車客渡船跳板應力應變測量方法研究

于大慶，邵 亮

(1.鎮江市振興海洋船舶重工有限公司，江蘇 鎮江 212100；2.鎮江市交通運輸綜合行政執法支隊，江蘇 鎮江 212103)

0 引言

車客渡船是車輛過江、過海的主要交通工具，目前在內河和海上得到了廣泛的應用。車客渡船主跳板作為船上的重要結構，長時間遭受車輛上下船的沖擊，其強度對整個車客渡船強度影響很大，因此，必須保證其結構強度滿足規范要求。

由于國內某些渡口碼頭縱坡不符合技術標準，使得車客渡船跳板長度不夠，導致一些車輛上下車客渡船跳板時發生刮蹭車尾的現象而影響安全行駛，為此國內學者對跳板結構作出了一些研究。黃毅提出了限制跳板最小設計長度的確定性方法[1]。朱志宏[2]對影響線性法進行了擴展，使其在計算車客渡船主梁強度時更加準確。邵學祥等[3]在分析長江沿線車客渡船跳板特點和問題的基礎上，對跳板結構進行優化設計，并利用有限元軟件進行核算。

綜上，雖然一些專家學者對渡船跳板的強度進行了研究，但是絕大部分均局限在簡單的理論研究和有限元計算分析，為此，本文以南京板橋28車車客渡船為研究對象，對其進行了實船跳板試驗，以保證渡船上車輛及行人的安全。

1 跳板應力應變現場測試環境及工況

1.1 選取測試跳板

本次跳板現場測試的選址為南京市板橋汽渡。在“板橋1號”至“板橋6號”共6艘車客渡船上隨機抽取1塊主跳板進行實地跳板負荷試驗。該跳板結構由平板和各種加強構件組成，其主要參數為：跳板總長9 500 mm，跳板尾邊長12 800 mm，跳板首邊長7 960 mm，材質AH36。

1.2 跳板負荷試驗測試過程

跳板應在最不利的設計工況下進行試驗，且跳板、所有控制系統與安全系統運轉情況良好。進行跳板負荷試驗過程如下：

(1)跳板在無載荷情況下，操縱運轉一個完整的工作循環。

(2)折疊跳板在收放過程中處于最不利位置時，利用液壓油缸使跳板停在該位置。

(3)跳板在放置狀態下按設計工況進行負荷試驗，試驗負荷可以是載重汽車，其重量誤差應在2%以內。

(4)跳板在各設計工況下的試驗時間應不小于5 min，同時測量跳板的最大變形。

(5)在試驗中，如發現跳板不符合規定或技術狀況不良時，應停止試驗。

(6)負荷試驗完成后，跳板在無載荷情況下，操縱運轉一個完整的工作循環。

(7)負荷試驗完成后，全面檢查跳板是否有變形情況及其他缺陷。

1.3 測試工況

本次測試包括5個工況，具體見表1。

1.4 變形測量的方法及設備

本次變形測量的方法為后方交會法。后方交會是指僅在待定點上設站，向3個以上的已知控制點觀測水平夾角，從而計算待定點的坐標。交會測量是加密控制點常用的方法，它可以在數個已知控制點上設站，分別觀測待定點的方向和距離；也可以在待定點上設站，觀測數個已知控制點的方向和距離，而后計算待定點的坐標[4]。本試驗利用萊卡TCRP1201+R400型高精度全站儀對圖1布置在跳板上表面的A、B、C、D、E、F、G、H等8個測點進行變形測量。

表1 測試工況表

圖1 測點布置圖

本次測量時，在岸上選擇穩定可靠、且振動較小處設置4個測量控制點，并在適當位置選取測站，架設儀器，通過設置方位角模式對控制點與待測點進行測量。首先,對空載條件下各個測點的原始坐標進行測量。在加載測試時可以利用預先設置的測量控制點，采用后方交會“赫爾默特”模式，以控制點建立坐標系，實現自由設站。全站儀可離開空載測試測點原始坐標時的位置，重新架設儀器以便對盡可能多的測點進行測量，解決測試車輛遮擋測量棱鏡的問題[5-7]。然后，計算各測點在各加載工況下的坐標與原始坐標的差值，利用F、G、H等測點的坐標對測點的坐標差值進行修正，從而得到各測點的變形值。測量過程中，當變形測點因現場測量光路被不可避免地遮擋時則取消測量，但優先保證對仿真計算結果顯示的最大變形所處D點變形值的測量。

