目有50根桩，按材质、桩径、桩长、壁厚、设计入泥深度等，可将其分成三种。以直径1219mm的桩为例进行介绍，此类桩桩长20m，设计入泥也是20m。根据可打入性分析可预测此类桩安装过程中最大锤击力为17647.9 kN，最大锤击数为9.577×104。
此项目选用MHU 150S锤和IHC S90锤作为打桩锤。根据锤套内径、内壁深度和桩径，确定替打段上端直径为914mm，底端直径为1219mm，中部位为变径部位。
2强度校核
打桩时，替打段安放在锤与桩之间，打桩锤击力将通过替打段传递给桩。强度校核采用有限元分析，应用ANSYS软件，用Shell181单元建模，进行常规分析。此分析目的主要是校核结构强度，另外还可为后面的屈曲、疲劳分析提供应力數据。此部分分析简单，毋庸赘述，但计算过程中注意以下几点：建模尽量用规则单元，单元尺寸控制在3～4倍板厚水平；加载采用最大打桩力，方向沿轴向以模拟锤击力；边界条件采用底部铰支模拟替打段与桩的接触。
计算结果为最大应力222.40MPa，小于钢材屈服强度。变径段最大应力幅值为74.85MPa，此数值用于后面分析。
3屈曲校核
3.1理论公式
替打段的屈曲校核采用形状控制校核方法。替打段变径部位，往往是容易发生屈曲失稳的部位，根据API规范的相关要求[2]，形状控制校核方法就是要通过控制变径段的角度使其小于临界角来防止发生屈曲失稳。此外，还需对纵向应力、环向应力验算。主要公式罗列如下[4]：
3.2项目应用
根据直径与壁厚的比值，来查得变径段的临界角度。此替打段的最大临界角为7.5度，实际设计为7度，满足形状控制要求。
由于替打段上下端是插入锤套和桩头中，在打桩过程中替打段主要受的轴向锤击力。作用的锤击力为17647.9kN，根据截面性质，可以求得其受的压应力为fa=182.584 MPa，弯曲应力为fb=0 MPa。将求得的压应力、弯曲应力代入上面的实际应力计算公式，可以求得实际的纵向应力、环向应力分别为fb‘=97.215 MPa和fh‘=51.556 MPa。根据结构尺寸可以求得环向许用应力为Fhc=335 MPa。将实际应力与材料屈服强度、环向许用应力比较，可知实际值小于许用值，替打段满足防止屈曲发生的要求。
4疲劳校核
4.1理论公式
替打段的疲劳校核，采用工程界最常用到的损伤分析法。参照DNV规范[3]，损伤分析法的主要公式如下：
4.2项目应用
结合本项目具体介绍下疲劳分析过程。首先，提取替打段强度校核结果中过度段的应力幅值74.85MPa，采用应力与循环次数曲线（S-N Curve）中的D曲线[5]，可确定在此应力水平下的最大循环次数N为9.479×105。然后，将打桩分析中总的锤击数9.577×104作为实际循环次数。将实际循环次数与最大循环次数对比，最终求得损伤系数D。
5结论
本文结合实际工程项目对替打桩替打段设计进行了详细介绍。替打段作为打桩施工的工具，看似微不足道，但只有把其设计做全、做细、做深，才能有效服务现场施工、保证施工过程的安全，最终达到施工既安全又经济的目的。
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] 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.
