承压舟浮桥结构强度直接计算研究

郑培培 裴志勇 刘维勤 赵庆亮

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室2) 武汉 430063)(山东省济南船舶检验局3) 济南 250014)

承压舟浮桥结构强度直接计算研究

郑培培1)裴志勇1,2)刘维勤1,2)赵庆亮3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室2)武汉 430063)(山东省济南船舶检验局3)济南 250014)

承压舟浮桥以其建造成本低、周期短、经济性好、通行能力强等优点在不通航水域获得了较为广泛的应用，目前为止尚没有专门的技术规范可用.对承压舟浮桥结构强度直接计算进行了研究，根据其结构形式和受力特点，考虑其所承受的极端载况，定义了5种典型计算工况.对横舱壁设置、连接桥底封板对结构强度的影响进行了讨论，还对该承压舟浮桥进行了典型载况的动应力测试，将测试结果与计算结果进行了比较分析，验证了计算工况的合理性和计算过程的可靠性.

承压舟浮桥；计算工况；结构强度；强度衡准；动应力测试

0 引 言

承压舟浮桥是我国首创的一种舟型，在黄河流域这类不通航水域获得了较为广泛的应用[1].其建造成本低，建造周期短，经济性好，而且通行能力大，近些年设计建造的承压舟浮桥允许通行的车辆载重量大多超过100 t，最大达到180 t，为两岸经济的发展做出了重大贡献.黄河中下游荡型河道地势复杂，易形成浅滩，在这种情况下其他类型浮桥很难架设，而承压舟浮桥能很好适应这种状况，它既能在漂浮状态又能在落滩及半落滩状态下使用.随着社会重载车辆通行需求的逐渐增加，承压舟浮桥通行能力和安全保障能力也迫切需要提高，然而目前没有相对完善的技术规范和检验法规，制约着其进一步发展[2].浮桥的安全性是浮桥搭建、运营的前提，其结构强度校核评估又是安全性的关键.目前有关承压舟浮桥的研究以研究车辆移动载荷的动态响应居多，对其结构强度全面系统的研究较少[3-6].姜玥等[7]对承压舟浮桥的屈服强度进行了评估，并对其进行了疲劳损伤和疲劳寿命计算.但他们研究的浮桥为单向通行的浮桥，且通行的车辆载重量较小，不适宜于现有承压舟浮桥强度评估.王楠等[8]对高寒地区浮桥结构进行了结构-热耦合分析，探讨了一种冰高寒地区浮桥强度校核法，侧重于研究网格尺寸、载荷加载方式及计算动载荷下浮桥动态放大系数.

文中对山东省第四代承压舟浮桥结构强度直接计算进行了研究，结合实际使用情况，定义了5种典型工况，进行结构强度衡准，并对该承压舟浮桥进行了典型工况下结构动应力测试[9]，以验证所选取计算工况的合理性和计算方法的可靠性.

1 承压舟浮桥发展

承压舟浮桥由多艘承压舟通过支耳铰接而成，承压舟为短而宽的双体船，车道沿船宽方向布置.目前承压舟浮桥的发展已历经30余年，有三代成熟舟型.第一代舟型于1987年研制成功，适合轮式15 t、履带式40 t车辆单向通行，储备浮力很小(型深1.3 m，设计吃水1.0 m)，首尾为方形.第二代舟型于1995年开始设计研发，承载浮力均不超过100 t，基本在40～90 t，可满足整车质量20 t以下车辆的双向通行；舟型采用尖首以利于分水，船长多不超过20 m、宽不超过18 m，设计吃水均为1.0 m，型深多为1.5 m，储备浮力有了较大提升，部分舟型专设了人行道以实现人车分流.第三代舟型的储备浮力大大提高，可允许100 t以上重载车辆单向通行，整车质量低于50 t的车辆可双向通行；结构强度较之前舟型有较大提高，局部设计有了改进，安全性能有了较大提升.第一代和第二代承压舟由于通行车辆重量较小，并未考虑V形坡的影响，第三代承压舟通行车辆重量超过100 t后，船体铰接处易形成V形坡，为最大限度避免V形坡的不利影响，第三代舟型船宽大多不低于20 m.近年来随着黄河两岸经济的快速发展，重载挂车通行需求越来越多，单向通行导致“压车”非常严重，有时排队2～3 km，通行时间超过1 h，与社会需求严重不符.研发的第四代舟型，船长和船宽均超过30 m，储备浮力大大提高，设计为双向四车道通行，中间车道可允许整车质量不超过147 t的载重挂车双向通过.承压舟浮桥会承受横向弯矩、横向转矩和弯扭组合作用，尤其是落滩片体受力状况恶劣，但是目前承压舟在设计研发上尚无可供遵循的规范，因此需要通过结构强度直接计算的方法对其进行强度衡准.

