1、1双向通行承压舟桥结构强度直接计算工况探析摘 要：承压舟对促进经济的发展有着重要的意义，然而目前没有相应的技术规范。本文针对新型承压舟的结构特性和受载特点，总结了基于双体船规范的船体结构强度直接计算工况，并定义了针对承压舟浮桥结构系统的计算工况，用于验证承压舟浮桥的抗弯和抗扭强度，以保证其安全运行。 关键词：承压舟；结构强度直接计算；浮桥结构系统计算工况；抗弯和抗扭强度 中图分类号：U661.43 文献标识码：A 文章编号：10067973（2016）10-0053-03 1 研究背景 承压舟系我国在世界上首创的分置式舟桥器材，应用于公路舟桥的架设。自 1985 年由山东省黄河航运局研制成功并
2、架设舟桥以来，在黄河流域得到了迅猛发展，据测算，2013 年山东省舟桥年通行量超过了 1 亿余人次、3000 万车次，取得了良好的社会效益和经济效益，对促进区域经济发展，方便群众生产生活，发挥着愈来愈重要的作用。 承压舟桥是在长期实践基础上的总结发展与应用，存在着浮态、落滩、半落滩等多种复杂使用工况，而当前的船检技术规范是基于船舶 “自由浮态”的系统技术集成，并未提供针对承压舟受力工况的技术要求，尤其在横弯、横扭直接计算方面，形成了严重的技术瓶颈。目前承2压舟的结构设计基本围绕计算轴重 14 吨、50 吨以上车辆单向通行进行，造成了承压舟桥的双向通行能力与现实社会车辆的通行需求、安全需求相比严
3、重滞后的局面。围绕实现关键技术突破、提高承压舟通行能力和安全保障能力的新一代承压舟的研制日趋紧迫。基于此，本文对双向通行千吨级新一代承压舟结构强度计算工况进行了探析，以确保承压舟桥在大吨位重载车辆通行时的高效和安全可靠性。 2 承压舟桥发展状况 承压舟桥历经三十年，形成了三代具有代表性的舟型。第一代，适合轮式 15t、履带式 40t 载荷单向通行，型深 1.3m，设计吃水 1.0m，无首尾特征。第二代，承载不超过 100t，可满足整车质量 20t 以下车辆的双向通行；出现了明显的尖首，船长多不超过 20m，船宽不超过 18m，设计吃水为 1.0m，型深多为 1.5m。第三代，以确保 100 吨
4、以上重载车辆单向通行为出发点，船宽不低于 20m，有效改善了重载车通行造成“V”型坡的不利影响，安全性能有了很大提升，开启了整车质量 50t 以下车辆双向通行的应用实践。本文进行第四代承压舟的研发，从抗弯扭设计出发，进行千吨级双向四车道承压舟研制，船长超过 30m，船宽 30m，储备浮力大大提高，开启整车质量 147t 载重货车双向通行承压舟新时代。 3 新型承压舟桥特点 研发的第四代承压舟是典型的短而宽船型，双片体、单甲板，具有足够的纵向强度和刚度，因而纵向波浪载荷不构成双体承压舟结构强度的主要矛盾。但是双体承压舟具有较宽的横向接触面积和特殊的横剖面几何形状，其横向波浪的诱导载荷（横向弯矩和
5、垂向剪力）以及船舶置3于斜浪状态所遭遇的扭矩将可能达到相当的量级，并引起主船体、特别是支柱体和连接桥结构出现高应力。除此以外，承压舟主要受力载荷为甲板与连接桥上通行的车辆，这些通行的重载卡车的受力状态是一个动态的变化过程，不同的车辆位置导致不同的受力强度和响应。而车辆通行的方向主要是沿着双体承压舟的船宽方向，因此，甲板车辆载荷导致的双向四车道承压舟结构的主要问题是横向弯曲强度、横向扭转强度及其组合形式。 研发的第四代承压舟除船底中部采用纵骨架式外，其余均采用横骨架式的结构形式并加强横向连接，这也是基于提高船体横向抗弯刚度的需求。在不对称车辆载荷作用下，承受扭矩的连接桥结构就成为船体最为敏感和薄
6、弱的部分，其横向抗弯和抗扭能力需着力解决。研发的新型承压舟总长 39.6 米、船宽 31.6 米、片体宽 12 米、片体中心距 18.0 米、型深 2.26 米、满载吃水 1.2 米、满载排水量 1041.12 吨、空载排水量480 吨、车辆甲板宽 19.0 米、设计轴重按 30t 计。典型横剖面如图 1 所示。 4 结构强度直接计算工况研究 承压舟浮桥是由双体承压舟连接而成，其结构强度直接计算工况既要体现单船体的要求，又要体现浮桥整体最不利工作状态。因此，首先探讨单船体结构强度直接计算工况，随后探讨承压舟浮桥整体结构强度直接计算工况。 4.1 单船体结构强度直接计算工况 根据中国船级社颁布的
