双体承压舟结构直接计算

黄平，熊康，赵庆亮，裴志勇，吴卫国

摘 要：承压舟浮桥是由多个带外伸结构的双体船，通过支耳铰接相连组成，其对黄河流域的经济发展有着良好的促进作用。承压舟浮桥在营运时，通行桥面在车辆载荷作用下，呈复杂的弯扭组合状态，为确保其结构安全可靠工作，需进行结构强度直接计算。本文对一典型双体承压舟建立三船体计算模型，采用多点约束模拟支耳铰接，施加六种典型弯扭组合载荷工况，对双体承压舟浮桥进行了结构强度直接计算分析，根据计算结果调整结构设计方案，以保证结构安全可靠。

关键词：双体承压舟;结构强度;直接计算;弯扭载荷

中图分类号：U663            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）11-0082-03

1 研究背景

承压舟浮桥作为我国首创的民用舟桥装备，其建造周期短，易拆卸，经济性好，在水位、泥沙冲淤变化大的水域中有着较强的适用性。在黄河中下游水域，河道地势复杂，淤沙较多，易形成浅滩，很难架设其他类型的跨河浮桥，而承压舟浮桥在漂浮状态和落滩及半落滩状态下都能正常使用，并且可通过改变承压舟结构尺寸的方法来适应建造地区的河床特点。因此，承压舟浮桥在这类通航受限、跨河需求较大的水域得到了广泛应用，大力促进了当地的经济发展[1]。

自1985年发展至今，承压舟已有30余年的发展历史。从第一代的“85式双体承压舟”，到如今的第四代“千吨级双向四车道承压舟”，承压舟的建造技术不断发展完善;随着社会重载车辆通行需求的急剧增加，其建造要求越来越高，设计要点也由最开始的“承载浮力、重载单向通行控制”转变为 “通载性能、重载双向通行主动安全”，形成了适用于当代承压舟浮桥的三大技术特征--通载性能高、安全防护性能强、设计载荷大[2]。

承压舟浮桥由多个带舷伸结构的双体船通过支耳铰接相连而成。在设计初期，与承压舟相关的建造规范尚不存在，并且承压舟单船体与双体船相似，承压舟的结构强度计算基本是根据钢制内河双体船船体结构直接计算要求进行的;但是承压舟与常规的双体船相比又有很大的不同之处，主要体现在两个方面：在承压舟工作时，除了传统的漂浮状态以外，还有部分片体是处于落滩状态;承压舟一般静浮于水面上，其受到的波浪载荷较小，主要的外载荷为车辆行进的动载荷、浮力和地基支持力。此外，承压舟多船体之间的相互作用也是不可忽略的[3]。综上所述，这种参照内河船舶建造规范来设计承压舟浮桥的做法是有所欠缺的，因此需要通过有限元直接计算的方法来评估承压舟浮桥的结构强度。本文以一条典型的双体承压舟浮桥为研究对象，采用MSC.Patran软件建立三船体结构有限元计算模型，板格和高腹板梁的腹板采用板单元模拟，筋和高腹板梁的翼板采用梁单元模拟，支耳铰接采用多点约束模拟，参照《山东省钢质内河浮桥承压舟建造规范》中定义的六种典型弯扭载荷工况施加载荷，进行了双体承压舟浮桥结构强度直接计算分析，对其应力分布状况展开研究，根据计算结果调整结构设计方案，以保证承压舟浮桥结构安全可靠。

2 计算模型及工况

2.1计算模型

本文的研究对象为一条双体承压舟浮桥，单船体主尺度参数如表1所示。为反映承压舟浮桥的实际工作状况，建立三船体结构计算模型（如图1所示），对承压舟浮桥结构强度进行计算分析。

表1  单船体承压舟主尺度

有限元计算模型包括三个船体，所有板格和高腹板梁的腹板均采用板单元模拟，筋和高腹板梁的翼板采用梁单元模拟，支耳铰接采用多点约束模拟。中部双向车道的车辆通行区域为主要计算校核区域，采用较细网格，大小为333.33mm;其他区域网格大小为500mm，该有限元计算模型共有64，842个节点，119，544个单元。

