船用車輛跳板強度的計算方法

王 武，彭善輝，徐昭偉

(舟山萬達船舶設計有限公司，浙江 舟山 316101)

0 引言

船用車輛跳板是客滾船、甲板貨駁等船舶實現其車輛運輸、車輛裝卸貨等功能的重要設備，是船舶與碼頭鏈接的臨時橋梁，多見于各類具有車輛運輸功能的船舶，尤其是滾裝船[1]。車輛跳板按照位置基本分為船艏跳板、舷側跳板與船艉跳板。一般船用車輛跳板由跳板面板、橫向骨材、縱向骨材，鉸鏈耳板、鉸鏈軸等組成[2]。在設計研究過程中進行正確的結構強度計算研究，不僅可以確保其使用安全性，還可以適當節約設計制造成本，但是目前研究車輛跳板強度的文獻較少。本文以甲板運輸船位于艏部的車輛跳板為例，結合中國船級社發布的兩種不同規范對車輛跳板強度進行計算，從而驗證車輛跳板強度計算方法的合理性。

1 船用車輛跳板強度計算實例

1.1 所載車輛信息

本文所載車輛采用標準貨車。算例的車輛總重量(標準載重+自重)為300 kN，輪距為1.8 m，軸距：前輪與中輪為4.0 m，中輪與后輪為1.4 m。作為算例的車輛車輪相關參數見表1。

根據車輛信息，繪制所載車輛負荷簡圖見圖1。

1.2 船用車輛跳板信息

作為算例的車輛跳板的側視圖見圖2。

該車輛跳板一端用鉸鏈連接在船端部，另一端直接擱在碼頭引橋上。跳板寬度為7 000 mm，長度為8 000 mm(考慮到沖灘放置300 mm，扣除該長度余量后，計算長度為7 700 mm)，坡度為0.1。該車輛跳板的俯視圖見圖3。

圖1 所載車輛負荷簡圖

圖3中，縱骨跨距l=600 mm；縱骨間距s=500 mm；跳板自重G=153.0 kN，由15根縱梁支承，則每根縱梁平均受力為Q=G/15=10.2 kN。

車輛跳板厚度t根據 《國內航行海船建造規范(2014)》計算如下：

式中：P為輪印壓力，P=60 kN；C為系數，C=0.906；K為系數，K=3.89。

經計算，t=10.22 mm。

最終車輛跳板厚度為12 mm，材料選用CCS-A。

圖2 船用車輛跳板側視圖(單位：mm)

圖3 船用車輛跳板俯視圖(單位：mm)

2 強度計算依據

2.1 基于《海船規范》計算

《海船規范》第2篇第9章第6節提供了關于車輛跳板強度的經驗計算方法。

2.1.1 跳板自身重力產生的彎矩

包括跳板自重、所載車輛載荷在內的總載荷為：

∑P=G+PC

式中：G為跳板自重，G=153.0 kN；PC為作用在跳板上的靜載荷，PC=300 kN。

經計算，∑P=453.0 kN。

設計時，縱梁取連續梁，橫梁以縱梁的間距為支點跨距。計算時將車輛跳板簡化為簡支梁。

車輛跳板由其自重引起的受力及彎矩圖見圖4。圖中，Mmax1為跳板自重產生的最大彎矩，Mmax1=10.2 kN·m。

2.1.2 跳板上車輛產生的彎矩

根據法國BV船級社《船舶入級規范和規則》(1996)第四分冊規定：當前、中、后輪(組)同時作用于跳板時，在跳板上最大力傳遞系數C= 0.38，則有各輪(組)對車輛跳板的作用力如下(考慮風浪載荷去10%余量)：

