基于海上橫向補(bǔ)給場(chǎng)景下的船載橋式過(guò)駁裝置設(shè)計(jì)

◎ 孫斌 王俊杰 劉安堯 李枷橙

1.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院；2.中國(guó)人民解放軍77626部隊(duì)

在海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用中，海洋裝備制造業(yè)肩負(fù)著國(guó)家的戰(zhàn)略性需求，其中有關(guān)海上補(bǔ)給裝置前沿應(yīng)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)進(jìn)一步提高海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用能力，著力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)建設(shè)世界一流的海軍隊(duì)伍，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家的海洋權(quán)益有著重要的戰(zhàn)略意義。本文針對(duì)海上橫向補(bǔ)給場(chǎng)景下自行裝備的過(guò)駁轉(zhuǎn)卸需求，結(jié)合當(dāng)前過(guò)駁滾卸技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)一種船載橋式過(guò)駁裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

1.船載橋式過(guò)駁裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋式過(guò)駁裝置利用過(guò)駁橋跨越滾裝船舶與換乘卸載平臺(tái)之間，構(gòu)成運(yùn)載船舶向換乘卸載平臺(tái)滾裝卸載通道。是一種用于通過(guò)滾裝船舷側(cè)跳板向整體式過(guò)駁卸載平臺(tái)卸載的過(guò)駁裝置。當(dāng)大型滾裝船向過(guò)駁平臺(tái)卸載時(shí)，主要采取過(guò)駁橋（大型運(yùn)輸船尾跳或登陸艦艇首門(mén)跳板）搭接方式實(shí)現(xiàn)海上的過(guò)駁作業(yè)。

1.1 船載橋式過(guò)駁裝置整體結(jié)構(gòu)

本文所討論的船載橋式過(guò)駁裝置結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要尺寸見(jiàn)圖1，通過(guò)固定在甲板上的門(mén)架與兩側(cè)絞盤(pán)完成跳板的收放，利用過(guò)駁跳板連接滾裝船舶與換乘卸載平臺(tái)，構(gòu)成運(yùn)載船舶向換乘卸載平臺(tái)的滾裝卸載通道。

圖1 船載橋式過(guò)駁裝置整體結(jié)構(gòu)圖

參照中國(guó)船級(jí)社下發(fā)指南[1]，將過(guò)駁跳板整體分為兩個(gè)部分（圖2），主跳板由過(guò)駁跳板1和過(guò)駁跳板2通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)剛性連接，副跳板即過(guò)駁跳板3 與主跳板之間通過(guò)限制鉸進(jìn)行連接，主尺寸為16879×4800×1900mm，重約24.25t。

圖2 過(guò)駁跳板設(shè)計(jì)圖

1.2 過(guò)駁跳板1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

過(guò)駁跳板1主尺寸為114917×4800×880mm，為正交異性板梁鋼結(jié)構(gòu)（圖3），由甲板、橫梁、縱梁等構(gòu)件組成，面板厚10mm，主（邊）縱梁為中心高9 0 0 m m，上下翼板厚20mm，腹板厚20mm的變截面鋼板梁結(jié)構(gòu)，中縱梁和橫梁結(jié)構(gòu)為分別采用10×200mm和10×100mm鋼板垂直布置，間距500mm，在主縱梁、中縱梁兩端布置有單、雙耳鉸接接頭。在中、邊縱梁之間布置較密縱骨，其載面為∠125×80×8的角鋼，橫向間距300mm，通過(guò)縱骨、縱梁及橫梁的作用，使得整個(gè)甲板的大部分主要受力區(qū)域的受力骨架網(wǎng)格為300×500mm、425×250mm，達(dá)到分散輪式集中荷載的目的，并將荷載通過(guò)橫梁傳遞給兩側(cè)邊主縱梁，大幅提高過(guò)駁裝置的整體性能。

