大型筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力解析计算

大型筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力解析计算

1引言

1.1柴油桩锤的工作原理

筒式柴油打桩锤由于具有结构简单和较大的打击能量而被广泛应用于桩基施工中。近几年来随着我国经济建设的发展，特别是现代海洋工程、跨海大桥、石油钻井平台和近海风电厂等基础施工的需求，对筒式柴油打桩锤的需求越来越朝着大型化方向发展。

柴油锤本身虽然结构比较简单，但其工作过程却比较复杂。打桩锤的每一个工作循环都要经历扫气、吸气、压缩、供油、冲击燃烧、膨胀、排气一系列过程。当上活塞下落关闭气口时，压缩过程开始，汽缸内压力和温度逐步升高，压缩中油泵把柴油喷于下活塞球面上。压缩终了时，上活塞冲击下活塞使桩贯入并冲击柴油雾化，冲击几毫秒后柴油开始燃烧，燃烧过程在几毫秒内即完成，汽缸内压力迅速达到最大。冲击过程之后，上活塞和下活塞在爆发力作用下相互分离，一面使桩进一步贯入，一面使上活塞上升，汽缸内压力逐渐下降。

在打桩过程内，有两个能量转换过程，即将燃烧的热能转换为冲击部分的机械能（其中少部分可直接作功使桩贯入），以及将冲击部分的机械能转变为地基土的变形功而使桩贯入土层。研究表明，当桩的贯入阻力较小时，燃料燃烧的爆发力将成为桩贯入的主要作用；而当桩的贯入阻力较大时，上活塞的冲击力将成为桩贯入的主要作用[1]。当桩的贯入阻力趋于极限时，柴油桩锤就相当于自落锤。

1.2冲击活塞将沿危险截面处疲劳断裂 从上述柴油桩锤工作原理可知，其打桩作用不仅靠燃料燃烧的爆发力打桩，还靠冲击活塞冲击下活塞时产生强大的冲击力打桩。从冲击活塞到爆发0.002～0.006s内，连续两次打桩。冲击活塞与下活塞撞击，对冲击活塞带来了不利因素，容易引起危险截面的断裂。冲击活塞在正常工作中以每分钟36～45次的频率冲击下活塞，其受到的作用应力并非全是压应力，还有拉应力。冲击活塞由于其结构形状的变化将在危险截面处造成应力集中，在拉压交变应力作用下降沿该截面疲劳断裂破坏。

1.3现代桩锤动力学计算研究现状

传统的桩锤设计基于牛顿碰撞力学的理论已有很大的局限性，因为它不能很好地解释作用在桩体或锤体内的交变应力问题。现代桩锤设计的解析法大都以波动理论为基础，计算桩体或锤体内动应力[2]。数值分析方法即有限元方法在现代工程设计中有不可替代的作用，它可以计算大型复杂结构的局部特征处的瞬态动力学问题，因此也是现代桩锤设计的一个重要工具。

国内外很多学者已经开展了现代桩锤动力学响应的计算研究，并取得了一定的研究成果。李云瑞[3]用有限单元法分析630KJ蒸汽—空气对击模锻锤（简称对击锤）在一定的打击能量下，锤头和锤杆的应力分布情况，得出了有关破坏区域的应力数据，并画出了关键部分应力变化曲线作为锤头和锤杆改进的进展。在长桩的打入施工中，需要将桩尖贯入持力层一定深度，以控制沉降和取得预定承载力。分析桩尖锤击贯入持力层的力学机理对帮助掌握贯入度、回弹量反馈指标的意义，确定合理的停锤标准，处理意见问题都有重要指导意义。王怀忠[4]用轴对称有限元法计算60 m长PHC臂桩桩尖持力层的机理，计算中考虑了土层的弹性变形，并采用总体Lagrange法考虑了变形的几何特性，仅对桩尖附近的区域进行有限元剖析，既减少了计算量又提高了计算精度，数值结果与现场实测结果比较接近，并且揭示了贯入度与桩尖进入持力层深度的关系。这种计算模型方法可以有效地计算长桩桩尖锤击贯入持力层的过程，可以对计算模型度作适当改进以减小数学模型结果与现场实测结果之间的误差。刘国伟[5]建立了力学模型及优化设计的数学模型，利用复合形法，以冲击功的倒数作为目标函数，对结构进行了优化设计，并对原设计进行了冲击功和冲击频率的计算。