本次變形測量的主要設備有：TCRP1201+R400型高精度全站儀，角度測量精度為1"，分辨率為0.1"，測距精度為1 mm，分辨率為0.1 mm。

本次跳板的變形測量綜合考慮板橋28車車客渡船主跳板有限元計算結果及現場實際測量條件而最終確定。建立如圖1所示的坐標系，各變形測點的坐標分別為：A(4.75，-1.35)，B(7.00,0.00)，C(7.00,1.40)，D(4.75,0.00)，E(2.55,0.00)，F(2.55，-2.85)，G(2.55,2.85)，H(0.75，-5.70)。

1.5 應力應變測試方法及設備

本次應力應變測試方法為電阻應變測試法。主要測試設備有：電阻應變片為BE120-3AA(11)-Q30P500，120 Ω，敏感柵2 mm×3 mm，靈敏系數2.17；應變膠為漢高樂泰401；防護膠為705硅膠；測試儀器為SG404型無線應變測試系統。

根據有限元仿真計算結果，主跳板的最大應力區域處于中間3根強縱桁截面過渡處，但是考慮到現場的實際作業條件，3根強縱桁位于車輛跳板甲板下方，且接近水面，在加載時很容易進入水中，不利于測點處應變計的保護和儀器的安置；而在實際操作時，工作人員也很難進入跳板結構下方進行操作；故將原來擬布置在甲板以下縱桁上的測點全部變更到跳板上表面。上表面的應力采用直接計算處理，而縱桁上對應的應力值則根據力學原理換算并進行強度評價。由于最大應力及其他應力較大區域的位置和變形的區域基本重合，故應變測點的位置與變形測量的測點位置相同。應變片具體布置在圖1中的A、B、C、D、E、F、G測點處。

本次測試時天氣為陰天，測試時間為下午，溫度場非常均勻，跳板上不存在由于陽光照射形成的溫度場不均勻的部位，也無其他熱源的影響，可認為所有測點處的溫度場是基本相同的。此外，由于每個工況在測試前都進行零點校準，且測試過程較短，加上選用的應變片具備溫度自補償功能，可忽略溫度影響，故采用1/4橋接法進行應變測試。

2 變形測量及數據處理

本次變形測量主要涉及第3工況，即跳板處于放置狀態，車輛靜載為800 kN，車輛車輪全部位于跳板上及車輛重載軸位于跳板中部2種情況；試驗中所有變形測點處的變形量均通過全站儀所測坐標值計算得到；在實際的測量過程中，由于測量目標為跳板的豎向變形，故僅需對實測的豎向坐標(即各測點的標高)數據進行處理。

2.1 變形測量數據

變形測量時，首先對放置狀態的跳板上的測點的坐標值進行測量作為初始坐標值，然后對跳板處于工況3下各測點的坐標進行測量。跳板上各測點的標高初值及在工況3的標高值見表2。

表2 測試工況3下不同測點的初始坐標值

2.2 標高差的修正及實際變形值計算

載重汽車駛上跳板后，跳板上各測點會因船體下沉而產生不同程度的向下平移，且汽車無法保證其重心位于跳板的縱向中軸線上，從而使渡船船體和跳板產生一定程度的橫傾。從表2中初步得出的跳板上各測點在工況3時相對于初始坐標的標高差非各測點的實際變形值，其中包含了上述兩個方面跳板的整體位移導致的標高變化量，故必須對跳板上各測點的標高差進行修正，然后在此基礎上扣除因跳板整體下沉產生的位移量方能得到各測點的實際變形值。

(1)對各測點標高差因跳板橫傾的修正

理想情況下跳板應該是左右平衡的，但實際情況則會因渡船的橫傾產生偏差(見圖2)。以工況3為例，跳板上對稱布置的F和G這2個測點因跳板受載荷后整體向下平移、橫傾以及實際變形而到達F′和G′的位置，α為夾角。

