王 武,彭善輝,徐昭偉
(舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司,浙江 舟山 316101)
船用車輛跳板是客滾船、甲板貨駁等船舶實(shí)現(xiàn)其車輛運(yùn)輸、車輛裝卸貨等功能的重要設(shè)備,是船舶與碼頭鏈接的臨時(shí)橋梁,多見(jiàn)于各類具有車輛運(yùn)輸功能的船舶,尤其是滾裝船[1]。車輛跳板按照位置基本分為船艏跳板、舷側(cè)跳板與船艉跳板。一般船用車輛跳板由跳板面板、橫向骨材、縱向骨材,鉸鏈耳板、鉸鏈軸等組成[2]。在設(shè)計(jì)研究過(guò)程中進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算研究,不僅可以確保其使用安全性,還可以適當(dāng)節(jié)約設(shè)計(jì)制造成本,但是目前研究車輛跳板強(qiáng)度的文獻(xiàn)較少。本文以甲板運(yùn)輸船位于艏部的車輛跳板為例,結(jié)合中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的兩種不同規(guī)范對(duì)車輛跳板強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,從而驗(yàn)證車輛跳板強(qiáng)度計(jì)算方法的合理性。
本文所載車輛采用標(biāo)準(zhǔn)貨車。算例的車輛總重量(標(biāo)準(zhǔn)載重+自重)為300 kN,輪距為1.8 m,軸距:前輪與中輪為4.0 m,中輪與后輪為1.4 m。作為算例的車輛車輪相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
根據(jù)車輛信息,繪制所載車輛負(fù)荷簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
作為算例的車輛跳板的側(cè)視圖見(jiàn)圖2。
該車輛跳板一端用鉸鏈連接在船端部,另一端直接擱在碼頭引橋上。跳板寬度為7 000 mm,長(zhǎng)度為8 000 mm(考慮到?jīng)_灘放置300 mm,扣除該長(zhǎng)度余量后,計(jì)算長(zhǎng)度為7 700 mm),坡度為0.1。該車輛跳板的俯視圖見(jiàn)圖3。
圖1 所載車輛負(fù)荷簡(jiǎn)圖
圖3中,縱骨跨距l(xiāng)=600 mm;縱骨間距s=500 mm;跳板自重G=153.0 kN,由15根縱梁支承,則每根縱梁平均受力為Q=G/15=10.2 kN。
車輛跳板厚度t根據(jù) 《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范(2014)》計(jì)算如下:
式中:P為輪印壓力,P=60 kN;C為系數(shù),C=0.906;K為系數(shù),K=3.89。
經(jīng)計(jì)算,t=10.22 mm。
最終車輛跳板厚度為12 mm,材料選用CCS-A。
圖2 船用車輛跳板側(cè)視圖(單位:mm)
圖3 船用車輛跳板俯視圖(單位:mm)
《海船規(guī)范》第2篇第9章第6節(jié)提供了關(guān)于車輛跳板強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。
2.1.1 跳板自身重力產(chǎn)生的彎矩
包括跳板自重、所載車輛載荷在內(nèi)的總載荷為:
∑P=G+PC
式中:G為跳板自重,G=153.0 kN;PC為作用在跳板上的靜載荷,PC=300 kN。
經(jīng)計(jì)算,∑P=453.0 kN。
設(shè)計(jì)時(shí),縱梁取連續(xù)梁,橫梁以縱梁的間距為支點(diǎn)跨距。計(jì)算時(shí)將車輛跳板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。
車輛跳板由其自重引起的受力及彎矩圖見(jiàn)圖4。圖中,Mmax1為跳板自重產(chǎn)生的最大彎矩,Mmax1=10.2 kN·m。
2.1.2 跳板上車輛產(chǎn)生的彎矩
根據(jù)法國(guó)BV船級(jí)社《船舶入級(jí)規(guī)范和規(guī)則》(1996)第四分冊(cè)規(guī)定:當(dāng)前、中、后輪(組)同時(shí)作用于跳板時(shí),在跳板上最大力傳遞系數(shù)C= 0.38,則有各輪(組)對(duì)車輛跳板的作用力如下(考慮風(fēng)浪載荷去10%余量):
前輪作用力P1=12.54 kN,中輪、后輪作用力P2=25.08 kN。
圖4 基于《海船規(guī)范》的船用車輛跳板自重受力及彎矩圖
考慮到?jīng)_灘放置300 mm,扣除該長(zhǎng)度余量后,總長(zhǎng)度為7 700 mm,車輛跳板由裝載車輛引起的受力及彎矩圖見(jiàn)圖5。
圖5 基于《海船規(guī)范》的船用車輛跳板裝載車輛受力及彎矩圖
所載車輛產(chǎn)生的最大彎矩為:
Mmax2=78.6 kN·m
2.1.3 跳板型材選取
式中:[σ]為許用彎曲應(yīng)力,[σ] =141 MPa。
經(jīng)計(jì)算,W=629.8 cm3。
