雙體承壓舟結(jié)構(gòu)直接計(jì)算

黃平，熊康，趙慶亮，裴志勇，吳衛(wèi)國

摘 要：承壓舟浮橋是由多個(gè)帶外伸結(jié)構(gòu)的雙體船，通過支耳鉸接相連組成，其對(duì)黃河流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著良好的促進(jìn)作用。承壓舟浮橋在營運(yùn)時(shí)，通行橋面在車輛載荷作用下，呈復(fù)雜的彎扭組合狀態(tài)，為確保其結(jié)構(gòu)安全可靠工作，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算。本文對(duì)一典型雙體承壓舟建立三船體計(jì)算模型，采用多點(diǎn)約束模擬支耳鉸接，施加六種典型彎扭組合載荷工況，對(duì)雙體承壓舟浮橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

關(guān)鍵詞：雙體承壓舟;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;直接計(jì)算;彎扭載荷

中圖分類號(hào)：U663 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）11-0082-03

1 研究背景

承壓舟浮橋作為我國首創(chuàng)的民用舟橋裝備，其建造周期短，易拆卸，經(jīng)濟(jì)性好，在水位、泥沙沖淤變化大的水域中有著較強(qiáng)的適用性。在黃河中下游水域，河道地勢(shì)復(fù)雜，淤沙較多，易形成淺灘，很難架設(shè)其他類型的跨河浮橋，而承壓舟浮橋在漂浮狀態(tài)和落灘及半落灘狀態(tài)下都能正常使用，并且可通過改變承壓舟結(jié)構(gòu)尺寸的方法來適應(yīng)建造地區(qū)的河床特點(diǎn)。因此，承壓舟浮橋在這類通航受限、跨河需求較大的水域得到了廣泛應(yīng)用，大力促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。

自1985年發(fā)展至今，承壓舟已有30余年的發(fā)展歷史。從第一代的“85式雙體承壓舟”，到如今的第四代“千噸級(jí)雙向四車道承壓舟”，承壓舟的建造技術(shù)不斷發(fā)展完善;隨著社會(huì)重載車輛通行需求的急劇增加，其建造要求越來越高，設(shè)計(jì)要點(diǎn)也由最開始的“承載浮力、重載單向通行控制”轉(zhuǎn)變?yōu)?“通載性能、重載雙向通行主動(dòng)安全”，形成了適用于當(dāng)代承壓舟浮橋的三大技術(shù)特征--通載性能高、安全防護(hù)性能強(qiáng)、設(shè)計(jì)載荷大[2]。

承壓舟浮橋由多個(gè)帶舷伸結(jié)構(gòu)的雙體船通過支耳鉸接相連而成。在設(shè)計(jì)初期，與承壓舟相關(guān)的建造規(guī)范尚不存在，并且承壓舟單船體與雙體船相似，承壓舟的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算基本是根據(jù)鋼制內(nèi)河雙體船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算要求進(jìn)行的;但是承壓舟與常規(guī)的雙體船相比又有很大的不同之處，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：在承壓舟工作時(shí)，除了傳統(tǒng)的漂浮狀態(tài)以外，還有部分片體是處于落灘狀態(tài);承壓舟一般靜浮于水面上，其受到的波浪載荷較小，主要的外載荷為車輛行進(jìn)的動(dòng)載荷、浮力和地基支持力。此外，承壓舟多船體之間的相互作用也是不可忽略的[3]。綜上所述，這種參照內(nèi)河船舶建造規(guī)范來設(shè)計(jì)承壓舟浮橋的做法是有所欠缺的，因此需要通過有限元直接計(jì)算的方法來評(píng)估承壓舟浮橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文以一條典型的雙體承壓舟浮橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用MSC.Patran軟件建立三船體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，板格和高腹板梁的腹板采用板單元模擬，筋和高腹板梁的翼板采用梁?jiǎn)卧M，支耳鉸接采用多點(diǎn)約束模擬，參照《山東省鋼質(zhì)內(nèi)河浮橋承壓舟建造規(guī)范》中定義的六種典型彎扭載荷工況施加載荷，進(jìn)行了雙體承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析，對(duì)其應(yīng)力分布狀況展開研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以保證承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)安全可靠。

2 計(jì)算模型及工況

2.1計(jì)算模型

本文的研究對(duì)象為一條雙體承壓舟浮橋，單船體主尺度參數(shù)如表1所示。為反映承壓舟浮橋的實(shí)際工作狀況，建立三船體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（如圖1所示），對(duì)承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

表1 ?單船體承壓舟主尺度

有限元計(jì)算模型包括三個(gè)船體，所有板格和高腹板梁的腹板均采用板單元模擬，筋和高腹板梁的翼板采用梁?jiǎn)卧M，支耳鉸接采用多點(diǎn)約束模擬。中部雙向車道的車輛通行區(qū)域?yàn)橹饕?jì)算校核區(qū)域，采用較細(xì)網(wǎng)格，大小為333.33mm;其他區(qū)域網(wǎng)格大小為500mm，該有限元計(jì)算模型共有64，842個(gè)節(jié)點(diǎn)，119，544個(gè)單元。

