雙向通行承壓舟橋結(jié)構(gòu)強度直接計算工況探析

趙慶亮，鄭培培，裴志勇

（1.山東省濟南船舶檢驗局，山東 濟南 250014；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

雙向通行承壓舟橋結(jié)構(gòu)強度直接計算工況探析

趙慶亮1，鄭培培2，裴志勇2

（1.山東省濟南船舶檢驗局，山東 濟南 250014；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

承壓舟對促進經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的意義，然而目前沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。本文針對新型承壓舟的結(jié)構(gòu)特性和受載特點，總結(jié)了基于雙體船規(guī)范的船體結(jié)構(gòu)強度直接計算工況，并定義了針對承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的計算工況，用于驗證承壓舟浮橋的抗彎和抗扭強度，以保證其安全運行。

承壓舟；結(jié)構(gòu)強度直接計算；浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計算工況；抗彎和抗扭強度

DOI編碼：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.10.020

1　研究背景

承壓舟系我國在世界上首創(chuàng)的分置式舟橋器材，應(yīng)用于公路舟橋的架設(shè)。自1985年由山東省黃河航運局研制成功并架設(shè)舟橋以來，在黃河流域得到了迅猛發(fā)展，據(jù)測算，2013年山東省舟橋年通行量超過了1億余人次、3000萬車次，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，對促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，方便群眾生產(chǎn)生活，發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

承壓舟橋是在長期實踐基礎(chǔ)上的總結(jié)發(fā)展與應(yīng)用，存在著浮態(tài)、落灘、半落灘等多種復(fù)雜使用工況，而當前的船檢技術(shù)規(guī)范是基于船舶“自由浮態(tài)”的系統(tǒng)技術(shù)集成，并未提供針對承壓舟受力工況的技術(shù)要求，尤其在橫彎、橫扭直接計算方面，形成了嚴重的技術(shù)瓶頸。目前承壓舟的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本圍繞計算軸重14噸、50噸以上車輛單向通行進行，造成了承壓舟橋的雙向通行能力與現(xiàn)實社會車輛的通行需求、安全需求相比嚴重滯后的局面。圍繞實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破、提高承壓舟通行能力和安全保障能力的新一代承壓舟的研制日趨緊迫?；诖?，本文對雙向通行千噸級新一代承壓舟結(jié)構(gòu)強度計算工況進行了探析，以確保承壓舟橋在大噸位重載車輛通行時的高效和安全可靠性。

2　承壓舟橋發(fā)展狀況

承壓舟橋歷經(jīng)三十年，形成了三代具有代表性的舟型。第一代，適合輪式15t、履帶式40t載荷單向通行，型深1.3m，設(shè)計吃水1.0m，無首尾特征。第二代，承載不超過100t，可滿足整車質(zhì)量20t以下車輛的雙向通行；出現(xiàn)了明顯的尖首，船長多不超過20m，船寬不超過18m，設(shè)計吃水為1.0m，型深多為1.5m。第三代，以確保100噸以上重載車輛單向通行為出發(fā)點，船寬不低于20m，有效改善了重載車通行造成“V”型坡的不利影響，安全性能有了很大提升，開啟了整車質(zhì)量50t以下車輛雙向通行的應(yīng)用實踐。本文進行第四代承壓舟的研發(fā)，從抗彎扭設(shè)計出發(fā)，進行千噸級雙向四車道承壓舟研制，船長超過30m，船寬30m，儲備浮力大大提高，開啟整車質(zhì)量147t載重貨車雙向通行承壓舟新時代。

3　新型承壓舟橋特點

研發(fā)的第四代承壓舟是典型的短而寬船型，雙片體、單甲板，具有足夠的縱向強度和剛度，因而縱向波浪載荷不構(gòu)成雙體承壓舟結(jié)構(gòu)強度的主要矛盾。但是雙體承壓舟具有較寬的橫向接觸面積和特殊的橫剖面幾何形狀，其橫向波浪的誘導(dǎo)載荷（橫向彎矩和垂向剪力）以及船舶置于斜浪狀態(tài)所遭遇的扭矩將可能達到相當?shù)牧考?，并引起主船體、特別是支柱體和連接橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力。除此以外，承壓舟主要受力載荷為甲板與連接橋上通行的車輛，這些通行的重載卡車的受力狀態(tài)是一個動態(tài)的變化過程，不同的車輛位置導(dǎo)致不同的受力強度和響應(yīng)。而車輛通行的方向主要是沿著雙體承壓舟的船寬方向，因此，甲板車輛載荷導(dǎo)致的雙向四車道承壓舟結(jié)構(gòu)的主要問題是橫向彎曲強度、橫向扭轉(zhuǎn)強度及其組合形式。

