雙向通行承壓舟橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算工況探析

趙慶亮，鄭培培，裴志勇

（1.山東省濟(jì)南船舶檢驗(yàn)局，山東 濟(jì)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(qiáng)度直接計(jì)算工況探析

趙慶亮1，鄭培培2，裴志勇2

（1.山東省濟(jì)南船舶檢驗(yàn)局，山東 濟(jì)南 250014；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

承壓舟對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義，然而目前沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。本文針對(duì)新型承壓舟的結(jié)構(gòu)特性和受載特點(diǎn)，總結(jié)了基于雙體船規(guī)范的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算工況，并定義了針對(duì)承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的計(jì)算工況，用于驗(yàn)證承壓舟浮橋的抗彎和抗扭強(qiáng)度，以保證其安全運(yùn)行。

承壓舟；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算；浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算工況；抗彎和抗扭強(qiáng)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(guó)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(yùn)局研制成功并架設(shè)舟橋以來(lái)，在黃河流域得到了迅猛發(fā)展，據(jù)測(cè)算，2013年山東省舟橋年通行量超過(guò)了1億余人次、3000萬(wàn)車(chē)次，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，方便群眾生產(chǎn)生活，發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。

承壓舟橋是在長(zhǎng)期實(shí)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(dāng)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(duì)承壓舟受力工況的技術(shù)要求，尤其在橫彎、橫扭直接計(jì)算方面，形成了嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸。目前承壓舟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本圍繞計(jì)算軸重14噸、50噸以上車(chē)輛單向通行進(jìn)行，造成了承壓舟橋的雙向通行能力與現(xiàn)實(shí)社會(huì)車(chē)輛的通行需求、安全需求相比嚴(yán)重滯后的局面。圍繞實(shí)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。基于此，本文對(duì)雙向通行千噸級(jí)新一代承壓舟結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算工況進(jìn)行了探析，以確保承壓舟橋在大噸位重載車(chē)輛通行時(shí)的高效和安全可靠性。

2　承壓舟橋發(fā)展?fàn)顩r

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(jì)吃水1.0m，無(wú)首尾特征。第二代，承載不超過(guò)100t，可滿(mǎn)足整車(chē)質(zhì)量20t以下車(chē)輛的雙向通行；出現(xiàn)了明顯的尖首，船長(zhǎng)多不超過(guò)20m，船寬不超過(guò)18m，設(shè)計(jì)吃水為1.0m，型深多為1.5m。第三代，以確保100噸以上重載車(chē)輛單向通行為出發(fā)點(diǎn)，船寬不低于20m，有效改善了重載車(chē)通行造成“V”型坡的不利影響，安全性能有了很大提升，開(kāi)啟了整車(chē)質(zhì)量50t以下車(chē)輛雙向通行的應(yīng)用實(shí)踐。本文進(jìn)行第四代承壓舟的研發(fā)，從抗彎扭設(shè)計(jì)出發(fā)，進(jìn)行千噸級(jí)雙向四車(chē)道承壓舟研制，船長(zhǎng)超過(guò)30m，船寬30m，儲(chǔ)備浮力大大提高，開(kāi)啟整車(chē)質(zhì)量147t載重貨車(chē)雙向通行承壓舟新時(shí)代。

3　新型承壓舟橋特點(diǎn)

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(qiáng)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(qiáng)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(dá)到相當(dāng)?shù)牧考?jí)，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(chē)輛，這些通行的重載卡車(chē)的受力狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，不同的車(chē)輛位置導(dǎo)致不同的受力強(qiáng)度和響應(yīng)。而車(chē)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(chē)輛載荷導(dǎo)致的雙向四車(chē)道承壓舟結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題是橫向彎曲強(qiáng)度、橫向扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(qiáng)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(duì)稱(chēng)車(chē)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(zhǎng)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(mǎn)載吃水1.2米、滿(mǎn)載排水量1041.12噸、空載排水量480噸、車(chē)輛甲板寬19.0米、設(shè)計(jì)軸重按30t計(jì)。典型橫剖面如圖1所示。

4　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)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(qiáng)度直接計(jì)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(qiáng)度直接計(jì)算工況，隨后探討承壓舟浮橋整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算工況。

4.1單船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算工況

根據(jù)中國(guó)船級(jí)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(bǔ)充規(guī)定之附錄Ⅰ雙體船結(jié)構(gòu)直接計(jì)算要求，對(duì)雙體承壓舟單船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算工況進(jìn)行了探討。

4.1.1橫彎工況

本計(jì)算按照中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）規(guī)定進(jìn)行。雙體船連接橋總橫彎矩可按下式計(jì)算：

式中：Mbx——為雙體船的總橫彎矩；

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

bc——為任一片體中心至連接橋校驗(yàn)處的距離。

連接橋的總橫彎矩可通過(guò)沿片體橫向強(qiáng)框架內(nèi)側(cè)舭部的節(jié)點(diǎn)上施加橫向?qū)﹂_(kāi)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，橫向?qū)﹂_(kāi)力fy按下式計(jì)算：

式中：——橫向?qū)﹂_(kāi)力施加點(diǎn)至連接橋中縱剖面中和軸的垂距離；

n——片體施加橫向?qū)﹂_(kāi)力的強(qiáng)框架總數(shù)。

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

4.1.2橫扭工況

按照中國(guó)船級(jí)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(jí)航區(qū)取k=1、B級(jí)航區(qū)取k=0.6、C級(jí)航區(qū)取k=0.4；

