承壓舟的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及設(shè)計(jì)原則探討

何恩新 焦玉春 張朋

摘 要：載重車輛輪印寬度300mm左右，主車道板格寬度采用1/3m，確保多輪胎的輪印負(fù)荷分布在不同的板格內(nèi)，避免載荷集中在同一板格內(nèi)。隨著重載車輛不斷增多，雙向兩車道承壓舟的通行能力已經(jīng)嚴(yán)重滯后于社會(huì)發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的儲(chǔ)備浮力1000t的雙向四車道承壓舟，大幅提高了雙向通行能力和單向極限通行能力。凸起的聯(lián)接裝置使車輛的駕駛舒適度大幅降低，同時(shí)降低了輪胎的使用年限，新設(shè)計(jì)內(nèi)凹式聯(lián)接裝置大幅改善了這個(gè)問題，同時(shí)甲板平整美觀。承壓舟聯(lián)接組成的浮橋，在遇到凌汛期時(shí)，從安全角度出發(fā)，有關(guān)部門都會(huì)要求對(duì)部分承壓舟進(jìn)行拆除，常規(guī)拆除費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。最新設(shè)計(jì)的門橋結(jié)合升降裝置，大幅縮短了拆搭橋的時(shí)間，也節(jié)省了人力物力財(cái)力，安全性能也得到了保障。

關(guān)鍵詞：承壓舟;主車道;甲板板格;雙向四車道;聯(lián)接裝置;門橋;升降裝置;快速拆搭

中圖分類號(hào)：U663? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0063-03

1 前言

承壓舟自1985年在山東省首次研制并成功架設(shè)浮橋以來，在沿黃流域得到了迅猛發(fā)展。截至2017年年底，黃河628公里山東段共有承壓舟浮橋59座（承壓舟1200余艘），使得黃河山東段成為了全國乃至全世界民用舟橋最為集中的區(qū)域。承壓舟浮橋已成為山東跨越黃河的主要通道之一，據(jù)測(cè)算，2017年山東浮橋總通車量超過了4000萬車次，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。目前，承壓舟浮橋已在河南、陜西、寧夏、山西、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林等多個(gè)省份得到了推廣應(yīng)用。

承壓舟的設(shè)計(jì)由最先的87 式、95 式、96 式、97 式、2000 式、2006 式承壓舟，95（A）、95（B）大型防凌舟，發(fā)展為現(xiàn)在的第四代承壓舟，歷經(jīng)30余年。在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及理論研究探索的基礎(chǔ)上，研制出了新一代大型承壓舟組成的適合車輛通行的承壓舟浮橋。

承壓舟系指集舟、桁、板于一體，甲板結(jié)構(gòu)直接承受集中動(dòng)載，能在水中及淺灘構(gòu)架舟橋的特種舟橋裝備。按有無過水通道分為分置式和帶式兩種。

分置式承壓舟，一般為帶舷伸結(jié)構(gòu)的雙體船或單體船，通道沿船寬方向布置，有明顯過水通道。帶式承壓舟，一般為單體船，通道沿船長(zhǎng)方向布置，無明顯過水通道。

2 承壓舟的設(shè)計(jì)原則

承壓舟設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，在設(shè)計(jì)原則和發(fā)展方向上進(jìn)行了多方面探討。

2.1遵循科學(xué)性原則

老式承壓舟的橫梁間距為1/2m，車輛通行一段時(shí)間后，甲板上就出現(xiàn)了較為明顯的輪印凹陷，甲板及其構(gòu)件損壞比較嚴(yán)重，導(dǎo)致承壓舟頻繁維修更新，使用壽命比較短。根據(jù)承壓舟的載荷特點(diǎn)、工況要求，在系統(tǒng)總結(jié)承壓舟30余年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛的軸重、軸距、輪印等技術(shù)特征，將橫梁間距由原來的1/2m改進(jìn)為1/3m，縮小了甲板板格寬度，車輛甲板單個(gè)板格上承受的車輛負(fù)荷符合降低了50%，改善了由于多個(gè)輪印集中在同一板格內(nèi)造成的單個(gè)板格集中受力情況，該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)踐效果明顯，甲板橫梁損壞數(shù)量和頻率降低了90%以上。

（1）在連接橋大跨距強(qiáng)橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，參考了承壓舟的試驗(yàn)成果，車輛沖擊帶來的動(dòng)載系數(shù)約為1.2倍，車輛載荷引起的垂向最大加速度不會(huì)超過0.2g，連接橋的總橫彎矩Mbx不會(huì)超過1.2倍靜水總橫彎矩Mbx0，可取Mbx=1.2Mbx0;