研發(fā)的第四代承壓舟除船底中部采用縱骨架式外，其余均采用橫骨架式的結(jié)構(gòu)形式并加強橫向連接，這也是基于提高船體橫向抗彎剛度的需求。在不對稱車輛載荷作用下，承受扭矩的連接橋結(jié)構(gòu)就成為船體最為敏感和薄弱的部分，其橫向抗彎和抗扭能力需著力解決。研發(fā)的新型承壓舟總長39.6米、船寬31.6米、片體寬12米、片體中心距18.0米、型深2.26米、滿載吃水1.2米、滿載排水量1041.12噸、空載排水量480噸、車輛甲板寬19.0米、設(shè)計軸重按30t計。典型橫剖面如圖1所示。

4　結(jié)構(gòu)強度直接計算工況研究

圖1　第四代承壓舟典型橫剖面圖

承壓舟浮橋是由雙體承壓舟連接而成，其結(jié)構(gòu)強度直接計算工況既要體現(xiàn)單船體的要求，又要體現(xiàn)浮橋整體最不利工作狀態(tài)。因此，首先探討單船體結(jié)構(gòu)強度直接計算工況，隨后探討承壓舟浮橋整體結(jié)構(gòu)強度直接計算工況。

4.1單船體結(jié)構(gòu)強度直接計算工況

根據(jù)中國船級社頒布的《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）第9章雙體船船體結(jié)構(gòu)補充規(guī)定之附錄Ⅰ雙體船結(jié)構(gòu)直接計算要求，對雙體承壓舟單船體結(jié)構(gòu)強度直接計算工況進行了探討。

4.1.1橫彎工況

本計算按照中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）規(guī)定進行。雙體船連接橋總橫彎矩可按下式計算：

式中：Mbx——為雙體船的總橫彎矩；

s——航區(qū)系數(shù)，A級航區(qū)取8.0，B級航區(qū)取9.0，C級航區(qū)取10.0，J級航區(qū)取9.0；

bc——為任一片體中心至連接橋校驗處的距離。

連接橋的總橫彎矩可通過沿片體橫向強框架內(nèi)側(cè)舭部的節(jié)點上施加橫向?qū)﹂_力來實現(xiàn)，橫向?qū)﹂_力fy按下式計算：

式中：——橫向?qū)﹂_力施加點至連接橋中縱剖面中和軸的垂距離；

n——片體施加橫向?qū)﹂_力的強框架總數(shù)。

Mbx（中拱）工況時施加向內(nèi)開的橫向?qū)﹂_力；Mbx（中垂）工況時施加向外開的橫向?qū)﹂_力。

4.1.2橫扭工況

按照中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）規(guī)定，橫扭工況下的扭矩Mt，

式中：k0——系數(shù)；

k——系數(shù)，A級航區(qū)取k=1、B級航區(qū)取k=0.6、C級航區(qū)取k=0.4；

L——計算船長。

雙體船總橫扭矩可通過反對稱分布在片體中縱剖面內(nèi)的垂向均布力來施加，即左舷舯前施加垂直向上載荷，左舷舯后施加垂直向下載荷，同時右舷舯前施加垂直向下載荷，右舷舯后施加垂直向上載荷。

4.1.3邊界條件

為了限制剛體模態(tài)，使得數(shù)值計算能順利進行下去，需要施加盡可能小的位移邊界條件。在連接橋縱中剖面首端中點（圖2中A點）施加x、y、z三個方向平動約束，在連接橋縱中剖面尾端中點（圖2中B點）施加y、z兩個方向平動約束，在片體中橫剖面舷側(cè)處（圖2中C點）施加z方向平動約束，邊界條件示意圖如圖2所示。