中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《起重規(guī)范》[4]第3章提供了關(guān)于車輛跳板強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。
2.2.1 跳板上總載荷產(chǎn)生的彎矩
根據(jù)《起重規(guī)范》,車輛跳板載荷計(jì)算分為三種工況:放下?tīng)顟B(tài)、放置狀態(tài)和操縱狀態(tài),其中車輛跳板處于放下?tīng)顟B(tài)時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力最大。
放下工況中包括跳板自重、所載車輛載荷以及其他可能載荷在內(nèi)的總載荷為:
∑P=G+1.1PC+Ph1+Ph2+Ph3
式中:Ph1為船舶橫傾5°時(shí)的水平力,Ph1=39.5 kN;Ph2為船舶縱傾2°時(shí)的水平力,Ph2=15.8 kN;Ph3為由跳板角度引起的載荷,Ph3=29.9 kN。
經(jīng)計(jì)算,∑P=568.2 kN。
在放下工況下,仍考慮由15根縱梁支承,當(dāng)總載荷集中于車輛跳板正中時(shí)構(gòu)件受力最大。考慮到?jīng)_灘放置300 mm,扣除該長(zhǎng)度余量后,總長(zhǎng)度L2=7 700 mm,船用車輛跳板在總載荷下的受力F=37.9 kN。車輛跳板所受最大彎矩Mmax為73.0 kN·m。
2.2.2 跳板型材選取
扣除2 mm腐蝕余量后,其實(shí)際剖面模數(shù)W′=632.7 cm3,滿足《起重規(guī)范》要求。
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,兩種計(jì)算結(jié)果的主要差異點(diǎn)見(jiàn)表2。
表2 《海船規(guī)范》和《起重規(guī)范》計(jì)算結(jié)果比較
基于上述計(jì)算結(jié)果顯示,《海船規(guī)范》與《起重規(guī)范》對(duì)船用車輛跳板強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法略有差異,差異如下:
(1)對(duì)跳板自重與外加載荷(所載車輛)的處理
《海船規(guī)范》將車輛跳板所受載荷分為跳板自重與外加載荷(所載車輛),對(duì)兩種載荷的處理方法不同:跳板自重所引起的載荷分布采用了經(jīng)典的簡(jiǎn)支梁模型;將所載車輛引起的載荷近似依據(jù)輪印位置做近似處理。但《海船規(guī)范》缺乏對(duì)除跳板自重與所載車輛之外其他可能載荷的考量?!镀鹬匾?guī)范》不區(qū)分跳板自重與外加載荷的真實(shí)分布情況,將兩種載荷簡(jiǎn)化為統(tǒng)一作用于簡(jiǎn)支梁中點(diǎn)的載荷。但是,除了該兩種載荷外,《起重規(guī)范》對(duì)其他載荷的種類考慮較全面。
(2)對(duì)船舶浮態(tài)的考慮
《海船規(guī)范》的計(jì)算過(guò)程均基于船舶處于正浮的假定,并未考慮船舶可能傾斜的情形;《起重規(guī)范》的計(jì)算過(guò)程中包括了對(duì)船舶橫傾5°與縱傾2°兩種傾斜狀態(tài)的考慮。
(3)對(duì)工況的選取
《海船規(guī)范》的計(jì)算僅針對(duì)車輛跳板的放置狀態(tài);《起重規(guī)范》對(duì)車輛跳板的三種工況(放下?tīng)顟B(tài)、放置狀態(tài)和操縱狀態(tài))均有相應(yīng)計(jì)算方式。但車輛跳板的放下?tīng)顟B(tài)為三種工況中外加載荷最大的情形,對(duì)車輛跳板的強(qiáng)度要求最高,若強(qiáng)度已滿足放下?tīng)顟B(tài)的需求,則不需要計(jì)算放置狀態(tài)和操縱狀態(tài)的強(qiáng)度。
(4)計(jì)算結(jié)果的安全性(保守程度)
對(duì)于總載荷,《海船規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果顯著低于《起重規(guī)范》;對(duì)于最大彎矩,《海船規(guī)范》與《起重規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果差異較??;對(duì)于所需剖面模數(shù),《海船規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果顯著高于《起重規(guī)范》。《海船規(guī)范》對(duì)于細(xì)節(jié)的處理較為保守,但《起重規(guī)范》對(duì)情形的考量更為全面。
(1)《起重規(guī)范》對(duì)跳板上各載荷的種類、跳板工作時(shí)船舶浮態(tài)、工況選取等考慮得較為全面。《海船規(guī)范》對(duì)跳板上車輛引起的載荷的分布處理更加接近實(shí)際。
(2)基于四個(gè)方面(載荷的處理、船舶浮態(tài)的考量、工況的選取、計(jì)算結(jié)果的安全性)的比較,這兩種規(guī)范具有各自的優(yōu)勢(shì),故建議:在計(jì)算車輛跳板強(qiáng)度時(shí),計(jì)算的總過(guò)程可采用《起重規(guī)范》;對(duì)模擬所載車輛引起的載荷可采用《海船規(guī)范》,但也應(yīng)充分考慮船舶具體可能載況。