船用車輛跳板強(qiáng)度的計(jì)算方法

王 武，彭善輝，徐昭偉

(舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江 舟山 316101)

0 引言

船用車輛跳板是客滾船、甲板貨駁等船舶實(shí)現(xiàn)其車輛運(yùn)輸、車輛裝卸貨等功能的重要設(shè)備，是船舶與碼頭鏈接的臨時(shí)橋梁，多見(jiàn)于各類具有車輛運(yùn)輸功能的船舶，尤其是滾裝船[1]。車輛跳板按照位置基本分為船艏跳板、舷側(cè)跳板與船艉跳板。一般船用車輛跳板由跳板面板、橫向骨材、縱向骨材，鉸鏈耳板、鉸鏈軸等組成[2]。在設(shè)計(jì)研究過(guò)程中進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算研究，不僅可以確保其使用安全性，還可以適當(dāng)節(jié)約設(shè)計(jì)制造成本，但是目前研究車輛跳板強(qiáng)度的文獻(xiàn)較少。本文以甲板運(yùn)輸船位于艏部的車輛跳板為例，結(jié)合中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的兩種不同規(guī)范對(duì)車輛跳板強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，從而驗(yàn)證車輛跳板強(qiáng)度計(jì)算方法的合理性。

1 船用車輛跳板強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例

1.1 所載車輛信息

本文所載車輛采用標(biāo)準(zhǔn)貨車。算例的車輛總重量(標(biāo)準(zhǔn)載重+自重)為300 kN，輪距為1.8 m，軸距：前輪與中輪為4.0 m，中輪與后輪為1.4 m。作為算例的車輛車輪相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)車輛信息，繪制所載車輛負(fù)荷簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

1.2 船用車輛跳板信息

作為算例的車輛跳板的側(cè)視圖見(jiàn)圖2。

該車輛跳板一端用鉸鏈連接在船端部，另一端直接擱在碼頭引橋上。跳板寬度為7 000 mm，長(zhǎng)度為8 000 mm(考慮到?jīng)_灘放置300 mm，扣除該長(zhǎng)度余量后，計(jì)算長(zhǎng)度為7 700 mm)，坡度為0.1。該車輛跳板的俯視圖見(jiàn)圖3。

圖1 所載車輛負(fù)荷簡(jiǎn)圖

圖3中，縱骨跨距l(xiāng)=600 mm；縱骨間距s=500 mm；跳板自重G=153.0 kN，由15根縱梁支承，則每根縱梁平均受力為Q=G/15=10.2 kN。

車輛跳板厚度t根據(jù) 《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范(2014)》計(jì)算如下：

式中：P為輪印壓力，P=60 kN；C為系數(shù)，C=0.906；K為系數(shù)，K=3.89。

經(jīng)計(jì)算，t=10.22 mm。

最終車輛跳板厚度為12 mm，材料選用CCS-A。

圖2 船用車輛跳板側(cè)視圖(單位：mm)

圖3 船用車輛跳板俯視圖(單位：mm)

2 強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)

2.1 基于《海船規(guī)范》計(jì)算

《海船規(guī)范》第2篇第9章第6節(jié)提供了關(guān)于車輛跳板強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。

2.1.1 跳板自身重力產(chǎn)生的彎矩

包括跳板自重、所載車輛載荷在內(nèi)的總載荷為：

∑P=G+PC

式中：G為跳板自重，G=153.0 kN；PC為作用在跳板上的靜載荷，PC=300 kN。

經(jīng)計(jì)算，∑P=453.0 kN。

設(shè)計(jì)時(shí)，縱梁取連續(xù)梁，橫梁以縱梁的間距為支點(diǎn)跨距。計(jì)算時(shí)將車輛跳板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。

車輛跳板由其自重引起的受力及彎矩圖見(jiàn)圖4。圖中，Mmax1為跳板自重產(chǎn)生的最大彎矩，Mmax1=10.2 kN·m。

2.1.2 跳板上車輛產(chǎn)生的彎矩

根據(jù)法國(guó)BV船級(jí)社《船舶入級(jí)規(guī)范和規(guī)則》(1996)第四分冊(cè)規(guī)定：當(dāng)前、中、后輪(組)同時(shí)作用于跳板時(shí)，在跳板上最大力傳遞系數(shù)C= 0.38，則有各輪(組)對(duì)車輛跳板的作用力如下(考慮風(fēng)浪載荷去10%余量)：

前輪作用力P1=12.54 kN，中輪、后輪作用力P2=25.08 kN。

圖4 基于《海船規(guī)范》的船用車輛跳板自重受力及彎矩圖

考慮到?jīng)_灘放置300 mm，扣除該長(zhǎng)度余量后，總長(zhǎng)度為7 700 mm，車輛跳板由裝載車輛引起的受力及彎矩圖見(jiàn)圖5。

圖5 基于《海船規(guī)范》的船用車輛跳板裝載車輛受力及彎矩圖

所載車輛產(chǎn)生的最大彎矩為：

Mmax2=78.6 kN·m

2.1.3 跳板型材選取

式中：[σ]為許用彎曲應(yīng)力，[σ] =141 MPa。

經(jīng)計(jì)算，W=629.8 cm3。

2.2 基于《起重規(guī)范》計(jì)算

中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《起重規(guī)范》[4]第3章提供了關(guān)于車輛跳板強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。

