基于海上橫向補給場景下的船載橋式過駁裝置設計

◎ 孫斌 王俊杰 劉安堯 李枷橙

1.陸軍工程大學野戰工程學院；2.中國人民解放軍77626部隊

在海洋資源的開發與利用中，海洋裝備制造業肩負著國家的戰略性需求，其中有關海上補給裝置前沿應用技術的實現，對進一步提高海洋資源的開發與利用能力，著力發展海洋經濟相關產業，推動建設世界一流的海軍隊伍，堅決維護國家的海洋權益有著重要的戰略意義。本文針對海上橫向補給場景下自行裝備的過駁轉卸需求，結合當前過駁滾卸技術的應用與發展，對一種船載橋式過駁裝置進行了設計與研究。

1.船載橋式過駁裝置結構設計

橋式過駁裝置利用過駁橋跨越滾裝船舶與換乘卸載平臺之間，構成運載船舶向換乘卸載平臺滾裝卸載通道。是一種用于通過滾裝船舷側跳板向整體式過駁卸載平臺卸載的過駁裝置。當大型滾裝船向過駁平臺卸載時，主要采取過駁橋（大型運輸船尾跳或登陸艦艇首門跳板）搭接方式實現海上的過駁作業。

1.1 船載橋式過駁裝置整體結構

本文所討論的船載橋式過駁裝置結構的簡要尺寸見圖1，通過固定在甲板上的門架與兩側絞盤完成跳板的收放，利用過駁跳板連接滾裝船舶與換乘卸載平臺，構成運載船舶向換乘卸載平臺的滾裝卸載通道。

圖1 船載橋式過駁裝置整體結構圖

參照中國船級社下發指南[1]，將過駁跳板整體分為兩個部分（圖2），主跳板由過駁跳板1和過駁跳板2通過液壓油缸實現剛性連接，副跳板即過駁跳板3 與主跳板之間通過限制鉸進行連接，主尺寸為16879×4800×1900mm，重約24.25t。

圖2 過駁跳板設計圖

1.2 過駁跳板1結構設計

過駁跳板1主尺寸為114917×4800×880mm，為正交異性板梁鋼結構（圖3），由甲板、橫梁、縱梁等構件組成，面板厚10mm，主（邊）縱梁為中心高9 0 0 m m，上下翼板厚20mm，腹板厚20mm的變截面鋼板梁結構，中縱梁和橫梁結構為分別采用10×200mm和10×100mm鋼板垂直布置，間距500mm，在主縱梁、中縱梁兩端布置有單、雙耳鉸接接頭。在中、邊縱梁之間布置較密縱骨，其載面為∠125×80×8的角鋼，橫向間距300mm，通過縱骨、縱梁及橫梁的作用，使得整個甲板的大部分主要受力區域的受力骨架網格為300×500mm、425×250mm，達到分散輪式集中荷載的目的，并將荷載通過橫梁傳遞給兩側邊主縱梁，大幅提高過駁裝置的整體性能。

圖3 過駁跳板1

1.3 過駁跳板2結構設計

過駁跳板2主尺寸為4925×4800×400mm，結構形式與材料選型與過駁跳板1相同（圖4），調整主（邊）縱梁為中心高370mm，上翼板厚10mm，下翼板厚20mm，腹板厚10mm的等截面鋼板梁結構。

圖4 過駁跳板2

1.4 過駁跳板3結構設計

過駁跳板3主尺寸為5200×2908×451mm，采用三角門形鋼結構（圖5），在裝置中起到引橋作用。

圖5 過駁跳板3

圖6 過駁跳板受力示意圖

1.5 過駁跳板液壓油缸設計

船載橋式過駁裝置在使用過程中，主跳板的液壓油缸受力狀態也相應發生變化，當荷載處于過駁跳板2下接油缸位置時壓力最大，選用60t履帶式車輛對油缸的最大壓力與選型進行計算。

已知G1=132.3kN，G2=47.7kN，G3=588kN,X1=5.75m，X2=12.45m，L1=14.9m。當X3=11.5m時，剛性梁上油缸處出現最大剪力F3=544.74KN，液壓系統壓力取值25MPa，計算得缸徑為220mm，桿徑110mm的標準液壓缸可滿足使用要求，根據設計要求確定油缸行程為370mm。

1.6 起吊設備設計與選型

門架高度12.5m，由四根鋼管柱支撐在船體結構上（圖7），立柱采用?600mm，壁厚10mm的鋼管柱。頂梁用于支撐過駁跳板的提升設備，水平方向由兩根?400mm，壁厚10mm的鋼管做梁。梁之間由間隔500mm的支撐板加強，面板厚度10mm。在頂梁往下4.2m處，設置有縱、橫向連系梁，用于增強立柱的穩定性，防止失穩。連系梁尺寸為?400mm，壁厚10mm。門架底部固結于船體內部骨架，由于立柱為橫向斜柱，在底部的水平分力較大，對立柱底部設置橫向加強桿，以抵消門架對于船體的水平力，同時也保證門架的穩定性。