圖2　邊界條件示意圖

4.1.4工況定義

對于雙體船而言，進行連接橋結(jié)構(gòu)強度分析時，應(yīng)考慮最惡劣的計算工況，包括橫彎和彎扭組合，一般需對下述六種典型工況進行計算分析：

（1）Mbx（中拱）

（2）Mbx（中垂）

（3）0.8Mbx（中拱）+0.6 Mty

（4）0.8Mbx（中垂）+0.6 Mty

（5）0.6Mbx（中拱）+0.8 Mty

（6）0.6Mbx（中垂）+0.8 Mty

4.2承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計算工況

圖3　工況5車輛位置示意圖

承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為多個承壓舟互相接連起來，彼此相互作用相互制約，并不是一個完全自由浮體。承壓舟浮橋主要受力載荷為甲板與連接橋上通行的車輛，其受力狀態(tài)是一個動態(tài)的變化過程，車輛不同的位置導(dǎo)致不同的受力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

本節(jié)探討多艘承壓舟結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中甲板上通行的典型車輛位置導(dǎo)致承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的橫彎和橫扭強度最不利的計算工況。

4.2.1浮力載荷

為了既計算單船體承壓舟受甲板載荷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強度又可獲得承壓舟在穩(wěn)態(tài)上的船體運動，將靜水浮力之間的耦合作用簡化為彈簧模型，在船底所有節(jié)點上均布線性彈簧單元。

每個彈簧單元在垂向上的剛度K為：K=BLg/N

式中：B——單個片體寬度；

L——計算船長；

g——重力加速度；

N——單個片體底部的節(jié)點數(shù)。

4.2.2計算工況

為研究承壓舟橋系統(tǒng)的計算工況，選取三艘承壓舟組成的子系統(tǒng)進行研究，分別探討了對外伸舷、片體和連接橋彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭組合最惡劣工況，如下所述：

工況1：中間兩個重型貨車后輪和小型農(nóng)用車均集中于連接橋部分。載荷主要集中于連接橋，此時檢驗最中間承壓舟的連接橋抗彎強度。

工況2：中間兩車道內(nèi)的兩個重型貨車呈反方向前后六輪、外側(cè)兩車道的小型農(nóng)用車前后兩輪均分布于支耳-銷子結(jié)構(gòu)兩側(cè)。本工況用于模擬最大車輛載荷對支耳-銷子結(jié)構(gòu)（承壓舟之間的連接部分）產(chǎn)生的橫向扭轉(zhuǎn)作用，驗證承壓舟之間的連接部分抗橫扭強度。

工況3：四車按各自行駛方向出現(xiàn)四車車輪呈直線分布且其位置位于承壓舟外伸舷處。此時車輛載荷在外伸舷處產(chǎn)生最大剪力且在承壓舟連接橋中心處產(chǎn)生較大彎矩。因此本工況驗證外伸舷的抗剪強度和連接橋中心處的抗彎強度。

工況4：中間兩車道內(nèi)的兩個重型貨車呈反方向前后六輪、外側(cè)兩車道的小型農(nóng)用車所有四輪均分布于連接橋結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。本工況用于模擬最大車輛載荷對連接橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向扭轉(zhuǎn)作用，驗證承壓舟的連接橋結(jié)構(gòu)的抗彎抗扭強度。

工況5：相反兩個方向車道上的兩輛車之后輪位于承壓舟對角線上外伸舷處。本工況的這種車輛載荷排布方式也可對連接橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向扭轉(zhuǎn)作用，因此本工況同樣驗證承壓舟的連接橋結(jié)構(gòu)的抗橫扭強度。該工況車輛位置示意圖如圖5所示。

工況6：一個片體落灘，四車按各自行駛方向出現(xiàn)四車車輪呈直線分布并且其位置位于另一個未落灘的片體外伸舷處。本工況下車輛載荷對該落灘承壓舟的連接橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大橫向彎曲，因此本工況是驗證落灘片體連接橋抗橫彎強度。

5　結(jié)論

新研制的第四代千噸級雙向通行承壓舟浮橋不同于以往的雙體船及承壓舟浮橋，載荷方式和邊界條件有著其獨特性，本論文對其典型計算工況進行了研究，可得出如下結(jié)論：

（1）單個承壓舟以內(nèi)河雙體船規(guī)范要求的工況進行計算，使其能滿足基本的強度要求。

（2）對由多個承壓舟互相接連起來的承壓舟浮橋，考慮其結(jié)構(gòu)特性和受載特點，對影響其橫彎強度、扭轉(zhuǎn)強度和彎扭組合強度的典型計算工況進行了探析。

（3）本文研究可為承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強度計算方法研究提供依據(jù)，對推進承壓舟浮橋行業(yè)的發(fā)展和相關(guān)規(guī)范的制定提供技術(shù)支持。

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U661.43

A

1006—7973（2016）10-0053-03