某河道雙體承壓舟浮橋結構優化設計分析

李東

（寧波公路市政設計有限公司，浙江 寧波315016）

1 引言

由于泥沙作用，某些河道河床的地形環境十分復雜，建造常規橋梁的難度較大，且建設周期長，建造成本高[1-2]。 為解決此類河道兩岸的交通運輸問題，承壓舟浮橋應運而生，該類型橋梁可適應不同地形變化的河道，可滿足在浮態、落灘或者半落灘狀態下的正常使用， 同時具備良好的經濟效益和社會效益，可緩解非通航區域的交通難題[3-4]。

民用承壓舟經過多年發展，先后歷經了四代舟型，當前承壓舟設計船長和船寬大部分均超過了30 m， 具有很大的儲備浮力。 由于承壓舟規模越來越大，滿載排水量也越來越高，承壓舟浮橋的結構強度問題也逐漸凸顯， 而承壓舟結構強度主要受結構布置的影響， 不同的結構布置情況會產生不同的受力情況，從而影響承壓舟的可靠性和安全性[5]。

本文基于前人研究理論和經驗，通過橫艙壁位置、底封板數量和連接橋跨度3 個參數對雙體承壓舟的結構布置進行優化設計，以期能為工程實踐提供借鑒。

2 工程背景

本項目水面寬約為60 m，河堤內間距約258 m，浮橋總體設計為：鋼質單甲板雙體承壓舟，總長20 m，船寬18 m，型深1.65 m，設計吃水1 m，中間通航為16 m 寬升降連接體（一面各8 m）。為保證浮橋架設的安全性，擬在浮橋上游距橋面中心線120 m 處放鋼筋混凝土錨，用錨鏈同錨碇舟相連，承壓舟用鋼絲繩同錨碇舟相連，每個錨碇系1 艘承壓舟。

3 承壓舟結構布置優化方案

本文主要針對上述3 種參數進行了結構優化設計。

橫艙壁：共設計4 種橫艙壁結構布置方案。 方案A（原設計方案）為5 道橫艙壁，在車道正下方布置1 個，并延伸至甲板的橫梁面板下方，其余4 個橫艙壁左右兩側各2 個；方案B在方案一的基礎上，將中間橫艙壁向船首、船尾分別移動1 個強框架間距（1 m）；方案C 在方案一的基礎上，將中間橫艙壁向船中移動1 個強框架間距（1 m）；方案D 將方案一的中間橫艙壁改為2 個橫艙壁，彼此間隔距離為5 m。

底封板：共設計6 種底封板結構布置方案。 方案一為對照試驗組，即不設置底封板；方案二在連接橋首、尾處各設置1塊底封板；方案三（原設計方案）在連接橋兩側各布置2 塊底封板；方案四在連接橋兩側各布置3 塊底封板；方案五在連接橋兩側各布置4 塊底封板；方案六在連接橋上均勻布設10 塊底封板。

連接橋跨度：方案Ⅰ（原設計方案）連接橋跨度為6 m，分別將其增加至8 m、10 m 和12 m，分別對應方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ。

4 結構布置優化分析

對不同結構布置方案下的主要構件應力進行計算分析，構件包括橫艙壁、甲板強橫梁、欄桿、船體內舷板、強肋骨。 分析時分為兩種工況，一種是汛期橋體處于浮態狀態，另一種是枯水期橋體處于半落灘狀態。

4.1 橫艙壁對受力的影響

橫艙壁位置對浮橋不同結構的受力影響規律如圖1 所示。 從圖1 中可知：橫艙壁位置變化對橫艙壁處的受力影響最大，當浮橋處于浮態狀態時，甲板強橫梁處的應力最大，其次為欄桿處，而后依次為船體內舷板處、強肋骨處、橫艙壁處。 當浮橋處于半落灘狀態時，欄桿處的應力最大，其次為甲板強橫梁，然后依次為強肋骨處、橫艙壁處、船體內舷板處。 與原設計方案相比，方案B（橫艙壁向兩側移動間距1 m）對各結構應力的影響較小，但增加中間艙室的長度后，會降低承壓舟整體的抗沉性，方案C（橫艙壁向中間移動間距1 m）對橫艙壁處的受力有較大的影響，在浮態狀態時，比原方案增加了33.6 MPa，在半落灘狀態時，相比原方案增加了83 MPa，方案D（將中間橫艙壁改為2 個橫艙壁）相比原設計方案，橫艙壁處的受力會有所增大，且當橫艙壁數量增加后，肯定會使承壓舟的結構重量增加。 因此，對比各方案對承壓舟結構受力的影響，認為原橫艙壁布置為最佳設計方案。

圖1 橫艙壁位置對承壓舟結構受力的影響

4.2 底封板對受力的影響

底封板對承壓舟結構受力的影響規律如圖2 所示。

圖2 底封板對承壓舟結構受力的影響

從圖2 中可知：隨著底封板數量的增加，橫艙壁的受力呈先減小后增大的變化特征，當底封板數量為6～8（方案四或者方案五）塊時，橫艙壁的最大應力最小；甲板強橫梁、船體內舷板以及強肋骨除的最大應力隨底封板數量增加呈先增大后減小的變化特征， 當連接橋上均勻布設10 塊底封板 （方案六）時，受力最小；欄桿處的最大受力隨底封板數量增加呈逐漸減小的變化特征，當不布設底封板時，欄桿在半落灘狀態下的最大受力超過了屈服應力； 合理布設底封板可以有效改善承壓舟各結構的受力情況，但是原設計方案（連接橋兩側各布置2塊底封板）底封板數量設置明顯不足，導致各結構處的應力均較大，對比各底封底板時的受力情況，當底封板數量為8（方案五）塊時，各結構處的受力相對更合理。

4.3 連接橋跨度對受力的影響

不同連接橋跨度下承壓舟各結構處的受力情況如圖3所示。

圖3 連接橋跨度對承壓舟結構受力的影響

從圖3 中可知：當承壓舟處于浮態狀態時，各結構處的最大受力從大到小依次為甲板強橫梁＞欄桿＞船體內舷板＞強肋骨＞橫艙壁，當承壓舟處于半落灘狀態時，最大受力依次為欄桿＞甲板強橫梁＞強肋骨＞船體內舷板＞橫艙壁； 當承壓舟處于浮態狀態時，連接橋跨度對結構受力影響較大，隨著跨度增大，甲板強橫梁、欄桿、船體內舷板、強肋骨4 個結構部位的最大受力逐漸增大，而橫艙壁處的最大受力逐漸減小，當承壓舟處于半落灘狀態時，連接橋跨度對結構受力影響較小，隨連接橋跨度增大，結構受力逐漸減小；增加連接橋跨度雖然可能導致浮態狀態時結構受力增大，但也可以減少建設成本，增強汛期泄流和河中漂浮物通過的能力，跨度從6 m 增加至12 m后， 各結構最大應力均未超過屈服應力， 滿足結構穩定性要求。 因此，在原有設計方案下，可合理增加連接橋的跨度。

5 結語

1）橫艙壁位置變化對橫艙壁處的受力影響最大，縮短中間橫艙壁或者增加中間橫艙壁， 均會導致橫艙壁處的受力增大，故建議保持原橫艙壁設計方案。

2）原設計方案底封板數量明顯不足，導致各結構受力均較大，建議將原設計方案兩側底封板由各2 塊增加至各4 塊。

3）連接橋跨度增大會導致浮態狀態時各結構（除橫艙壁）受力增大，但均沒有超過屈服應力，增加連接橋跨度可以提升汛期泄流和河中漂浮物通過的能力， 建議將原設計6 m 跨度進行適當增加。