大型筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力分析-学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

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第10卷第1期
中国工程机械学报
Vol. 10 No. 1
2012年3月
CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
Mar.2012
大型筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力分析
王金彦1,周细应',龚秀刚2
(1.上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;2.上海工程机械厂有限公司,上海20072)
摘要:分析了柴油桩锤的工作原理及现代桩锤动力学研究现状,运用能量守恒原理推导了上、下活塞受冲击后
冲击面上的速度及应力波的传递过程,并运用波动理论计算了大型柴油柱锤上活塞的动应力,指出了上活塞的
主要破坏形式及政进方法
关键词:波动理论;粧锤;应力波;疲劳断裂
中图分类号:TD823.7
文献标识码:A文章编号:1672-5581(2012)01-0054-04
Dynamic stress analysis on impact piston of
arge-scale cylindrical diesel pile hammer
WANG Jim-yan, ZHOU Xi-ying, GONG Xiu-garg
(1. School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;
2. Shanghai Engineering Machinery Co,Ltd, Shanghai 200072, China
Abstract: Firstly, the working principle of diesel pile hammers, together with dynamical advances of pile
hammers, is presented. Then, the velocities on impact surfaces of upper and lower pistons are deduced
based on the law of energy conservation. By analyzing the transfer process of stress waves and calculating
the upper hammer dynamic stress via wave theory, the major damage forms and corresponding improve
ment methods are pinpointed
Key words: wave theory; pile hammer; stress wave; fatigue crack
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场等基础施工的需要,筒式
柴油打桩锤越来越朝着大型化的方向发展
柴油桩锤在打桩过程内,有两个能量转换过程,即将燃料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
桩的贯人阻力较小时,燃料燃烧的爆发力将成为桩贯人的主要作用;而当桩的贯入阻力较大时,上活塞的
冲击力将成为桩贯人的主要作用リ.当桩的贯人阻力趋于极限时,柴油桩锤就相当于自落锤
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
时产生的强大冲击力打桩.在从冲击到爆发的0.002~0.006s内,连续两次打桩、冲击活塞与下活塞的撞
击,对冲击活塞带来了不利因素,容易引起其危险截面的断裂.冲击活塞在正常工作中以36~45次
min1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.神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将沿该截面疲劳断裂破坏
基于牛顿碰撞力学理论的传统的桩锤设计已有很大的局限性,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,计算桩体或锤体内的动应力2
基金项目:上海市科委科研攻关资助项日(09QT1405800);上海市重点学科建设资助项目(J51402)
作者简介:王金彦(1964-),男,副教授,工学博士.E-mail:geraldwang@163.com
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第1期
王金彦,等:大型筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力分析
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.李云瑞等的
用有限单元法分析630J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的变化曲线,作为锤头和锤杆改进的依
据.在长桩的打人施工中,需要将桩尖贯入持力层一定深度,以控制沉降和取得预定的承载力.分析桩尖锤
击贯入持力层的力学机理对帮助掌握贯入度、回弹量反馈指标及确定合理的停锤标准,处理意外问题都有
重要的指导意义,王怀忠用轴对称有限元法计算60m长预应力高强度混凝土(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
域进行有限元剖分,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
贯入度与桩尖进人持力层深度的关系.这种计算方法可以有效地计算长桩桩尖锤击贯入持力层的过程,可
以对计算模型的刚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.刘国伟等建立了力
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
1用解析法计算筒式柴油打桩锤冲击活塞动应力
1.1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
冲击活塞
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
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,冲击活塞长度为し,截面积0の
冲击体
为A,材料密度为P,冲击体质量为m(冲击体包括下活塞、桩帽及柱
图1柴油桩锤系统简化力学模型
等).为计算方便,把参照系建立在冲击活塞上,如图1所示
Fig 1 Simplified mechanical model
将冲击活塞视为弹性体,当一端自由,另一端施加轴向冲击
of diesel pile hammer system
时,冲击活塞中发生的应力为
式中:E为材料的弹性模量;e为冲击活塞的弹性应变;△0为冲击后冲击活塞两端的速度差;0为弹性波
的传播速度;为冲击活塞的轴向长度,
当at>ーc(弹性波向自由端传播)时
at-(1-x)3/
(2
式中:b=m/Q,Q为冲击活塞重量
当at>+(弹性波从自由端返回)时:
gP(t,t)=e-a-(l-]ーela-(t)]l
(3)
当at>3-t(弹性波第二次由冲击端向自由端传播)时
(,t)=e-a-(