（2）承壓舟有滾裝船的特點(diǎn)，靜水總橫彎矩引用了《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)公式進(jìn)行整理得。此公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)踐應(yīng)力測(cè)試結(jié)果非常吻合，較好的解決了大跨距強(qiáng)橫梁計(jì)算選取不當(dāng)?shù)膯栴}。

通過以上改進(jìn)，甲板結(jié)構(gòu)更加合理，具體形式如下：

2.2從安全性角度出發(fā)

承壓舟不僅要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全，也要考慮行人和車輛的安全，為有效提高承壓舟浮橋裝備的安全保障水平，從承壓舟的安全性因素綜合考慮出發(fā)，需要對(duì)承壓舟的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行改變。第四代承壓舟出現(xiàn)之前，多數(shù)承壓舟的主車道，人車并未分流，事故多發(fā)，安全隱患較多，同時(shí)降低了車輛通行速度和效率，在通行的快捷性和浮橋的經(jīng)濟(jì)性上都產(chǎn)生了不良影響。隨著社會(huì)發(fā)展的不斷進(jìn)步，社會(huì)通行的車輛也在不斷增加，由原來的普通農(nóng)用車已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的三軸重型半掛車輛，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最大載重達(dá)到近200噸，80噸左右的載重車通過承壓舟時(shí)，需要單放行，客車單放行，行人及非機(jī)動(dòng)車輛禁止通行，原來設(shè)計(jì)的承壓舟已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在通行車輛的需求，為實(shí)現(xiàn)重型載重車輛雙向行駛，客車以及行人、非機(jī)動(dòng)車輛自由通行，最大限度的為兩岸居民提供方便，設(shè)計(jì)研發(fā)了第四代承壓舟。

從行人和行車安全角度出發(fā)，根據(jù)公路護(hù)欄的設(shè)計(jì)理念，對(duì)防護(hù)、防撞措施分別設(shè)計(jì)。防撞裝置對(duì)車輛撞擊的高度作了明確要求，最低值為0.35m，這個(gè)高度大概為重型汽車輪胎直徑的1/3，這個(gè)高度可以有效防止車輛失控越出橋外，計(jì)算值是以重點(diǎn)保護(hù)的大型客車為設(shè)計(jì)對(duì)象，按整車質(zhì)量20t、車速30km/h、撞擊角度15 ?、安全系數(shù)1.25考慮。

在考慮了人車分流后，在主車道兩側(cè)各增加一個(gè)邊車道，作為農(nóng)用車、三輪車和摩托車的通道，不僅實(shí)現(xiàn)了客車以及行人、非機(jī)動(dòng)車輛分流通行，而且實(shí)現(xiàn)了雙向四車道的車輛通行，較好地解決了重型車輛通行受限的問題，使兩岸居民出行更加便利。

綜合第四代承壓舟的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，改進(jìn)后的車道布置：

2.3以實(shí)用性原則為主

以往的聯(lián)接裝置設(shè)計(jì)為凸起狀，安裝后凸起部分高于甲板板40mm，凸起部分寬度為50mm或60mm，車輛通過聯(lián)接裝置時(shí)，車輪會(huì)從凸起部分通過，車輛顛簸嚴(yán)重，行駛不平穩(wěn)，會(huì)對(duì)車輪造成一定程度的損壞，致使車輪使用壽命大大降低，嚴(yán)重的情況下會(huì)對(duì)車軸的平衡度造成影響，損壞車輛，車輛的顛簸會(huì)對(duì)浮橋造成沖擊，降低浮橋的使用壽命。

在考慮到以上因素造成的不利影響下，對(duì)承壓舟聯(lián)接裝置進(jìn)行了改進(jìn)，包括縱向部分和橫向部分的本體，本體上帶有銷孔，所述的橫向部分下表面至少一部分為斜面，斜面自靠近橫向部分根部的部分向端部方向右下向上傾斜，向上橫向部分的上表面至少一部分為平面，該改進(jìn)裝置使支耳上表面與橋面在同一平面，能夠?qū)崿F(xiàn)浮橋橋面的平整，不僅實(shí)現(xiàn)了通行車輛的平穩(wěn)，而且也能夠減少車輛顛簸對(duì)浮橋的沖擊，從而延長(zhǎng)浮橋的使用壽命，從甲板上實(shí)現(xiàn)了橋面的規(guī)范平整。

