双向通行承压舟桥结构强度直接计算工况探析

赵庆亮，郑培培，裴志勇

（1.山东省济南船舶检验局，山东 济南 250014；2.武汉理工大学交通学院，湖北 武汉 430063）

双向通行承压舟桥结构强度直接计算工况探析

赵庆亮1，郑培培2，裴志勇2

（1.山东省济南船舶检验局，山东 济南 250014；2.武汉理工大学交通学院，湖北 武汉 430063）

承压舟对促进经济的发展有着重要的意义，然而目前没有相应的技术规范。本文针对新型承压舟的结构特性和受载特点，总结了基于双体船规范的船体结构强度直接计算工况，并定义了针对承压舟浮桥结构系统的计算工况，用于验证承压舟浮桥的抗弯和抗扭强度，以保证其安全运行。

承压舟；结构强度直接计算；浮桥结构系统计算工况；抗弯和抗扭强度

DOI编码：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2016.10.020

1　研究背景

承压舟系我国在世界上首创的分置式舟桥器材，应用于公路舟桥的架设。自1985年由山东省黄河航运局研制成功并架设舟桥以来，在黄河流域得到了迅猛发展，据测算，2013年山东省舟桥年通行量超过了1亿余人次、3000万车次，取得了良好的社会效益和经济效益，对促进区域经济发展，方便群众生产生活，发挥着愈来愈重要的作用。

承压舟桥是在长期实践基础上的总结发展与应用，存在着浮态、落滩、半落滩等多种复杂使用工况，而当前的船检技术规范是基于船舶“自由浮态”的系统技术集成，并未提供针对承压舟受力工况的技术要求，尤其在横弯、横扭直接计算方面，形成了严重的技术瓶颈。目前承压舟的结构设计基本围绕计算轴重14吨、50吨以上车辆单向通行进行，造成了承压舟桥的双向通行能力与现实社会车辆的通行需求、安全需求相比严重滞后的局面。围绕实现关键技术突破、提高承压舟通行能力和安全保障能力的新一代承压舟的研制日趋紧迫。基于此，本文对双向通行千吨级新一代承压舟结构强度计算工况进行了探析，以确保承压舟桥在大吨位重载车辆通行时的高效和安全可靠性。

2　承压舟桥发展状况

承压舟桥历经三十年，形成了三代具有代表性的舟型。第一代，适合轮式15t、履带式40t载荷单向通行，型深1.3m，设计吃水1.0m，无首尾特征。第二代，承载不超过100t，可满足整车质量20t以下车辆的双向通行；出现了明显的尖首，船长多不超过20m，船宽不超过18m，设计吃水为1.0m，型深多为1.5m。第三代，以确保100吨以上重载车辆单向通行为出发点，船宽不低于20m，有效改善了重载车通行造成“V”型坡的不利影响，安全性能有了很大提升，开启了整车质量50t以下车辆双向通行的应用实践。本文进行第四代承压舟的研发，从抗弯扭设计出发，进行千吨级双向四车道承压舟研制，船长超过30m，船宽30m，储备浮力大大提高，开启整车质量147t载重货车双向通行承压舟新时代。

3　新型承压舟桥特点

研发的第四代承压舟是典型的短而宽船型，双片体、单甲板，具有足够的纵向强度和刚度，因而纵向波浪载荷不构成双体承压舟结构强度的主要矛盾。但是双体承压舟具有较宽的横向接触面积和特殊的横剖面几何形状，其横向波浪的诱导载荷（横向弯矩和垂向剪力）以及船舶置于斜浪状态所遭遇的扭矩将可能达到相当的量级，并引起主船体、特别是支柱体和连接桥结构出现高应力。除此以外，承压舟主要受力载荷为甲板与连接桥上通行的车辆，这些通行的重载卡车的受力状态是一个动态的变化过程，不同的车辆位置导致不同的受力强度和响应。而车辆通行的方向主要是沿着双体承压舟的船宽方向，因此，甲板车辆载荷导致的双向四车道承压舟结构的主要问题是横向弯曲强度、横向扭转强度及其组合形式。

研发的第四代承压舟除船底中部采用纵骨架式外，其余均采用横骨架式的结构形式并加强横向连接，这也是基于提高船体横向抗弯刚度的需求。在不对称车辆载荷作用下，承受扭矩的连接桥结构就成为船体最为敏感和薄弱的部分，其横向抗弯和抗扭能力需着力解决。研发的新型承压舟总长39.6米、船宽31.6米、片体宽12米、片体中心距18.0米、型深2.26米、满载吃水1.2米、满载排水量1041.12吨、空载排水量480吨、车辆甲板宽19.0米、设计轴重按30t计。典型横剖面如图1所示。

4　结构强度直接计算工况研究

图1　第四代承压舟典型横剖面图

承压舟浮桥是由双体承压舟连接而成，其结构强度直接计算工况既要体现单船体的要求，又要体现浮桥整体最不利工作状态。因此，首先探讨单船体结构强度直接计算工况，随后探讨承压舟浮桥整体结构强度直接计算工况。

4.1单船体结构强度直接计算工况

根据中国船级社颁布的《钢质内河船舶建造规范》（2016）第9章双体船船体结构补充规定之附录Ⅰ双体船结构直接计算要求，对双体承压舟单船体结构强度直接计算工况进行了探讨。

4.1.1横弯工况

本计算按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2016）规定进行。双体船连接桥总横弯矩可按下式计算：