2.2计算工况

承压舟浮桥使用时，主要承受车道上来往车辆的动载荷及船底部的浮力作用（静浮状态）或地基支持力（落滩状态）。由于车辆的行进方向是在承压舟的宽度方向，车辆在移动时，承压舟浮桥的各个位置会受到横向弯矩、横向扭矩以及弯扭联合的作用，结合实际使用情况，同时参照《山东省钢质内河浮桥承压舟建造规范》（DB37/T 3487-2019）的规定，结构强度直接计算时定义了六种典型工况，代表着承压舟浮桥工作时的最危险工况。

工况1，两个重型挂车的后部重载车轮位于浮态承压舟的连接桥上，此时浮态承压舟连接桥承受较大的横弯载荷;

工况2，两个重型挂车后部重载车轮位于浮态承压舟的连接桥一侧片体上，此时浮态承压舟连接桥承受较大的横弯载荷;

工况3，两个重型挂车呈中心对称方式，分别位于浮态承压舟的连接桥两侧片体上，且后部重载车轮靠近外伸舷，此时浮态承压舟连接桥承受较大的横扭载荷;

工况4，两个重型挂车前、后部车轮分别位于浮态承压舟的连接桥结构的两侧片体上，此时浮态承压舟连接桥承受较大的横弯横扭载荷;

工况5，两个重型挂车的轮集中于半落滩承压舟的连接桥和浮态片体上，此时半落滩承压舟连接桥承受较大的横弯横扭载荷;

工况6，两个重型挂车的后部重载车轮集中于半落滩承压舟的浮态片体上，此时半落滩承压舟连接桥承受较大的横弯载荷。典型载荷工况1的加载示意图如图2所示。

考虑到车辆载荷主要是通过车轮作用到承压舟甲板上，且作用面积相对较小，因此在计算时，将车辆载荷以节点力的形式施加到甲板上，同时考虑1.2倍的动载荷系数来模拟动载荷效应。此外，承压舟工作时所受到的浮力，等效为线性弹簧点单元，施加于各片体底部（落滩片体除外）。

3 计算结果及分析

工况1最大应力为128MPa，位于连接桥强横梁与横舱壁相连的角隅处;

工况2最大应力为159MPa，位于外伸舷甲板强横梁;

工况3最大应力为144MPa，出现在连接桥强横梁与横舱壁相连的角隅处;

工况4最大应力为140MPa，位于连接桥甲板强横梁;

工况5最大应力为103MPa，位于连接桥强横梁与横舱壁连接的角隅处;

工况6最大应力为97.2MPa，位于连接桥甲板强横梁边缘。该双体承压舟浮桥在六种典型最不利工况下的最大应力值均未超过相应的许用应力，满足结构强度要求。

工况1中，两重载车后轮作用于连接桥的两侧，此时连接桥受到較大的横弯载荷作用，连接桥中部的强横梁与片体横舱壁相连，强横梁板厚相对于横舱壁较小，因此在横梁与舱壁连接的角隅处应力集中较大，最大应力为128MPa，未超过连接桥甲板强横梁面板的许用应力值176MPa，满足结构强度计算要求，应力分布如图3所示。

4 结论

本文以一条双体承压舟浮桥为研究对象，参照《山东省钢质内河浮桥承压舟建造规范》定义的六种典型载荷工况，对其进行了结构强度直接计算分析，以获得合理可靠的结构设计方案。

（1）该承压舟浮桥在设计载况下（双向通行轴重最大13.8t、总重不超过72.6t的大载重挂车），各典型计算工况下的最大应力均不超过许用应力，满足结构强度要求。

（2）该承压舟浮桥各工况下的最大应力值，主要集中于连接桥中部的强横梁或舟体中部的横舱壁上，为保证承压舟浮桥能够长期安全可靠使用，可对这些高应力区域进行适当的加强。

参考文献：

[1]赵庆亮，郑培培，裴志勇.承压舟浮桥许用V型坡度研究[J].中国水运，2016，12（37）：49-51.

[2]赵庆亮.承压舟发展历史沿革与千吨级双向四车道承压舟技术性能[J].中国水运，2016，6（16）：9-11.

[3]郑培培，裴志勇等.承压舟浮桥结构强度直接计算研究[J].武汉理工大学学报，2017，3（41）：517-522.

[4]中国船级社，《钢质内河船舶建造规范》（2016）.

[5]济南船舶检验局，《山东省钢质内河浮桥承压舟建造规范》（2019）.