2 结构强度直接计算

2.1 研究对象

文中研究对象是山东省胡家岸1 000 t级双向四车道承压舟浮桥，为研制的第四代承压舟浮桥.设有四条行驶车道，车道沿船宽方向分布，车道总宽度19 m，约占总长48%.中间两条车道均宽5.5 m，供重载车辆行驶，两条边车道均宽4 m，供小车行驶.该承压舟浮桥由12艘双体承压舟铰接而成，承压舟为双体船，每个片体单甲板，单舷侧，承压舟主尺度见表1.主车道甲板按舟桥设计，除船底中部为纵骨架式外，其余均为横骨架式.车道下方横向构件的间距设计时要保证重载挂车一侧双排车轮作用在不同板格上，单个重载车轮着地宽度为0.2～0.3 m，车道下方强框架间距为1 m，强框架之间设计有两道普通构件以减小板格宽度至0.333 mm.

承压舟浮桥由带舷伸结构的双体船铰接而成，其结构强度计算大多是参考内河双体船规范.但是承压舟与常规双体船相比有很大不同，当前船舶规范都是基于船体处于“浮态”的研究集成，计算考虑的外载荷主要是波浪载荷，而承压舟由于工作环境的缘故，所受波浪载荷很小.此外，承压舟工作时处于静浮和落滩两种状态：承压舟浮桥一端最靠近岸边的片体落滩，另一端有两个承压舟落滩，其余大部分承压舟浮在水中.静浮状态，船体主要承受车辆载荷和浮力；落滩状态，船体主要承受车辆载荷和地基支持力.另外，承压舟船体之间是通过支耳铰接，多船体之间相互作用需要考虑.因此承压舟浮桥结构强度需要通过结构强度直接计算的方法进行评估.

表1 承压舟主尺度

2.2 计算模型

考虑到实际工作情况，浮桥是由多艘双体船连接而成，单艘双体船的计算状态并不能很好的反映实际工作状态，应考虑多艘双体船连接而成的系统进行结构强度直接计算分析，所以建立了三船体有限元模型，有限元模型见图1.各双体船之间采用多点约束(multi point constraint，MPC)来模拟支耳的铰接作用.耦合自由度除了放开绕船长方向的转动外，其他方向自由度保持耦合，从而达到铰接连接的作用.板壳和主要构件腹板用板单元模拟，主要构件面板和普通构件用梁单元模拟，一共115 108个节点，123 965个板单元，77 662个梁单元.单元尺寸上，沿船宽方向按纵骨间距划分单元，网格大小为500 mm；沿船长方向按肋骨间距划分单元，中部车辆通行区域网格大小为333.33 mm，其他区域网格大小为500 mm.强横梁作为主要受力构件，沿其腹板高度方向划分为6个单元，其他强构件沿腹板高度方向划分为3个单元.