2.2.1 跳板上總載荷產(chǎn)生的彎矩

根據(jù)《起重規(guī)范》，車輛跳板載荷計(jì)算分為三種工況：放下?tīng)顟B(tài)、放置狀態(tài)和操縱狀態(tài)，其中車輛跳板處于放下?tīng)顟B(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力最大。

放下工況中包括跳板自重、所載車輛載荷以及其他可能載荷在內(nèi)的總載荷為：

∑P=G+1.1PC+Ph1+Ph2+Ph3

式中：Ph1為船舶橫傾5°時(shí)的水平力，Ph1=39.5 kN；Ph2為船舶縱傾2°時(shí)的水平力，Ph2=15.8 kN；Ph3為由跳板角度引起的載荷，Ph3=29.9 kN。

經(jīng)計(jì)算，∑P=568.2 kN。

在放下工況下，仍考慮由15根縱梁支承，當(dāng)總載荷集中于車輛跳板正中時(shí)構(gòu)件受力最大。考慮到?jīng)_灘放置300 mm，扣除該長(zhǎng)度余量后，總長(zhǎng)度L2=7 700 mm，船用車輛跳板在總載荷下的受力F=37.9 kN。車輛跳板所受最大彎矩Mmax為73.0 kN·m。

2.2.2 跳板型材選取

扣除2 mm腐蝕余量后，其實(shí)際剖面模數(shù)W′=632.7 cm3，滿足《起重規(guī)范》要求。

2.3 計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，兩種計(jì)算結(jié)果的主要差異點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 《海船規(guī)范》和《起重規(guī)范》計(jì)算結(jié)果比較

3 分析

基于上述計(jì)算結(jié)果顯示，《海船規(guī)范》與《起重規(guī)范》對(duì)船用車輛跳板強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法略有差異，差異如下：

(1)對(duì)跳板自重與外加載荷(所載車輛)的處理

《海船規(guī)范》將車輛跳板所受載荷分為跳板自重與外加載荷(所載車輛)，對(duì)兩種載荷的處理方法不同：跳板自重所引起的載荷分布采用了經(jīng)典的簡(jiǎn)支梁模型；將所載車輛引起的載荷近似依據(jù)輪印位置做近似處理。但《海船規(guī)范》缺乏對(duì)除跳板自重與所載車輛之外其他可能載荷的考量?！镀鹬匾?guī)范》不區(qū)分跳板自重與外加載荷的真實(shí)分布情況，將兩種載荷簡(jiǎn)化為統(tǒng)一作用于簡(jiǎn)支梁中點(diǎn)的載荷。但是，除了該兩種載荷外，《起重規(guī)范》對(duì)其他載荷的種類考慮較全面。

(2)對(duì)船舶浮態(tài)的考慮

《海船規(guī)范》的計(jì)算過(guò)程均基于船舶處于正浮的假定，并未考慮船舶可能傾斜的情形；《起重規(guī)范》的計(jì)算過(guò)程中包括了對(duì)船舶橫傾5°與縱傾2°兩種傾斜狀態(tài)的考慮。

(3)對(duì)工況的選取

《海船規(guī)范》的計(jì)算僅針對(duì)車輛跳板的放置狀態(tài)；《起重規(guī)范》對(duì)車輛跳板的三種工況(放下?tīng)顟B(tài)、放置狀態(tài)和操縱狀態(tài))均有相應(yīng)計(jì)算方式。但車輛跳板的放下?tīng)顟B(tài)為三種工況中外加載荷最大的情形，對(duì)車輛跳板的強(qiáng)度要求最高，若強(qiáng)度已滿足放下?tīng)顟B(tài)的需求，則不需要計(jì)算放置狀態(tài)和操縱狀態(tài)的強(qiáng)度。

(4)計(jì)算結(jié)果的安全性(保守程度)

對(duì)于總載荷，《海船規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果顯著低于《起重規(guī)范》；對(duì)于最大彎矩，《海船規(guī)范》與《起重規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果差異較??；對(duì)于所需剖面模數(shù)，《海船規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果顯著高于《起重規(guī)范》。《海船規(guī)范》對(duì)于細(xì)節(jié)的處理較為保守，但《起重規(guī)范》對(duì)情形的考量更為全面。

4 結(jié)論

(1)《起重規(guī)范》對(duì)跳板上各載荷的種類、跳板工作時(shí)船舶浮態(tài)、工況選取等考慮得較為全面。《海船規(guī)范》對(duì)跳板上車輛引起的載荷的分布處理更加接近實(shí)際。

(2)基于四個(gè)方面(載荷的處理、船舶浮態(tài)的考量、工況的選取、計(jì)算結(jié)果的安全性)的比較，這兩種規(guī)范具有各自的優(yōu)勢(shì)，故建議：在計(jì)算車輛跳板強(qiáng)度時(shí)，計(jì)算的總過(guò)程可采用《起重規(guī)范》；對(duì)模擬所載車輛引起的載荷可采用《海船規(guī)范》，但也應(yīng)充分考慮船舶具體可能載況。