2.2計(jì)算工況

承壓舟浮橋使用時(shí)，主要承受車道上來往車輛的動(dòng)載荷及船底部的浮力作用（靜浮狀態(tài)）或地基支持力（落灘狀態(tài)）。由于車輛的行進(jìn)方向是在承壓舟的寬度方向，車輛在移動(dòng)時(shí)，承壓舟浮橋的各個(gè)位置會(huì)受到橫向彎矩、橫向扭矩以及彎扭聯(lián)合的作用，結(jié)合實(shí)際使用情況，同時(shí)參照《山東省鋼質(zhì)內(nèi)河浮橋承壓舟建造規(guī)范》（DB37/T 3487-2019）的規(guī)定，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算時(shí)定義了六種典型工況，代表著承壓舟浮橋工作時(shí)的最危險(xiǎn)工況。

工況1，兩個(gè)重型掛車的后部重載車輪位于浮態(tài)承壓舟的連接橋上，此時(shí)浮態(tài)承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷;

工況2，兩個(gè)重型掛車后部重載車輪位于浮態(tài)承壓舟的連接橋一側(cè)片體上，此時(shí)浮態(tài)承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷;

工況3，兩個(gè)重型掛車呈中心對(duì)稱方式，分別位于浮態(tài)承壓舟的連接橋兩側(cè)片體上，且后部重載車輪靠近外伸舷，此時(shí)浮態(tài)承壓舟連接橋承受較大的橫扭載荷;

工況4，兩個(gè)重型掛車前、后部車輪分別位于浮態(tài)承壓舟的連接橋結(jié)構(gòu)的兩側(cè)片體上，此時(shí)浮態(tài)承壓舟連接橋承受較大的橫彎橫扭載荷;

工況5，兩個(gè)重型掛車的輪集中于半落灘承壓舟的連接橋和浮態(tài)片體上，此時(shí)半落灘承壓舟連接橋承受較大的橫彎橫扭載荷;

工況6，兩個(gè)重型掛車的后部重載車輪集中于半落灘承壓舟的浮態(tài)片體上，此時(shí)半落灘承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷。典型載荷工況1的加載示意圖如圖2所示。

考慮到車輛載荷主要是通過車輪作用到承壓舟甲板上，且作用面積相對(duì)較小，因此在計(jì)算時(shí)，將車輛載荷以節(jié)點(diǎn)力的形式施加到甲板上，同時(shí)考慮1.2倍的動(dòng)載荷系數(shù)來模擬動(dòng)載荷效應(yīng)。此外，承壓舟工作時(shí)所受到的浮力，等效為線性彈簧點(diǎn)單元，施加于各片體底部（落灘片體除外）。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

工況1最大應(yīng)力為128MPa，位于連接橋強(qiáng)橫梁與橫艙壁相連的角隅處;

工況2最大應(yīng)力為159MPa，位于外伸舷甲板強(qiáng)橫梁;

工況3最大應(yīng)力為144MPa，出現(xiàn)在連接橋強(qiáng)橫梁與橫艙壁相連的角隅處;

工況4最大應(yīng)力為140MPa，位于連接橋甲板強(qiáng)橫梁;

工況5最大應(yīng)力為103MPa，位于連接橋強(qiáng)橫梁與橫艙壁連接的角隅處;

工況6最大應(yīng)力為97.2MPa，位于連接橋甲板強(qiáng)橫梁邊緣。該雙體承壓舟浮橋在六種典型最不利工況下的最大應(yīng)力值均未超過相應(yīng)的許用應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

工況1中，兩重載車后輪作用于連接橋的兩側(cè)，此時(shí)連接橋受到較大的橫彎載荷作用，連接橋中部的強(qiáng)橫梁與片體橫艙壁相連，強(qiáng)橫梁板厚相對(duì)于橫艙壁較小，因此在橫梁與艙壁連接的角隅處應(yīng)力集中較大，最大應(yīng)力為128MPa，未超過連接橋甲板強(qiáng)橫梁面板的許用應(yīng)力值176MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算要求，應(yīng)力分布如圖3所示。

4 結(jié)論

本文以一條雙體承壓舟浮橋?yàn)檠芯繉?duì)象，參照《山東省鋼質(zhì)內(nèi)河浮橋承壓舟建造規(guī)范》定義的六種典型載荷工況，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析，以獲得合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

（1）該承壓舟浮橋在設(shè)計(jì)載況下（雙向通行軸重最大13.8t、總重不超過72.6t的大載重掛車），各典型計(jì)算工況下的最大應(yīng)力均不超過許用應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

（2）該承壓舟浮橋各工況下的最大應(yīng)力值，主要集中于連接橋中部的強(qiáng)橫梁或舟體中部的橫艙壁上，為保證承壓舟浮橋能夠長(zhǎng)期安全可靠使用，可對(duì)這些高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙慶亮，鄭培培，裴志勇.承壓舟浮橋許用V型坡度研究[J].中國水運(yùn)，2016，12（37）：49-51.

[2]趙慶亮.承壓舟發(fā)展歷史沿革與千噸級(jí)雙向四車道承壓舟技術(shù)性能[J].中國水運(yùn)，2016，6（16）：9-11.

[3]鄭培培，裴志勇等.承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，3（41）：517-522.

[4]中國船級(jí)社，《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）.

[5]濟(jì)南船舶檢驗(yàn)局，《山東省鋼質(zhì)內(nèi)河浮橋承壓舟建造規(guī)范》（2019）.