图1 承压舟浮桥三维有限元模型及连接桥局部放大图

2.3 计算工况

承压舟浮桥在使用时，主要承受甲板和连接桥上移动的车辆载荷及底部浮力作用(静浮时)或支反力作用(落滩时).车辆通行方向是沿承压舟宽度方向，车辆移动到不同位置时会导致承压舟承受横向弯矩、横向转矩及弯扭组合作用.尤其是连接桥较宽且为单层甲板，连接桥结构是船体结构强度最为薄弱部分.基于承压舟浮桥受力特点，考虑连接桥承受极端横弯、横扭及弯扭组合作用，定义了5种典型工况，代表了承压舟浮桥承受的最恶劣工况.

工况1，大车车轮和小车集中在承压舟连接桥两端的两个片体上，评估连接桥横弯和横扭强度，工况1车辆位置示意图见图2.工况2，大车车轮和小车以中心对称的方式集中在承压舟两个片体上，且大车后车轮作用在外伸舷处，评估连接桥横扭强度.工况3，大车后车轮和小车集中在单个连接桥上，评估连接桥横弯强度.工况4，大车重载车轮和小车集中在承压舟一个片体上，且大车后车轮作用在外伸舷处，评估连接桥横弯强度.工况5，承压舟一个片体落滩，车辆载荷主要集中在与其相邻的连接桥和另一个片体上，评估落滩片体的连接桥横弯强度.

图2 工况1车辆位置示意图

参考现有通行车辆的轴重分布情况，中间两个车道设计通行载重147 t的大载重挂车，外围两个车道设计通行10 t的小型农用货车.147 t的大载重挂车参数见图3.由于车辆载荷主要是通过车轮作用于甲板，作用面积相对甲板很小，计算时把车辆载荷考虑为节点力施加到甲板上，同时通过引入动载荷系数来考虑动载荷效应.车辆行驶时引起的浮力变化通过在船底施加线性弹簧单元来模拟.

图3 大载重挂车示意图

2.4 计算结果及分析

工况1中，大车车轮和小车集中在承压舟连接桥两端的两个片体上，此时连接桥承受弯扭组合作用，横舱壁位于车道正下方, 上端与甲板强横梁相连，横舱壁上端靠近内舷侧部位整体应力较大,最大应力为164 MPa.工况1计算结果见图4.

图4 工况1计算结果

工况2中，连接桥承受横向转矩，由于车道位于船体中部且承压舟储备浮力较大，车辆作用片体上时，引起的首尾吃水差较小，因此连接桥承受的转矩相对较小，承压舟整体应力较小，最大应力为98.6 MPa，最大应力位置位于中部横舱壁上端靠近内舷侧部位.

工况3中，车辆重载车轮均落在连接桥上，连接桥承受较大的横向弯矩，连接桥上甲板强横梁作为主要受力构件，整体应力较大，连接桥中部甲板强横梁上最大应力达到153 MPa.

工况4中，车辆载荷大多作用在一个片体上，受车辆载荷作用的片体向下位移较大，受车辆载荷作用的片体和未受车辆载荷作用的片体之间产生位移差，连接桥承受弯矩作用，中部横舱壁上端靠近内舷侧部位整体应力较大，最大应力为164 MPa.

工况5中，承压舟一个片体落滩，另一个片体浮在水中，车辆作用在静浮的片体上，落滩片体位置固定，承受载荷片体产生较大的向下位移，连接桥与落滩片体交接处承受较大弯矩作用，此时连接桥上强横梁与内舷板交接处应力较大.且承压舟在使用过程中，由于落滩片体为不均匀落滩，连接桥承受转矩作用，连接桥边缘甲板强横梁应力很大，最大应力为152 MPa.

承压舟浮桥在营运时，连接桥会承受弯矩和转矩作用，甲板强横梁作为主要受力构件，整体应力较大.横舱壁作为车道下方支撑结构，上端与甲板强横梁相连，连接桥在承受弯矩或转矩作用时，甲板强横梁与片体交接部位应力较大，且会对横舱壁形成挤压，因此横舱壁上端靠近内舷侧部位应力较大.

