于大慶，邵 亮

(1.鎮(zhèn)江市振興海洋船舶重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.鎮(zhèn)江市交通運輸綜合行政執(zhí)法支隊，江蘇 鎮(zhèn)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(nèi)河和海上得到了廣泛的應(yīng)用。車客渡船主跳板作為船上的重要結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

由于國內(nèi)某些渡口碼頭縱坡不符合技術(shù)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(fā)生刮蹭車尾的現(xiàn)象而影響安全行駛，為此國內(nèi)學者對跳板結(jié)構(gòu)作出了一些研究。黃毅提出了限制跳板最小設(shè)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(chǔ)上，對跳板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)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(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場測試環(huán)境及工況

1.1 選取測試跳板

本次跳板現(xiàn)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(jié)構(gòu)由平板和各種加強構(gòu)件組成，其主要參數(shù)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(zhì)AH36。

1.2 跳板負荷試驗測試過程

跳板應(yīng)在最不利的設(shè)計工況下進行試驗，且跳板、所有控制系統(tǒng)與安全系統(tǒng)運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一個完整的工作循環(huán)。

(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(tài)下按設(shè)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(yīng)在2%以內(nèi)。

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

(5)在試驗中，如發(fā)現(xiàn)跳板不符合規(guī)定或技術(shù)狀況不良時，應(yīng)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(zhuǎn)一個完整的工作循環(huán)。

(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(shè)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(shè)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(shù)個已知控制點上設(shè)站，分別觀測待定點的方向和距離；也可以在待定點上設(shè)站，觀測數(shù)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(wěn)定可靠、且振動較小處設(shè)置4個測量控制點，并在適當位置選取測站，架設(shè)儀器，通過設(shè)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(shè)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(xiàn)自由設(shè)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(shè)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(xiàn)場測量光路被不可避免地遮擋時則取消測量，但優(yōu)先保證對仿真計算結(jié)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(shè)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(jié)果及現(xiàn)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(xiàn)(2.55，-2.85)，G(2.55,2.85)，H(0.75，-5.70)。

1.5 應(yīng)力應(yīng)變測試方法及設(shè)備

本次應(yīng)力應(yīng)變測試方法為電阻應(yīng)變測試法。主要測試設(shè)備有：電阻應(yīng)變片為BE120-3AA(11)-Q30P500，120 Ω，敏感柵2 mm×3 mm，靈敏系數(shù)2.17；應(yīng)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(yīng)變測試系統(tǒng)。

根據(jù)有限元仿真計算結(jié)果，主跳板的最大應(yīng)力區(qū)域處于中間3根強縱桁截面過渡處，但是考慮到現(xiàn)場的實際作業(yè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)力采用直接計算處理，而縱桁上對應(yīng)的應(yīng)力值則根據(jù)力學原理換算并進行強度評價。由于最大應(yīng)力及其他應(yīng)力較大區(qū)域的位置和變形的區(qū)域基本重合，故應(yīng)變測點的位置與變形測量的測點位置相同。應(yīng)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(yīng)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(yīng)變測試。

2 變形測量及數(shù)據(jù)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(tài)，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(shù)據(jù)進行處理。

2.1 變形測量數(shù)據(jù)

變形測量時，首先對放置狀態(tài)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(chǎn)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(chǎn)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(chǔ)上扣除因跳板整體下沉產(chǎn)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(yīng)該是左右平衡的，但實際情況則會因渡船的橫傾產(chǎn)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(zhuǎn)0.142 68°，則可使跳板保持理論上的水平，據(jù)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(chǎn)生的變形極其微小，可以忽略，故近似認為該測點只發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)力應(yīng)變測量數(shù)據(jù)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(yīng)變計及SG404型無線應(yīng)變測試系統(tǒng)對跳板上各測點進行應(yīng)變測試，然后進行應(yīng)力計算。5種工況下，測點A、B、C、D、E、F、G對應(yīng)于跳板上表面應(yīng)力及縱桁各位置的應(yīng)力實測結(jié)果分別見表5和表6。

表5 跳板上表面應(yīng)力實驗測試結(jié)果 單位：MPa

表6 跳板縱桁下部應(yīng)力實驗測試結(jié)果單位：MPa

綜上，基于《規(guī)范》要求跳板在做驗證負荷試驗時，僅規(guī)定其最大彈性變形的限值，對于應(yīng)力水平未作特別說明，故本文以最大應(yīng)力不超出材料的屈服強度作為強度評價準則。根據(jù)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(yīng)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(jié)構(gòu)的強度滿足要求。

4 結(jié)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(shù)路線，結(jié)合全站儀測量技術(shù)和應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)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(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果的換算，從理論上分析換算系數(shù)完全能夠通過有限元計算的數(shù)據(jù)得到，但諸多因素會對換算系數(shù)的精度產(chǎn)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(yīng)變片進行測量，從而得到更準確的結(jié)果。

(3)多測點的坐標在不能實現(xiàn)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(xiàn)不可接受的錯誤。故現(xiàn)有的變形測量及數(shù)據(jù)處理方法必須在風浪較小、跳板相對穩(wěn)定的狀態(tài)下才能保證較好的測量精度。