雙體承壓舟結構直接計算

黃平，熊康，趙慶亮，裴志勇，吳衛國

摘 要：承壓舟浮橋是由多個帶外伸結構的雙體船，通過支耳鉸接相連組成，其對黃河流域的經濟發展有著良好的促進作用。承壓舟浮橋在營運時，通行橋面在車輛載荷作用下，呈復雜的彎扭組合狀態，為確保其結構安全可靠工作，需進行結構強度直接計算。本文對一典型雙體承壓舟建立三船體計算模型，采用多點約束模擬支耳鉸接，施加六種典型彎扭組合載荷工況，對雙體承壓舟浮橋進行了結構強度直接計算分析，根據計算結果調整結構設計方案，以保證結構安全可靠。

關鍵詞：雙體承壓舟;結構強度;直接計算;彎扭載荷

中圖分類號：U663 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0082-03

1 研究背景

承壓舟浮橋作為我國首創的民用舟橋裝備，其建造周期短，易拆卸，經濟性好，在水位、泥沙沖淤變化大的水域中有著較強的適用性。在黃河中下游水域，河道地勢復雜，淤沙較多，易形成淺灘，很難架設其他類型的跨河浮橋，而承壓舟浮橋在漂浮狀態和落灘及半落灘狀態下都能正常使用，并且可通過改變承壓舟結構尺寸的方法來適應建造地區的河床特點。因此，承壓舟浮橋在這類通航受限、跨河需求較大的水域得到了廣泛應用，大力促進了當地的經濟發展[1]。

自1985年發展至今，承壓舟已有30余年的發展歷史。從第一代的“85式雙體承壓舟”，到如今的第四代“千噸級雙向四車道承壓舟”，承壓舟的建造技術不斷發展完善;隨著社會重載車輛通行需求的急劇增加，其建造要求越來越高，設計要點也由最開始的“承載浮力、重載單向通行控制”轉變為 “通載性能、重載雙向通行主動安全”，形成了適用于當代承壓舟浮橋的三大技術特征--通載性能高、安全防護性能強、設計載荷大[2]。

承壓舟浮橋由多個帶舷伸結構的雙體船通過支耳鉸接相連而成。在設計初期，與承壓舟相關的建造規范尚不存在，并且承壓舟單船體與雙體船相似，承壓舟的結構強度計算基本是根據鋼制內河雙體船船體結構直接計算要求進行的;但是承壓舟與常規的雙體船相比又有很大的不同之處，主要體現在兩個方面：在承壓舟工作時，除了傳統的漂浮狀態以外，還有部分片體是處于落灘狀態;承壓舟一般靜浮于水面上，其受到的波浪載荷較小，主要的外載荷為車輛行進的動載荷、浮力和地基支持力。此外，承壓舟多船體之間的相互作用也是不可忽略的[3]。綜上所述，這種參照內河船舶建造規范來設計承壓舟浮橋的做法是有所欠缺的，因此需要通過有限元直接計算的方法來評估承壓舟浮橋的結構強度。本文以一條典型的雙體承壓舟浮橋為研究對象，采用MSC.Patran軟件建立三船體結構有限元計算模型，板格和高腹板梁的腹板采用板單元模擬，筋和高腹板梁的翼板采用梁單元模擬，支耳鉸接采用多點約束模擬，參照《山東省鋼質內河浮橋承壓舟建造規范》中定義的六種典型彎扭載荷工況施加載荷，進行了雙體承壓舟浮橋結構強度直接計算分析，對其應力分布狀況展開研究，根據計算結果調整結構設計方案，以保證承壓舟浮橋結構安全可靠。

2 計算模型及工況

2.1計算模型

本文的研究對象為一條雙體承壓舟浮橋，單船體主尺度參數如表1所示。為反映承壓舟浮橋的實際工作狀況，建立三船體結構計算模型（如圖1所示），對承壓舟浮橋結構強度進行計算分析。

表1 ?單船體承壓舟主尺度

有限元計算模型包括三個船體，所有板格和高腹板梁的腹板均采用板單元模擬，筋和高腹板梁的翼板采用梁單元模擬，支耳鉸接采用多點約束模擬。中部雙向車道的車輛通行區域為主要計算校核區域，采用較細網格，大小為333.33mm;其他區域網格大小為500mm，該有限元計算模型共有64，842個節點，119，544個單元。