L——計(jì)算船長(zhǎng)。

雙體船總橫扭矩可通過(guò)反對(duì)稱(chēng)分布在片體中縱剖面內(nèi)的垂向均布力來(lái)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(shí)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(jì)算能順利進(jìn)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(diǎn)（圖2中A點(diǎn)）施加x、y、z三個(gè)方向平動(dòng)約束，在連接橋縱中剖面尾端中點(diǎn)（圖2中B點(diǎn)）施加y、z兩個(gè)方向平動(dòng)約束，在片體中橫剖面舷側(cè)處（圖2中C點(diǎn)）施加z方向平動(dòng)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(duì)于雙體船而言，進(jìn)行連接橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，應(yīng)考慮最?lèi)毫拥挠?jì)算工況，包括橫彎和彎扭組合，一般需對(duì)下述六種典型工況進(jìn)行計(jì)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(jì)算工況

圖3　工況5車(chē)輛位置示意圖

承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為多個(gè)承壓舟互相接連起來(lái)，彼此相互作用相互制約，并不是一個(gè)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(chē)輛，其受力狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，車(chē)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(chē)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(qiáng)度最不利的計(jì)算工況。

4.2.1浮力載荷

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

每個(gè)彈簧單元在垂向上的剛度K為：K=BLg/N

式中：B——單個(gè)片體寬度；

L——計(jì)算船長(zhǎng)；

g——重力加速度；

N——單個(gè)片體底部的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

4.2.2計(jì)算工況

為研究承壓舟橋系統(tǒng)的計(jì)算工況，選取三艘承壓舟組成的子系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別探討了對(duì)外伸舷、片體和連接橋彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭組合最?lèi)毫庸r，如下所述：

工況1：中間兩個(gè)重型貨車(chē)后輪和小型農(nóng)用車(chē)均集中于連接橋部分。載荷主要集中于連接橋，此時(shí)檢驗(yàn)最中間承壓舟的連接橋抗彎強(qiáng)度。

工況2：中間兩車(chē)道內(nèi)的兩個(gè)重型貨車(chē)呈反方向前后六輪、外側(cè)兩車(chē)道的小型農(nóng)用車(chē)前后兩輪均分布于支耳-銷(xiāo)子結(jié)構(gòu)兩側(cè)。本工況用于模擬最大車(chē)輛載荷對(duì)支耳-銷(xiāo)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(yàn)證承壓舟之間的連接部分抗橫扭強(qiáng)度。

工況3：四車(chē)按各自行駛方向出現(xiàn)四車(chē)車(chē)輪呈直線(xiàn)分布且其位置位于承壓舟外伸舷處。此時(shí)車(chē)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(yàn)證外伸舷的抗剪強(qiáng)度和連接橋中心處的抗彎強(qiáng)度。

工況4：中間兩車(chē)道內(nèi)的兩個(gè)重型貨車(chē)呈反方向前后六輪、外側(cè)兩車(chē)道的小型農(nóng)用車(chē)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(chē)輛載荷對(duì)連接橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向扭轉(zhuǎn)作用，驗(yàn)證承壓舟的連接橋結(jié)構(gòu)的抗彎抗扭強(qiáng)度。

工況5：相反兩個(gè)方向車(chē)道上的兩輛車(chē)之后輪位于承壓舟對(duì)角線(xiàn)上外伸舷處。本工況的這種車(chē)輛載荷排布方式也可對(duì)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(yàn)證承壓舟的連接橋結(jié)構(gòu)的抗橫扭強(qiáng)度。該工況車(chē)輛位置示意圖如圖5所示。

工況6：一個(gè)片體落灘，四車(chē)按各自行駛方向出現(xiàn)四車(chē)車(chē)輪呈直線(xiàn)分布并且其位置位于另一個(gè)未落灘的片體外伸舷處。本工況下車(chē)輛載荷對(duì)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(yàn)證落灘片體連接橋抗橫彎強(qiáng)度。

5　結(jié)論

新研制的第四代千噸級(jí)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(dú)特性，本論文對(duì)其典型計(jì)算工況進(jìn)行了研究，可得出如下結(jié)論：

（1）單個(gè)承壓舟以?xún)?nèi)河雙體船規(guī)范要求的工況進(jìn)行計(jì)算，使其能滿(mǎn)足基本的強(qiáng)度要求。

（2）對(duì)由多個(gè)承壓舟互相接連起來(lái)的承壓舟浮橋，考慮其結(jié)構(gòu)特性和受載特點(diǎn)，對(duì)影響其橫彎強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和彎扭組合強(qiáng)度的典型計(jì)算工況進(jìn)行了探析。

（3）本文研究可為承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法研究提供依據(jù)，對(duì)推進(jìn)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。

［1］茅以升.中國(guó)古橋技術(shù)史［M］.北京：北京出版社，1986.

［2］孟廣德，楊建輝.天塹化通途：中國(guó)舟橋器材之沿革［J］.輕兵器，2012，（18）.

［3］史宣琳，陳興蘭.國(guó)外公路舟橋器材發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2009，（4）.

［4］沈榮釗，周康錚.雙體承壓舟在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用［J］.山東交通科技.1993，（3）.

［5］常健，易家卓，牛濤.外軍渡河橋梁裝備的發(fā)展及對(duì)我軍的啟示［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，（6）.

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

U661.43

A

1006—7973（2016）10-0053-03