3 结构布置优化

3.1 横舱壁布置

承压舟横舱壁对保证船体的横向强度和刚性起很大的作用，改变横舱壁布置形式，研究横舱壁的布置对结构强度的影响，找出合适的横舱壁布置位置.将中间厚度为8 mm的横舱壁改为两块横舱壁，两横舱壁距离为一个强框架间距(1 m)，见图5，另外改变横舱壁的厚度分别为4，6和8 mm，探讨横舱壁厚度对结构强度的影响.

图5 横舱壁结构更改示意图

当双横舱壁厚度均为6 mm时，承压舟浮桥应力最小，计算结果见表2.单横舱壁形式改成双横舱壁形式之后，当横舱壁厚度为4 mm时，最大应力位置在横舱壁上，随着横舱壁的厚度增加至6 mm，最大应力减小且最大应力位置转移到连接桥甲板强横梁上.随着横舱壁厚度继续增加至8 mm时，连接桥甲板强横梁上应力变大.横舱壁可视为船底、舷侧和甲板等结构的一个支座，参与船体各部位构件之间作用力的相互传递.双横舱壁厚度为4 mm时，横舱壁整体结构较弱，与单舱壁厚度为8 mm时相比变形较大，因此最大应力位置在横舱壁上，当横舱壁厚度增加至6 mm时，横舱壁整体结构变强，变形相对减小，最大应力位置转移至甲板强横梁上，随着横舱壁厚度继续增加，横舱壁整体变形越来越小，横舱壁的应变能也越来越小，因此甲板强横梁应力越来越大.

表2 不同横舱壁布置形式计算结果

3.2 底封板布置

改变底封板的数目，研究底封板的布置对结构强度的影响.制定了四个方案：方案一不设置底封板，方案二设置4块底封板，方案三设置6块底封板，方案四设置10块底封板.底封板为6 m×1 m×8 mm的钢板，间隔着一个肋位布置在连接桥底部，四种方案的底封板由连接桥两侧逐渐向连接桥中部布置，底封板布置见图6，方案四以间隔一个肋位的布置方式布满连接桥.

图6 各方案底封板布置示意图

四种方案均是车辆位置如工况1所示时承压舟浮桥应力最大，且最大应力位置均在横舱壁靠近内舷侧部位，四种方案计算结果见表3.当底封板数目由0增加至6块时，连接桥抗弯抗扭强度增加，中部横舱壁应力因此减小，继续增加底封板数目至10块时，连接桥结构形式与无底封板时相比改变较大，连接桥上各部位结构均得到加强，此时承压舟浮桥整体应力重新分布，横舱壁结构较为薄弱，其应力急剧增大.

表3 四种方案计算结果

4 实桥测试

4.1 测试目的及方案

参考结构直接计算结果，在应力位置较大部位布置测点，测点布置在靠近岸边的第七个静浮片体上和一个最靠近岸边的落滩片体上.靠近岸边的第七个片体静浮在水中，受弯矩和转矩联合作用时，连接桥应力水平较高；落滩的片体落滩状态复杂，船底部分区域落滩，受力情况恶劣，连接桥与落滩片体交接处应力较大.测点布置一共78个通道，共计38个测点：其中静浮片体上有54个通道，共计26个测点；落滩片体24个通道，共计12个测点.本次测试对胡家岸承压舟浮桥首先进行了营运时各种载况的结构动应力测试，不同车辆的载重量不同且两车道上车辆行驶状况也不同，因此承压舟受力状况十分复杂，营运时会承受各种不同载荷工况.通行车辆较多时如通行车辆以车队形式通过承压舟时，前后车辆之间车距相对较小，且双向车道车辆数都较多，此时测试片体中，不均匀落滩的片体会承受较大的转矩和弯矩载荷作用，静浮片体会承受弯矩和车辆重量引起的转矩的作用；通行车辆较少时，前后车辆之间车距较大，且存在一侧车道通行车辆比对象车道车辆多且重量要重得多的情况，承压舟受力不均，此时转矩较大，起主要作用.