2.2計算工況

承壓舟浮橋使用時，主要承受車道上來往車輛的動載荷及船底部的浮力作用（靜浮狀態）或地基支持力（落灘狀態）。由于車輛的行進方向是在承壓舟的寬度方向，車輛在移動時，承壓舟浮橋的各個位置會受到橫向彎矩、橫向扭矩以及彎扭聯合的作用，結合實際使用情況，同時參照《山東省鋼質內河浮橋承壓舟建造規范》（DB37/T 3487-2019）的規定，結構強度直接計算時定義了六種典型工況，代表著承壓舟浮橋工作時的最危險工況。

工況1，兩個重型掛車的后部重載車輪位于浮態承壓舟的連接橋上，此時浮態承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷;

工況2，兩個重型掛車后部重載車輪位于浮態承壓舟的連接橋一側片體上，此時浮態承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷;

工況3，兩個重型掛車呈中心對稱方式，分別位于浮態承壓舟的連接橋兩側片體上，且后部重載車輪靠近外伸舷，此時浮態承壓舟連接橋承受較大的橫扭載荷;

工況4，兩個重型掛車前、后部車輪分別位于浮態承壓舟的連接橋結構的兩側片體上，此時浮態承壓舟連接橋承受較大的橫彎橫扭載荷;

工況5，兩個重型掛車的輪集中于半落灘承壓舟的連接橋和浮態片體上，此時半落灘承壓舟連接橋承受較大的橫彎橫扭載荷;

工況6，兩個重型掛車的后部重載車輪集中于半落灘承壓舟的浮態片體上，此時半落灘承壓舟連接橋承受較大的橫彎載荷。典型載荷工況1的加載示意圖如圖2所示。

考慮到車輛載荷主要是通過車輪作用到承壓舟甲板上，且作用面積相對較小，因此在計算時，將車輛載荷以節點力的形式施加到甲板上，同時考慮1.2倍的動載荷系數來模擬動載荷效應。此外，承壓舟工作時所受到的浮力，等效為線性彈簧點單元，施加于各片體底部（落灘片體除外）。

3 計算結果及分析

工況1最大應力為128MPa，位于連接橋強橫梁與橫艙壁相連的角隅處;

工況2最大應力為159MPa，位于外伸舷甲板強橫梁;

工況3最大應力為144MPa，出現在連接橋強橫梁與橫艙壁相連的角隅處;

工況4最大應力為140MPa，位于連接橋甲板強橫梁;

工況5最大應力為103MPa，位于連接橋強橫梁與橫艙壁連接的角隅處;

工況6最大應力為97.2MPa，位于連接橋甲板強橫梁邊緣。該雙體承壓舟浮橋在六種典型最不利工況下的最大應力值均未超過相應的許用應力，滿足結構強度要求。

工況1中，兩重載車后輪作用于連接橋的兩側，此時連接橋受到較大的橫彎載荷作用，連接橋中部的強橫梁與片體橫艙壁相連，強橫梁板厚相對于橫艙壁較小，因此在橫梁與艙壁連接的角隅處應力集中較大，最大應力為128MPa，未超過連接橋甲板強橫梁面板的許用應力值176MPa，滿足結構強度計算要求，應力分布如圖3所示。

4 結論

本文以一條雙體承壓舟浮橋為研究對象，參照《山東省鋼質內河浮橋承壓舟建造規范》定義的六種典型載荷工況，對其進行了結構強度直接計算分析，以獲得合理可靠的結構設計方案。

（1）該承壓舟浮橋在設計載況下（雙向通行軸重最大13.8t、總重不超過72.6t的大載重掛車），各典型計算工況下的最大應力均不超過許用應力，滿足結構強度要求。

（2）該承壓舟浮橋各工況下的最大應力值，主要集中于連接橋中部的強橫梁或舟體中部的橫艙壁上，為保證承壓舟浮橋能夠長期安全可靠使用，可對這些高應力區域進行適當的加強。

參考文獻：

[1]趙慶亮，鄭培培，裴志勇.承壓舟浮橋許用V型坡度研究[J].中國水運，2016，12（37）：49-51.

[2]趙慶亮.承壓舟發展歷史沿革與千噸級雙向四車道承壓舟技術性能[J].中國水運，2016，6（16）：9-11.

[3]鄭培培，裴志勇等.承壓舟浮橋結構強度直接計算研究[J].武漢理工大學學報，2017，3（41）：517-522.

[4]中國船級社，《鋼質內河船舶建造規范》（2016）.

[5]濟南船舶檢驗局，《山東省鋼質內河浮橋承壓舟建造規范》（2019）.