某河道双体承压舟浮桥结构优化设计分析

李东

（宁波公路市政设计有限公司，浙江 宁波315016）

1 引言

由于泥沙作用，某些河道河床的地形环境十分复杂，建造常规桥梁的难度较大，且建设周期长，建造成本高[1-2]。 为解决此类河道两岸的交通运输问题，承压舟浮桥应运而生，该类型桥梁可适应不同地形变化的河道，可满足在浮态、落滩或者半落滩状态下的正常使用， 同时具备良好的经济效益和社会效益，可缓解非通航区域的交通难题[3-4]。

民用承压舟经过多年发展，先后历经了四代舟型，当前承压舟设计船长和船宽大部分均超过了30 m， 具有很大的储备浮力。 由于承压舟规模越来越大，满载排水量也越来越高，承压舟浮桥的结构强度问题也逐渐凸显， 而承压舟结构强度主要受结构布置的影响， 不同的结构布置情况会产生不同的受力情况，从而影响承压舟的可靠性和安全性[5]。

本文基于前人研究理论和经验，通过横舱壁位置、底封板数量和连接桥跨度3 个参数对双体承压舟的结构布置进行优化设计，以期能为工程实践提供借鉴。

2 工程背景

本项目水面宽约为60 m，河堤内间距约258 m，浮桥总体设计为：钢质单甲板双体承压舟，总长20 m，船宽18 m，型深1.65 m，设计吃水1 m，中间通航为16 m 宽升降连接体（一面各8 m）。为保证浮桥架设的安全性，拟在浮桥上游距桥面中心线120 m 处放钢筋混凝土锚，用锚链同锚碇舟相连，承压舟用钢丝绳同锚碇舟相连，每个锚碇系1 艘承压舟。

3 承压舟结构布置优化方案

本文主要针对上述3 种参数进行了结构优化设计。

横舱壁：共设计4 种横舱壁结构布置方案。 方案A（原设计方案）为5 道横舱壁，在车道正下方布置1 个，并延伸至甲板的横梁面板下方，其余4 个横舱壁左右两侧各2 个；方案B在方案一的基础上，将中间横舱壁向船首、船尾分别移动1 个强框架间距（1 m）；方案C 在方案一的基础上，将中间横舱壁向船中移动1 个强框架间距（1 m）；方案D 将方案一的中间横舱壁改为2 个横舱壁，彼此间隔距离为5 m。

底封板：共设计6 种底封板结构布置方案。 方案一为对照试验组，即不设置底封板；方案二在连接桥首、尾处各设置1块底封板；方案三（原设计方案）在连接桥两侧各布置2 块底封板；方案四在连接桥两侧各布置3 块底封板；方案五在连接桥两侧各布置4 块底封板；方案六在连接桥上均匀布设10 块底封板。

连接桥跨度：方案Ⅰ（原设计方案）连接桥跨度为6 m，分别将其增加至8 m、10 m 和12 m，分别对应方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ。

4 结构布置优化分析

对不同结构布置方案下的主要构件应力进行计算分析，构件包括横舱壁、甲板强横梁、栏杆、船体内舷板、强肋骨。 分析时分为两种工况，一种是汛期桥体处于浮态状态，另一种是枯水期桥体处于半落滩状态。

4.1 横舱壁对受力的影响

横舱壁位置对浮桥不同结构的受力影响规律如图1 所示。 从图1 中可知：横舱壁位置变化对横舱壁处的受力影响最大，当浮桥处于浮态状态时，甲板强横梁处的应力最大，其次为栏杆处，而后依次为船体内舷板处、强肋骨处、横舱壁处。 当浮桥处于半落滩状态时，栏杆处的应力最大，其次为甲板强横梁，然后依次为强肋骨处、横舱壁处、船体内舷板处。 与原设计方案相比，方案B（横舱壁向两侧移动间距1 m）对各结构应力的影响较小，但增加中间舱室的长度后，会降低承压舟整体的抗沉性，方案C（横舱壁向中间移动间距1 m）对横舱壁处的受力有较大的影响，在浮态状态时，比原方案增加了33.6 MPa，在半落滩状态时，相比原方案增加了83 MPa，方案D（将中间横舱壁改为2 个横舱壁）相比原设计方案，横舱壁处的受力会有所增大，且当横舱壁数量增加后，肯定会使承压舟的结构重量增加。 因此，对比各方案对承压舟结构受力的影响，认为原横舱壁布置为最佳设计方案。

图1 横舱壁位置对承压舟结构受力的影响

4.2 底封板对受力的影响

底封板对承压舟结构受力的影响规律如图2 所示。

图2 底封板对承压舟结构受力的影响

从图2 中可知：随着底封板数量的增加，横舱壁的受力呈先减小后增大的变化特征，当底封板数量为6～8（方案四或者方案五）块时，横舱壁的最大应力最小；甲板强横梁、船体内舷板以及强肋骨除的最大应力随底封板数量增加呈先增大后减小的变化特征， 当连接桥上均匀布设10 块底封板 （方案六）时，受力最小；栏杆处的最大受力随底封板数量增加呈逐渐减小的变化特征，当不布设底封板时，栏杆在半落滩状态下的最大受力超过了屈服应力； 合理布设底封板可以有效改善承压舟各结构的受力情况，但是原设计方案（连接桥两侧各布置2块底封板）底封板数量设置明显不足，导致各结构处的应力均较大，对比各底封底板时的受力情况，当底封板数量为8（方案五）块时，各结构处的受力相对更合理。

4.3 连接桥跨度对受力的影响

不同连接桥跨度下承压舟各结构处的受力情况如图3所示。

图3 连接桥跨度对承压舟结构受力的影响

从图3 中可知：当承压舟处于浮态状态时，各结构处的最大受力从大到小依次为甲板强横梁＞栏杆＞船体内舷板＞强肋骨＞横舱壁，当承压舟处于半落滩状态时，最大受力依次为栏杆＞甲板强横梁＞强肋骨＞船体内舷板＞横舱壁； 当承压舟处于浮态状态时，连接桥跨度对结构受力影响较大，随着跨度增大，甲板强横梁、栏杆、船体内舷板、强肋骨4 个结构部位的最大受力逐渐增大，而横舱壁处的最大受力逐渐减小，当承压舟处于半落滩状态时，连接桥跨度对结构受力影响较小，随连接桥跨度增大，结构受力逐渐减小；增加连接桥跨度虽然可能导致浮态状态时结构受力增大，但也可以减少建设成本，增强汛期泄流和河中漂浮物通过的能力，跨度从6 m 增加至12 m后， 各结构最大应力均未超过屈服应力， 满足结构稳定性要求。 因此，在原有设计方案下，可合理增加连接桥的跨度。

5 结语

1）横舱壁位置变化对横舱壁处的受力影响最大，缩短中间横舱壁或者增加中间横舱壁， 均会导致横舱壁处的受力增大，故建议保持原横舱壁设计方案。

2）原设计方案底封板数量明显不足，导致各结构受力均较大，建议将原设计方案两侧底封板由各2 块增加至各4 块。

3）连接桥跨度增大会导致浮态状态时各结构（除横舱壁）受力增大，但均没有超过屈服应力，增加连接桥跨度可以提升汛期泄流和河中漂浮物通过的能力， 建议将原设计6 m 跨度进行适当增加。