在聯(lián)接裝置的改進(jìn)過程中有以下幾個(gè)方面的考慮：

（1）是在連接銷的設(shè)計(jì)過程中，考慮其兩側(cè)受剪，假定耳銷承受軸負(fù)荷全部轉(zhuǎn)換為剪力，則有：

式中：F—最大剪應(yīng)力，N，Pc—軸重，t;S—軸銷截面積，mm;[τ]—許用剪切應(yīng)力，取81.6N/mm（見《鋼內(nèi)規(guī)》規(guī)定）;d—軸銷直徑，mm。整理可得：

《鋼內(nèi)規(guī)》給出的軸銷計(jì)算公式，基于僅在跳板兩端設(shè)置連接裝置，故僅考慮了單側(cè)受剪。若考慮雙側(cè)受剪，并帶入材料換算系數(shù)，則會(huì)得出上式。

（2）在單支耳和雙支耳的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)《小船法規(guī)》的規(guī)定，至少設(shè)置3個(gè)如圖所示的聯(lián)接裝置的要求判斷，與承壓舟存在多個(gè)聯(lián)接裝置且車輛通行時(shí)至少3點(diǎn)受力的情況吻合，故對(duì)單支耳和雙支耳借鑒了《小船法規(guī)》的規(guī)定。

改進(jìn)后的聯(lián)接裝置以及安裝示意圖為：

2.4遵從便利節(jié)約的原則

每年的凌汛期，河道管理部門從行洪和泄淩的角度出發(fā)，考慮到舟橋的安全，都會(huì)要求拆除浮橋的部分承壓舟，待流速和架設(shè)條件具備后再重新搭建，這種情況每年有2～3次，特殊年份甚至有5～6次。承壓舟浮橋在拆搭時(shí)（在夜間拆搭時(shí)還得配備燈光和小船等），都需要20余人參與，大型機(jī)械設(shè)備3臺(tái)（套），耗時(shí)約1～3小時(shí)，耗資2～3萬。拆搭浮橋的同時(shí)要求封橋，禁止車輛通行，因封橋造成的損失也不是小數(shù)目。綜合以上考慮，從便利性原則出發(fā)，對(duì)相鄰2組承壓舟進(jìn)行了改進(jìn)，這2組承壓舟采用鋼絲繩軟聯(lián)接，在承壓舟中體部分，設(shè)計(jì)2個(gè)相對(duì)的內(nèi)凹槽口，槽口從主車道最外側(cè)向外延伸1米，從舷側(cè)向內(nèi)凹3米，從甲板向下凹1米。槽口的里端安裝聯(lián)接裝置，通過跳板補(bǔ)平承壓舟內(nèi)凹部分。在跳板下方和承壓舟內(nèi)凹部分之間安裝液壓驅(qū)動(dòng)升降裝置。需要拆解時(shí)，升降裝置將跳板抬高，使跳板脫離承壓舟，從而快速拆除浮橋。搭建時(shí)過程相反。升降裝置安裝簡(jiǎn)單，耗資較低，為浮橋的快速拆搭提供了簡(jiǎn)單易行、安全可靠、省工省力的一種新方式。

3 結(jié)論

根據(jù)當(dāng)前浮橋承壓舟的成本收益情況、舟體易壞易損部位以及當(dāng)前交通路網(wǎng)的最新要求，我們總結(jié)出了幾點(diǎn)當(dāng)前比較實(shí)用的原則，以提高浮橋承壓舟的設(shè)計(jì)水平。

（1）科學(xué)性原則：橫梁間距的改進(jìn)增加了甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，橫骨架式的特點(diǎn)使得甲板受力得到更好地分解;

（2）安全性原則：雙向四車道的出現(xiàn)緩解了通行壓力，做到人車分流，在安全方面得到了極大提高;

（3）實(shí)用性原則：內(nèi)嵌式聯(lián)接裝置使車輛避免了為減少顛簸而變道所形成的潛在安全事故，也降低了由于車輛的沖擊造成承壓舟結(jié)構(gòu)的損壞，既提高了承壓舟浮橋通行的舒適度，又減少了交通事故發(fā)生率。

（4）便利式原則：升降裝置的設(shè)計(jì)，使浮橋的拆搭變得極為快捷方便，同時(shí)又降低了拆搭浮橋的成本。

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