式中：Mbx——为双体船的总横弯矩；

s——航区系数，A级航区取8.0，B级航区取9.0，C级航区取10.0，J级航区取9.0；

bc——为任一片体中心至连接桥校验处的距离。

连接桥的总横弯矩可通过沿片体横向强框架内侧舭部的节点上施加横向对开力来实现，横向对开力fy按下式计算：

式中：——横向对开力施加点至连接桥中纵剖面中和轴的垂距离；

n——片体施加横向对开力的强框架总数。

Mbx（中拱）工况时施加向内开的横向对开力；Mbx（中垂）工况时施加向外开的横向对开力。

4.1.2横扭工况

按照中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2016）规定，横扭工况下的扭矩Mt，

式中：k0——系数；

k——系数，A级航区取k=1、B级航区取k=0.6、C级航区取k=0.4；

L——计算船长。

双体船总横扭矩可通过反对称分布在片体中纵剖面内的垂向均布力来施加，即左舷舯前施加垂直向上载荷，左舷舯后施加垂直向下载荷，同时右舷舯前施加垂直向下载荷，右舷舯后施加垂直向上载荷。

4.1.3边界条件

为了限制刚体模态，使得数值计算能顺利进行下去，需要施加尽可能小的位移边界条件。在连接桥纵中剖面首端中点（图2中A点）施加x、y、z三个方向平动约束，在连接桥纵中剖面尾端中点（图2中B点）施加y、z两个方向平动约束，在片体中横剖面舷侧处（图2中C点）施加z方向平动约束，边界条件示意图如图2所示。

图2　边界条件示意图

4.1.4工况定义

对于双体船而言，进行连接桥结构强度分析时，应考虑最恶劣的计算工况，包括横弯和弯扭组合，一般需对下述六种典型工况进行计算分析：

（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承压舟浮桥结构系统计算工况

图3　工况5车辆位置示意图

承压舟浮桥结构系统为多个承压舟互相接连起来，彼此相互作用相互制约，并不是一个完全自由浮体。承压舟浮桥主要受力载荷为甲板与连接桥上通行的车辆，其受力状态是一个动态的变化过程，车辆不同的位置导致不同的受力和结构响应。

本节探讨多艘承压舟结构系统中甲板上通行的典型车辆位置导致承压舟浮桥结构系统的横弯和横扭强度最不利的计算工况。

4.2.1浮力载荷

为了既计算单船体承压舟受甲板载荷导致的结构强度又可获得承压舟在稳态上的船体运动，将静水浮力之间的耦合作用简化为弹簧模型，在船底所有节点上均布线性弹簧单元。

每个弹簧单元在垂向上的刚度K为：K=BLg/N

式中：B——单个片体宽度；

L——计算船长；

g——重力加速度；

N——单个片体底部的节点数。

4.2.2计算工况

为研究承压舟桥系统的计算工况，选取三艘承压舟组成的子系统进行研究，分别探讨了对外伸舷、片体和连接桥弯曲、扭转及弯扭组合最恶劣工况，如下所述：

工况1：中间两个重型货车后轮和小型农用车均集中于连接桥部分。载荷主要集中于连接桥，此时检验最中间承压舟的连接桥抗弯强度。

工况2：中间两车道内的两个重型货车呈反方向前后六轮、外侧两车道的小型农用车前后两轮均分布于支耳-销子结构两侧。本工况用于模拟最大车辆载荷对支耳-销子结构（承压舟之间的连接部分）产生的横向扭转作用，验证承压舟之间的连接部分抗横扭强度。

工况3：四车按各自行驶方向出现四车车轮呈直线分布且其位置位于承压舟外伸舷处。此时车辆载荷在外伸舷处产生最大剪力且在承压舟连接桥中心处产生较大弯矩。因此本工况验证外伸舷的抗剪强度和连接桥中心处的抗弯强度。

工况4：中间两车道内的两个重型货车呈反方向前后六轮、外侧两车道的小型农用车所有四轮均分布于连接桥结构的两侧。本工况用于模拟最大车辆载荷对连接桥结构产生的横向扭转作用，验证承压舟的连接桥结构的抗弯抗扭强度。

工况5：相反两个方向车道上的两辆车之后轮位于承压舟对角线上外伸舷处。本工况的这种车辆载荷排布方式也可对连接桥结构产生的横向扭转作用，因此本工况同样验证承压舟的连接桥结构的抗横扭强度。该工况车辆位置示意图如图5所示。

工况6：一个片体落滩，四车按各自行驶方向出现四车车轮呈直线分布并且其位置位于另一个未落滩的片体外伸舷处。本工况下车辆载荷对该落滩承压舟的连接桥结构产生较大横向弯曲，因此本工况是验证落滩片体连接桥抗横弯强度。

5　结论

新研制的第四代千吨级双向通行承压舟浮桥不同于以往的双体船及承压舟浮桥，载荷方式和边界条件有着其独特性，本论文对其典型计算工况进行了研究，可得出如下结论：

（1）单个承压舟以内河双体船规范要求的工况进行计算，使其能满足基本的强度要求。

（2）对由多个承压舟互相接连起来的承压舟浮桥，考虑其结构特性和受载特点，对影响其横弯强度、扭转强度和弯扭组合强度的典型计算工况进行了探析。

（3）本文研究可为承压舟浮桥结构强度计算方法研究提供依据，对推进承压舟浮桥行业的发展和相关规范的制定提供技术支持。

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1006—7973（2016）10-0053-03