圖7 門架

根據過駁跳板的作業形式，在門架上左右兩側各安裝一個絞盤以實現過駁跳板收放的功能。根據設計要求，過駁跳板收起過程中鋼索與垂直夾角最小為47°，此時鋼索處于最大拉力狀態，跳板整體中心距離門架支點水平距離7.6m，跳板重量為24.25t，通過幾何關系對門架支點鉸鏈受力計算可得鋼索最大拉力F=252.87kN，即在門架兩側各安裝一個15t的絞盤即可滿足使用要求。

根據《內河載貨汽車滾裝船跳板安全技術指南》中關于跳板收放裝置結構設計的強度要求，方案中起吊設備中選用鋼索安全系數n=104/（0.9W+1910）=4.71，處于合理范圍區間。

2.船載橋式過駁裝置強度計算

2.1 跳板結構主體材料許用應力

橋式過駁裝置用于承載大型車輛，其板厚與骨架的結構與材料選擇標準來自CCS《鋼質海船入級規范2009》，主體采用鋼板焊接的結構形式，為降低結構自重同時保證裝置達到預期的承載能力，在結構設計時首選輕質高強的高強度鋼材。本設計選用常用于重型機械化橋跨結構的DB685鋼材作為過駁跳板的主體材料，其在一般環境下進行焊接時無需預熱[2]，具備良好的焊接性能，便于跳板結構的整體設計。由于過駁裝置屬于臨時性橋梁，基于橋梁簡化模型，參考規范對鋼材許用應力的系數進行取值如表1所示。

表1 結構鋼材許用應力

2.2 過駁跳板1結構強度計算

2.2.1截面特性

過駁跳板1主體跨度為10000mm，重量16t，主要由兩側高度為900mm，上、下翼板厚度均為20mm，腹板厚20mm的變截面H型鋼承受縱向彎矩。

截面對中性軸的慣性矩：

上下表面的剖面抗彎模數為：

W=I/y=415769.3/45=9239.3cm3

參照《鋼質內河船舶建造規范》[3]要求，對設計結構中剖面抗彎模數的上限進行計算WM=332×10/0.154=21588.44cm3，抗彎模數符合標準要求。

2.2.2主梁靜載受力計算

橋梁自重約24.25t，計算跨徑為16.88m，不考慮荷載作用的情況下，主梁的受力與變形如下：

2.2.3 60t履帶載作用下單主梁活載受力計算

計算工況1：履帶荷載60 t于裝置整體跨中布置，履帶接地長度c=4.5m，荷載沖擊系數1+μ=1.14[4]，對出現在過駁跳板1上的最大彎矩與最大撓度進行計算。

荷載集度：

q=0.5×60×9.8/4.5=65.3KN/m

最大活載彎矩：

跨中最大彎矩：

梁表面應力：

活載撓度：

跨中最大撓度：

參照相關設計準則[5]，跨徑小于50m的簡支型鋼橋許用豎向彈性撓度為[fmax]≤l/120=141mm，最大撓度符合要求。

計算工況2：60噸履帶荷載于跳板端部布置，計算跳板最大剪力：

橋端最大活載剪力：

橋端最大剪力：

2.2.4橫梁與主縱梁之間的焊縫強度

履帶荷載4.5m，其下至少有8根橫梁，橫梁高度為2 0 0 m m。因此每根橫梁分配的荷載為6 0/8＝75KN。

通過計算，驗證橫梁與主縱梁之間的焊縫強度滿足設計要求。

2.3 過駁跳板2結構強度計算

2.3.1截面特性

截面對中性軸的慣性矩：

截面面積：A=232cm2

剖面抗彎模數：

2.3.2橋面板活載受力計算

過駁跳板2與過駁跳板3通過限制鉸形成剛性連接，在對最不利工況進行計算時將其視為一根整體的剛性簡支梁，考慮60t履帶荷載跨中布置和液壓油缸的支撐力P進行計算。

分別對過駁跳板整體與過駁跳板2、3組成的剛性簡支梁進行受力分析，求得單側液壓油缸的力為P=306.9KN。

跨中最大活載彎矩：

下表面應力：

活載撓度：

f活=（8×（qc/2+P）l3-5×q×（c/2）4）/384EL=30.2mm≤[f]=41mm

2.4 門架結構計算

過駁跳板在使用過程中，鋼索處于放松不受力狀態，過駁跳板提升時門架通過鋼索拉力而受力。已知過駁跳板重量為24.25噸，鋼絲繩最大受力如圖8。

圖8 門架最大受力狀態受力分析圖

由圖示幾何關系可得，門架最大受力狀態下鋼索拉力：

門架主要受力構件為鋼管柱，鋼管柱直徑600mm，壁厚10mm，A=18535mm2，截面參數：

通過以上計算，對設計方案中各個模塊在最不利工況下的強度與變形進行了驗證。結果顯示，方案中各模塊均滿足使用要求。

3.結束語

本文基于當前海洋資源深入開發的發展背景與海上橫向補給作業的應用場景，對一種船載橋式過駁裝置的設計方案進行了探討與驗證，能夠大幅提高車輛等自行裝備的轉卸效率，具備操作簡單、通用性強等優點。但在實際應用中，仍要考慮復雜多變的作業環境，充分計量海浪、海風以及其他因素在橋式過駁裝置使用過程中造成的不利影響，必要時可在設計階段提高各模塊的安全系數或其他有效方式來提高裝置的通載性能，確保所設計的裝置能夠滿足使用需求。