[5] 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：替打段作为替打桩的施工工具，在替打桩施工中有不可替代的作用。设计好替打段有助于现场打桩施工安全、高效进行。本文结合实际工程项目对替打段设计进行了介绍，其主要设计包括强度分析、屈曲分析和疲劳分析。
关键词：替打桩；替打段；强度分析；屈曲分析；疲劳分析
中图分类号：TE3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0068-02
近年来随着海洋资源的开发利用，我国海洋工程日益增多，这对我们既是机遇也是挑战。海洋石油开采固定平台，单点系泊的管汇、锚桩，海上风电等些结构物在海洋复杂恶劣条件下，要实现正常工作就需要有牢固的基础。这给海上桩基工程的发展提供了更多机会，同时也带来新的挑战。替打桩是在常规桩的基础上进一步发展而来的新型桩，基于生产工艺、安全和环保的要求，这种桩施工时需要把整根钢桩完全送入泥面以下，这对海上桩基施工提出了更高的要求。
海上桩基工程的施工往往占据结构物海上安装的大部分时间，而海上施工的费用是非常昂贵的，一天就需要几百万，比如中海油的蓝鲸工程船一天就需要二百多万的费用。保证桩的安全、顺利、高效地安装势必给海洋开发利用带来更大的经济效益。
本文基于上述海洋工程发展要求、桩基础工程特点，结合实际工程项目，对替打桩替打段设计进行介绍，以此探讨替打桩的安装设计，实现用有效设计来服务现场施工，最终达到施工既安全又经济的目的。
替打段是为替打桩顺利安装而设计钢管结构物。为了保证桩的安装顺利进行，需要对其进行强度校核、屈曲校核及疲劳校核。除了满足上述要求外，替打段的设计还要尽量减轻重量、减少高度，以实现既安全又经济的目标。
1项目数据简介
本文将采用实际工程项目数据来介绍替打桩替打段的安装设计过程。此项目为中国海洋石油公司海外工程项目——西非海管及单点安装项目。该项目有50根桩，按材质、桩径、桩长、壁厚、设计入泥深度等，可将其分成三种。以直径1219mm的桩为例进行介绍，此类桩桩长20m，设计入泥也是20m。根据可打入性分析可预测此类桩安装过程中最大锤击力为17647.9 kN，最大锤击数为9.577×104。
此项目选用MHU 150S锤和IHC S90锤作为打桩锤。根据锤套内径、内壁深度和桩径，确定替打段上端直径为914mm，底端直径为1219mm，中部位为变径部位。
2强度校核
打桩时，替打段安放在锤与桩之间，打桩锤击力将通过替打段传递给桩。强度校核采用有限元分析，应用ANSYS软件，用Shell181单元建模，进行常规分析。此分析目的主要是校核结构强度，另外还可为后面的屈曲、疲劳分析提供应力數据。此部分分析简单，毋庸赘述，但计算过程中注意以下几点：建模尽量用规则单元，单元尺寸控制在3～4倍板厚水平；加载采用最大打桩力，方向沿轴向以模拟锤击力；边界条件采用底部铰支模拟替打段与桩的接触。
计算结果为最大应力222.40MPa，小于钢材屈服强度。变径段最大应力幅值为74.85MPa，此数值用于后面分析。
3屈曲校核
3.1理论公式
替打段的屈曲校核采用形状控制校核方法。替打段变径部位，往往是容易发生屈曲失稳的部位，根据API规范的相关要求[2]，形状控制校核方法就是要通过控制变径段的角度使其小于临界角来防止发生屈曲失稳。此外，还需对纵向应力、环向应力验算。主要公式罗列如下[4]：
3.2项目应用
根据直径与壁厚的比值，来查得变径段的临界角度。此替打段的最大临界角为7.5度，实际设计为7度，满足形状控制要求。
由于替打段上下端是插入锤套和桩头中，在打桩过程中替打段主要受的轴向锤击力。作用的锤击力为17647.9kN，根据截面性质，可以求得其受的压应力为fa=182.584 MPa，弯曲应力为fb=0 MPa。将求得的压应力、弯曲应力代入上面的实际应力计算公式，可以求得实际的纵向应力、环向应力分别为fb‘=97.215 MPa和fh‘=51.556 MPa。根据结构尺寸可以求得环向许用应力为Fhc=335 MPa。将实际应力与材料屈服强度、环向许用应力比较，可知实际值小于许用值，替打段满足防止屈曲发生的要求。
4疲劳校核
4.1理论公式
替打段的疲劳校核，采用工程界最常用到的损伤分析法。参照DNV规范[3]，损伤分析法的主要公式如下：
4.2项目应用
结合本项目具体介绍下疲劳分析过程。首先，提取替打段强度校核结果中过度段的应力幅值74.85MPa，采用应力与循环次数曲线（S-N Curve）中的D曲线[5]，可确定在此应力水平下的最大循环次数N为9.479×105。然后，将打桩分析中总的锤击数9.577×104作为实际循环次数。将实际循环次数与最大循环次数对比，最终求得损伤系数D。
5结论
本文结合实际工程项目对替打桩替打段设计进行了详细介绍。替打段作为打桩施工的工具，看似微不足道，但只有把其设计做全、做细、做深，才能有效服务现场施工、保证施工过程的安全，最终达到施工既安全又经济的目的。
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] 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.
[5] 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.