圖2 跳板隨船體橫傾示意圖(單位：m)

tanα=2.490 2×10-3

由此可得：α=0.142 68°。

若將跳板向逆時針旋轉0.142 68°，則可使跳板保持理論上的水平，據此可將各測點的坐標差進行修正。

以A測點為例，它距離跳板縱向中線相距1.35 m，由表2可知其初始標高差為114.4 mm，可將其修正為：δA1=114.4-1 350tanα=111.04 mm。其他各測點可按相同的方法進行修正，修正后各測點的標高差見表3。

表3 對跳板橫傾修正后各測點的標高差

(2)對各測點標高差因跳板整體下沉的修正

當跳板位置因承受載荷而隨渡船整體下降時，位于跳板尾端邊角處的H測點由于載荷作用產生的變形極其微小，可以忽略，故近似認為該測點只發生了整體性的向下位移而沒有變形，由此可通過H測點來修正各測點由于跳板整體向下位移而產生的相對標高差，從而得到各測點的實際變形值。

當跳板整體下沉時，位于跳板上同一橫截面的測點具有相同的位移變化值，其中：跳板前端位于岸上，其位移值為0；而H點的位移最大。由于各測點隨跳板整體下沉而產生的向下位移遠大于其變形量，故可忽略變形量的微小影響，此時跳板各截面隨跳板整體下沉的位移量近似為三角形分布(見圖3)。因此，可利用相似三角形原理來消除跳板整體位移對各測點標高差的影響。

圖3 跳板各測點隨跳板整體下沉的位移分布(單位：m)

以工況3為例，H測點的標高差為168.50 mm，即其豎向位移近似等于168.50 mm，則A、B、C、D、E、F、G7個測點的標高差的修正值分別為：

A點(D點)：ΔA=ΔD=

同理，B點(C點)：ΔB=ΔC=49.50 mm；E點(F點，G點)：ΔE=ΔF=ΔG=134.23 mm。

因此，以A測點為例，其實際變形值為：δA1=(111.04-92.34)mm=18.70 mm。同理可得其他各測點的實際變形值，具體見表4。

表4 工況3下各測點的實際變形值

3 應力應變測量數據和處理

本次測試采用具有溫度自補償功能的BE120-3CA(11)-Q30P500型三軸電阻應變計及SG404型無線應變測試系統對跳板上各測點進行應變測試，然后進行應力計算。5種工況下，測點A、B、C、D、E、F、G對應于跳板上表面應力及縱桁各位置的應力實測結果分別見表5和表6。

表5 跳板上表面應力實驗測試結果 單位：MPa

表6 跳板縱桁下部應力實驗測試結果單位：MPa

綜上，基于《規范》要求跳板在做驗證負荷試驗時，僅規定其最大彈性變形的限值，對于應力水平未作特別說明，故本文以最大應力不超出材料的屈服強度作為強度評價準則。根據表5和表6可知，跳板上表面各測點在上述5個工況下的最大等效應力均小于所用鋼材的屈服強度355 MPa，即跳板上表面和跳板縱桁下部結構的強度滿足要求。

4 結論

(1)本文以南京板橋28車汽車渡船項目為依托，按照既定的技術路線，結合全站儀測量技術和應力應變測試技術對車客渡船跳板的強度和剛度進行了實船試驗及研究，并形成了一套行之有效的方法。

(2)應力應變測試結果的換算，從理論上分析換算系數完全能夠通過有限元計算的數據得到，但諸多因素會對換算系數的精度產生影響。由于實際測試的輪印載荷與有限元施加的載荷并不完全一樣，從而會導致一定的誤差。最理想的解決方案是直接在縱桁上粘貼應變片進行測量，從而得到更準確的結果。

(3)多測點的坐標在不能實現同步采集的情況下是會帶來誤差的。當風浪較大時，跳板的運動幅度會加大，這種非同步采集就會引入很大的誤差，甚至出現不可接受的錯誤。故現有的變形測量及數據處理方法必須在風浪較小、跳板相對穩定的狀態下才能保證較好的測量精度。