落滩片体受力状况较恶劣，选取应力水平较高的7处测点的测试结果与计算结果进行比较，测点布置见图7.测得靠近Fr.21肋位一侧车道180 t重载挂车通过，靠近Fr.40肋位一侧车道120 t重载挂车通过时各测点应变，根据测试结果得到各测点最大应力值.

图7 实桥测试时落滩片体测点布置示意图

4.2 测试结果分析

测试结果表明，对于静浮片体，除了栏杆应力较大之外，其他部位应力都较小.对于落滩片体，连接桥边缘及中部强横梁面板应力较大，且Fr.40肋位强横梁面板应力远大于Fr.21肋位强横梁面板应力，这是由于落滩片体底部不均匀落滩，且两车道上行驶车辆重量不同，Fr.40肋位强横梁承受弯矩大于Fr.21肋位强横梁承受的弯矩，此外横舱壁靠近内舷侧部位和片体与连接桥交接处的栏杆应力也较大.各测点最大应力值均小于许用应力值，满足结构强度要求，可安全营运.

大部分测点计算结果与测试结果的相差不超过10%，实桥测试结果与计算结果基本吻合.选取落滩片体测点的测试结果与工况5有限元计算结果进行比较，具体结果见表5.

表5 落滩片体测试结果与计算结果比较

由表5可知，落滩片体上测点1的测试值与计算值比较相差较大，由于落滩片体的落滩状况复杂，计算时考虑落滩片体底部全部落滩，而实际落滩片体为部分不均匀落滩，承压舟首尾两端落滩状况不同，连接桥边缘甲板强横受力状况恶劣.实际车辆的重量分布与计算时所取的车辆重量分布不同，以及计算所取挂车重量有误差等各种因素，造成计算结果与测试结果有偏差.

5 结 论

1) 承压舟浮桥在营运时，连接桥会承受较大的车辆载荷，车辆在不同位置时，连接器会承受横弯、横扭和弯扭组合作用，车道下方横舱壁和连接桥上甲板强横梁应力较大，根据计算结果合理改变横舱壁厚度及甲板强横梁尺寸，承压舟满足结构强度要求.

2) 承压舟的连接桥底部设置的底封板的数目对结构强度影响较大，设置底封板能有效地增加连接桥结构强度，但当数目过多时，连接桥结构过强，车道下方的横舱壁应力会变大.设计时应根据连接桥宽度合理选择底封板数目.

3) 车道下方的单横舱壁改为双横舱壁且厚度为6mm时能有效改善结构强度，但当继续增加横舱壁厚度时，横舱壁随着结构加强应力会减小，但相邻的连接桥上强横梁的应力会增加.

4) 计算结果和测试结果吻合较好，选取的典型计算工况能充分考虑承压舟浮桥营运时连接桥承受的各种最恶劣状况，选取的工况合理可靠.

5) 承压舟浮桥在营运时，落滩片体实际可能为不均匀落滩，受力状况较为复杂，计算时很难模拟实际落滩情况，这也是计算结果和测试结果相差原因之一.

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Research on Structural Strength Direct Calculation of Pontoon Bridge

ZHENG Peipei1)PEI Zhiyong1,2)LIU Weiqin1,2)ZHAO Qinliang3)

(Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Departments of Naval Architecture, Ocean and Structural Engineering, School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)2)(Jinan Register of Shipping, Jinan 250014, China)3)

The pontoon bridge which has characteristics of lower cost, shorter construction, better economy and larger traffic flowing capacity has a wide application in un-navigable waters. However, there are no appropriate rules until now. Research on structural strength direct calculation of pontoon bridge is carried out. Five typical calculating cases are defined considering its structure form and actual loading conditions. The influence of transverse bulkhead arrangement and sealing plate at the bottom of the connection bridge on structural strength is discussed. Furthermore, dynamic test on the pontoon bridge is also performed. Calculation cases and calculation methods are validated by comparing the test results with the computational results.

pontoon bridge; calculation cases; structural strength; strength criteria; dynamic test

2017-03-13

U663.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.032

郑培培(1993—)：男，硕士生，主要研究领域为船体结构强度