7、钢质内河船舶建造规范 （2016）第 9 章双4体船船体结构补充规定之附录双体船结构直接计算要求，对双体承压舟单船体结构强度直接计算工况进行了探讨。 4.1.1 横弯工况 本计算按照中国船级社钢质内河船舶建造规范 （2016）规定进行。双体船总横扭矩可通过反对称分布在片体中纵剖面内的垂向均布力来施加，即左舷舯前施加垂直向上载荷，左舷舯后施加垂直向下载荷，同时右舷舯前施加垂直向下载荷，右舷舯后施加垂直向上载荷。 4.1.3 边界条件 为了限制刚体模态，使得数值计算能顺利进行下去，需要施加尽可能小的位移边界条件。在连接桥纵中剖面首端中点（图 2 中 A 点）施加 x、y、z 三个方向平动约束，在连
8、接桥纵中剖面尾端中点（图 2 中 B 点）施加 y、z 两个方向平动约束，在片体中横剖面舷侧处（图 2 中 C 点）施加 z 方向平动约束，边界条件示意图如图 2 所示。 4.1.4 工况定义 4.2 承压舟浮桥结构系统计算工况 承压舟浮桥结构系统为多个承压舟互相接连起来，彼此相互作用相互制约，并不是一个完全自由浮体。承压舟浮桥主要受力载荷为甲板与连接桥上通行的车辆，其受力状态是一个动态的变化过程，车辆不同的位置导致不同的受力和结构响应。 本节探讨多艘承压舟结构系统中甲板上通行的典型车辆位置导致承压舟浮桥结构系统的横弯和横扭强度最不利的计算工况。 54.2.1 浮力载荷 为了既计算单船体承压舟
9、受甲板载荷导致的结构强度又可获得承压舟在稳态上的船体运动，将静水浮力之间的耦合作用简化为弹簧模型，在船底所有节点上均布线性弹簧单元。 4.2.2 计算工况 为研究承压舟桥系统的计算工况，选取三艘承压舟组成的子系统进行研究，分别探讨了对外伸舷、片体和连接桥弯曲、扭转及弯扭组合最恶劣工况，如下所述： 工况 1：中间两个重型货车后轮和小型农用车均集中于连接桥部分。载荷主要集中于连接桥，此时检验最中间承压舟的连接桥抗弯强度。 工况 2：中间两车道内的两个重型货车呈反方向前后六轮、外侧两车道的小型农用车前后两轮均分布于支耳-销子结构两侧。本工况用于模拟最大车辆载荷对支耳-销子结构（承压舟之间的连接部分）
10、产生的横向扭转作用，验证承压舟之间的连接部分抗横扭强度。 工况 3：四车按各自行驶方向出现四车车轮呈直线分布且其位置位于承压舟外伸舷处。此时车辆载荷在外伸舷处产生最大剪力且在承压舟连接桥中心处产生较大弯矩。因此本工况验证外伸舷的抗剪强度和连接桥中心处的抗弯强度。 工况 4：中间两车道内的两个重型货车呈反方向前后六轮、外侧两车道的小型农用车所有四轮均分布于连接桥结构的两侧。本工况用于模拟最大车辆载荷对连接桥结构产生的横向扭转作用，验证承压舟的连接桥结构的抗弯抗扭强度。 工况 5：相反两个方向车道上的两辆车之后轮位于承压舟对角线上外6伸舷处。本工况的这种车辆载荷排布方式也可对连接桥结构产生的横向扭
11、转作用，因此本工况同样验证承压舟的连接桥结构的抗横扭强度。该工况车辆位置示意图如图 5 所示。 工况 6：一个片体落滩，四车按各自行驶方向出现四车车轮呈直线分布并且其位置位于另一个未落滩的片体外伸舷处。本工况下车辆载荷对该落滩承压舟的连接桥结构产生较大横向弯曲，因此本工况是验证落滩片体连接桥抗横弯强度。 5 结论 新研制的第四代千吨级双向通行承压舟浮桥不同于以往的双体船及承压舟浮桥，载荷方式和边界条件有着其独特性，本论文对其典型计算工况进行了研究，可得出如下结论： （1）单个承压舟以内河双体船规范要求的工况进行计算，使其能满足基本的强度要求。 （2）对由多个承压舟互相接连起来的承压舟浮桥，考虑
12、其结构特性和受载特点，对影响其横弯强度、扭转强度和弯扭组合强度的典型计算工况进行了探析。 （3）本文研究可为承压舟浮桥结构强度计算方法研究提供依据，对推进承压舟浮桥行业的发展和相关规范的制定提供技术支持。 参考文献： 1茅以升.中国古桥技术史M.北京：北京出版社，1986. 2孟广德，杨建辉.天堑化通途：中国舟桥器材之沿革J.轻兵器，2012， （18）. 73史宣琳，陈兴兰.国外公路舟桥器材发展现状及展望J.国防交通工程与技术，2009， （4）. 4沈荣钊，周康铮.双体承压舟在经济建设中的应用J.山东交通科技.1993， （3）. 5常健，易家卓，牛涛.外军渡河桥梁装备的发展及对我军的启示J.军事交通学院学报，2014， （6）. 6中国船级社， 钢质内河船舶建造规范 （2016）.