2用解析法计算筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力 2.1波动理论

冲击活塞在正常工作中往复冲击下活塞，其受到的作用应力并非全是压应力，还有拉应力。冲击活塞在拉压交变应力下，一般在截面突变处产生疲劳断裂。

设冲击活塞为一均质笔直的弹性轴，冲击活塞长度，截面积，材料密度，冲击体质量为（冲击体包括下活塞、桩帽及桩等）。为计算方便，把参照系建立在冲击活塞上。如图1所示：

图1柴油桩锤系统简化力学模型

将冲击活塞视为弹性体，当一端自由，另一端施加轴向冲击时，冲击活塞中发生的应力如下：

v

E E (x,t) （1）

a

式中：E—材料的弹性模量

v—冲击后冲击活塞两端的速度差 a—弹性波的传播速度 x—冲击活塞的轴向长度

当at l x(弹性波向自由端传播)时：

(x,t) e

[at (l x)]/ml

（2）

当at l x（弹性波从自由端返回时）：

(x,t) e

[at (l x)]/ml

e

[at (l x)]/ml

（3）

当at l x（弹性波第二次由冲击端向自由端传播时）：

(x,t) e

[at (l x)]/ml

e

[at (l x)]/ml

{1 2[at (3l x)]/ml}e

[at (3l x)]/ml

（4）

式中m W/Q(即冲击体质量W与冲击活塞质量Q的比值)。 当0 t

2lava

（弹性波往返时间）在处，冲击端的应力为：

at/ml

压 E

e （5）

va

最大压应力为： 压max E

（6）

冲击活塞与下活塞冲击时，在冲击活塞内产生的应力波若无衰减，则该压缩应力在冲击活塞内向自由端传播，并在自由端又反射为拉伸返回。

2l4l当时，在x l处的最大应力为： t

aa

v 2/m

拉max E(1 e) （7）

a

冲击端产生拉应力意味着冲击活塞已和冲击体分开。实际上，从这一瞬间开始，冲击活塞变成自由振动，不发生式（7）表示的应力。

2.2原始数据 参考图2 上活塞质量：40 103Kg

下活塞、桩帽及桩质量取为：3 40 103Kg 直径：1.1m 上活塞长度：7.8

4

1.1 L 40 L

7.8

2

40

4

5.4

2

1.1

上活塞顶端离危险截面距离： l1 0.24 5.4 1.29m

材料：球墨铸铁 下落高度：3.4m

图2 上活塞示意图

2.3筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力解析计算

将冲击活塞和下活塞均视为弹性体，如假定下活塞和冲击活塞为同一种材料，则可根据两活塞接触区域局部体积上能量守恒的原理，推导出碰撞后两活塞接触区域的速度，参考图3，推导过程如下：

图3 撞击两活塞接触区域的速度

根据波动理论，当半无限弹性棒的一端突然以速度V0移动，则产生下述应力：

V0 （8）

并以声速传遍整条棒。设两条同材质的棒分别以初速度V11 V0、V21 0撞击，如图３所示，撞击后接触区域的共同速度为V12 V22 V。设撞击后位移 l处应力波能量守恒，则可得：

12

VA1 l

20

12

VA1 l

2

12

A1 l

1E

2

12

VA2 l

2

12

A2 l

2E

2

（9）

1 V0 V)

2

V （10）

联立求解得：

V

A1A1 A2

V0 (11)

设上下活塞截面积相等，则可以得到撞击后局部接触区域的速度等于撞击前上活塞速度的一半。

由式（6），此时冲击面发生的最大压应力为：

V

压max 0.5E0 （12）