前輪作用力P1=12.54 kN，中輪、后輪作用力P2=25.08 kN。

圖4 基于《海船規范》的船用車輛跳板自重受力及彎矩圖

考慮到沖灘放置300 mm，扣除該長度余量后，總長度為7 700 mm，車輛跳板由裝載車輛引起的受力及彎矩圖見圖5。

圖5 基于《海船規范》的船用車輛跳板裝載車輛受力及彎矩圖

所載車輛產生的最大彎矩為：

Mmax2=78.6 kN·m

2.1.3 跳板型材選取

式中：[σ]為許用彎曲應力，[σ] =141 MPa。

經計算，W=629.8 cm3。

2.2 基于《起重規范》計算

中國船級社發布的《起重規范》[4]第3章提供了關于車輛跳板強度的經驗計算方法。

2.2.1 跳板上總載荷產生的彎矩

根據《起重規范》，車輛跳板載荷計算分為三種工況：放下狀態、放置狀態和操縱狀態，其中車輛跳板處于放下狀態時，結構構件受力最大。

放下工況中包括跳板自重、所載車輛載荷以及其他可能載荷在內的總載荷為：

∑P=G+1.1PC+Ph1+Ph2+Ph3

式中：Ph1為船舶橫傾5°時的水平力，Ph1=39.5 kN；Ph2為船舶縱傾2°時的水平力，Ph2=15.8 kN；Ph3為由跳板角度引起的載荷，Ph3=29.9 kN。

經計算，∑P=568.2 kN。

在放下工況下，仍考慮由15根縱梁支承，當總載荷集中于車輛跳板正中時構件受力最大。考慮到沖灘放置300 mm，扣除該長度余量后，總長度L2=7 700 mm，船用車輛跳板在總載荷下的受力F=37.9 kN。車輛跳板所受最大彎矩Mmax為73.0 kN·m。

2.2.2 跳板型材選取

扣除2 mm腐蝕余量后，其實際剖面模數W′=632.7 cm3，滿足《起重規范》要求。

2.3 計算結果比較

根據上述計算結果，兩種計算結果的主要差異點見表2。

表2 《海船規范》和《起重規范》計算結果比較

3 分析

基于上述計算結果顯示，《海船規范》與《起重規范》對船用車輛跳板強度的經驗計算方法略有差異，差異如下：

(1)對跳板自重與外加載荷(所載車輛)的處理

《海船規范》將車輛跳板所受載荷分為跳板自重與外加載荷(所載車輛)，對兩種載荷的處理方法不同：跳板自重所引起的載荷分布采用了經典的簡支梁模型；將所載車輛引起的載荷近似依據輪印位置做近似處理。但《海船規范》缺乏對除跳板自重與所載車輛之外其他可能載荷的考量。《起重規范》不區分跳板自重與外加載荷的真實分布情況，將兩種載荷簡化為統一作用于簡支梁中點的載荷。但是，除了該兩種載荷外，《起重規范》對其他載荷的種類考慮較全面。

(2)對船舶浮態的考慮

《海船規范》的計算過程均基于船舶處于正浮的假定，并未考慮船舶可能傾斜的情形；《起重規范》的計算過程中包括了對船舶橫傾5°與縱傾2°兩種傾斜狀態的考慮。

(3)對工況的選取

《海船規范》的計算僅針對車輛跳板的放置狀態；《起重規范》對車輛跳板的三種工況(放下狀態、放置狀態和操縱狀態)均有相應計算方式。但車輛跳板的放下狀態為三種工況中外加載荷最大的情形，對車輛跳板的強度要求最高，若強度已滿足放下狀態的需求，則不需要計算放置狀態和操縱狀態的強度。

(4)計算結果的安全性(保守程度)

對于總載荷，《海船規范》的計算結果顯著低于《起重規范》；對于最大彎矩，《海船規范》與《起重規范》的計算結果差異較小；對于所需剖面模數，《海船規范》的計算結果顯著高于《起重規范》。《海船規范》對于細節的處理較為保守，但《起重規范》對情形的考量更為全面。

4 結論

(1)《起重規范》對跳板上各載荷的種類、跳板工作時船舶浮態、工況選取等考慮得較為全面。《海船規范》對跳板上車輛引起的載荷的分布處理更加接近實際。

(2)基于四個方面(載荷的處理、船舶浮態的考量、工況的選取、計算結果的安全性)的比較，這兩種規范具有各自的優勢，故建議：在計算車輛跳板強度時，計算的總過程可采用《起重規范》；對模擬所載車輛引起的載荷可采用《海船規范》，但也應充分考慮船舶具體可能載況。