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帶外伸結(jié)構(gòu)的雙體船，通過支耳鉸接相連組成，其對黃河流域的經(jīng)濟發(fā)展有著良好的促進作用。承壓舟浮橋在營運時，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，需進行結(jié)構(gòu)強度直接計算。本文對一典型雙體承壓舟建立三船體計算模型，采用多點約束模擬支耳鉸接，施加六種典型彎扭組合載荷工況，對雙體承壓舟浮橋進行了結(jié)構(gòu)強度直接計算分析，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

關(guān)鍵詞：雙體承壓舟;結(jié)構(gòu)強度;直接計算;彎扭載荷

中圖分類號：U663 ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：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)濟性好，在水位、泥沙沖淤變化大的水域中有著較強的適用性。在黃河中下游水域，河道地勢復(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。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，大力促進了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(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)計要點也由最開始的“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、安全防護性能強、設(shè)計載荷大[2]。

承壓舟浮橋由多個帶舷伸結(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)強度計算基本是根據(jù)鋼制內(nèi)河雙體船船體結(jié)構(gòu)直接計算要求進行的;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)在兩個方面：在承壓舟工作時，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的動載荷、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算的方法來評估承壓舟浮橋的結(jié)構(gòu)強度。本文以一條典型的雙體承壓舟浮橋為研究對象，采用MSC.Patran軟件建立三船體結(jié)構(gòu)有限元計算模型，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單元模擬，支耳鉸接采用多點約束模擬，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，進行了雙體承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強度直接計算分析，對其應(yīng)力分布狀況展開研究，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以保證承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)安全可靠。

2 計算模型及工況

2.1計算模型

本文的研究對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際工作狀況，建立三船體結(jié)構(gòu)計算模型（如圖1所示），對承壓舟浮橋結(jié)構(gòu)強度進行計算分析。

表1 ?單船體承壓舟主尺度

有限元計算模型包括三個船體，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單元模擬，支耳鉸接采用多點約束模擬。中部雙向車道的車輛通行區(qū)域為主要計算校核區(qū)域，采用較細網(wǎng)格，大小為333.33mm;其他區(qū)域網(wǎng)格大小為500mm，該有限元計算模型共有64，842個節(jié)點，119，544個單元。

2.2計算工況

承壓舟浮橋使用時，主要承受車道上來往車輛的動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)）。由于車輛的行進方向是在承壓舟的寬度方向，車輛在移動時，承壓舟浮橋的各個位置會受到橫向彎矩、橫向扭矩以及彎扭聯(lián)合的作用，結(jié)合實際使用情況，同時參照《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)強度直接計算時定義了六種典型工況，代表著承壓舟浮橋工作時的最危險工況。

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

工況2，兩個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，此時浮態(tài)承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷;

工況3，兩個重型掛車呈中心對稱方式，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，此時浮態(tài)承壓舟連接橋承受較大的橫扭載荷;

工況4，兩個重型掛車前、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，且作用面積相對較小，因此在計算時，將車輛載荷以節(jié)點力的形式施加到甲板上，同時考慮1.2倍的動載荷系數(shù)來模擬動載荷效應(yīng)。此外，承壓舟工作時所受到的浮力，等效為線性彈簧點單元，施加于各片體底部（落灘片體除外）。

3 計算結(jié)果及分析

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

工況2最大應(yīng)力為159MPa，位于外伸舷甲板強橫梁;

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

工況4最大應(yīng)力為140MPa，位于連接橋甲板強橫梁;

工況5最大應(yīng)力為103MPa，位于連接橋強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)，此時連接橋受到較大的橫彎載荷作用，連接橋中部的強橫梁與片體橫艙壁相連，強橫梁板厚相對于橫艙壁較小，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橫梁面板的許用應(yīng)力值176MPa，滿足結(jié)構(gòu)強度計算要求，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為研究對象，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，對其進行了結(jié)構(gòu)強度直接計算分析，以獲得合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

（1）該承壓舟浮橋在設(shè)計載況下（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橫梁或舟體中部的橫艙壁上，為保證承壓舟浮橋能夠長期安全可靠使用，可對這些高應(yīng)力區(qū)域進行適當(dāng)?shù)募訌姟?/p>

參考文獻：

[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，2016，12（37）：49-51.

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

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

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

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