圖3 過(guò)駁跳板1

1.3 過(guò)駁跳板2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

過(guò)駁跳板2主尺寸為4925×4800×400mm，結(jié)構(gòu)形式與材料選型與過(guò)駁跳板1相同（圖4），調(diào)整主（邊）縱梁為中心高370mm，上翼板厚10mm，下翼板厚20mm，腹板厚10mm的等截面鋼板梁結(jié)構(gòu)。

圖4 過(guò)駁跳板2

1.4 過(guò)駁跳板3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

過(guò)駁跳板3主尺寸為5200×2908×451mm，采用三角門(mén)形鋼結(jié)構(gòu)（圖5），在裝置中起到引橋作用。

圖5 過(guò)駁跳板3

圖6 過(guò)駁跳板受力示意圖

1.5 過(guò)駁跳板液壓油缸設(shè)計(jì)

船載橋式過(guò)駁裝置在使用過(guò)程中，主跳板的液壓油缸受力狀態(tài)也相應(yīng)發(fā)生變化，當(dāng)荷載處于過(guò)駁跳板2下接油缸位置時(shí)壓力最大，選用60t履帶式車輛對(duì)油缸的最大壓力與選型進(jìn)行計(jì)算。

已知G1=132.3kN，G2=47.7kN，G3=588kN,X1=5.75m，X2=12.45m，L1=14.9m。當(dāng)X3=11.5m時(shí)，剛性梁上油缸處出現(xiàn)最大剪力F3=544.74KN，液壓系統(tǒng)壓力取值25MPa，計(jì)算得缸徑為220mm，桿徑110mm的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸可滿足使用要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定油缸行程為370mm。

1.6 起吊設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

門(mén)架高度12.5m，由四根鋼管柱支撐在船體結(jié)構(gòu)上（圖7），立柱采用?600mm，壁厚10mm的鋼管柱。頂梁用于支撐過(guò)駁跳板的提升設(shè)備，水平方向由兩根?400mm，壁厚10mm的鋼管做梁。梁之間由間隔500mm的支撐板加強(qiáng)，面板厚度10mm。在頂梁往下4.2m處，設(shè)置有縱、橫向連系梁，用于增強(qiáng)立柱的穩(wěn)定性，防止失穩(wěn)。連系梁尺寸為?400mm，壁厚10mm。門(mén)架底部固結(jié)于船體內(nèi)部骨架，由于立柱為橫向斜柱，在底部的水平分力較大，對(duì)立柱底部設(shè)置橫向加強(qiáng)桿，以抵消門(mén)架對(duì)于船體的水平力，同時(shí)也保證門(mén)架的穩(wěn)定性。

圖7 門(mén)架

根據(jù)過(guò)駁跳板的作業(yè)形式，在門(mén)架上左右兩側(cè)各安裝一個(gè)絞盤(pán)以實(shí)現(xiàn)過(guò)駁跳板收放的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，過(guò)駁跳板收起過(guò)程中鋼索與垂直夾角最小為47°，此時(shí)鋼索處于最大拉力狀態(tài)，跳板整體中心距離門(mén)架支點(diǎn)水平距離7.6m，跳板重量為24.25t，通過(guò)幾何關(guān)系對(duì)門(mén)架支點(diǎn)鉸鏈?zhǔn)芰τ?jì)算可得鋼索最大拉力F=252.87kN，即在門(mén)架兩側(cè)各安裝一個(gè)15t的絞盤(pán)即可滿足使用要求。

根據(jù)《內(nèi)河載貨汽車滾裝船跳板安全技術(shù)指南》中關(guān)于跳板收放裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，方案中起吊設(shè)備中選用鋼索安全系數(shù)n=104/（0.9W+1910）=4.71，處于合理范圍區(qū)間。

2.船載橋式過(guò)駁裝置強(qiáng)度計(jì)算

2.1 跳板結(jié)構(gòu)主體材料許用應(yīng)力

橋式過(guò)駁裝置用于承載大型車輛，其板厚與骨架的結(jié)構(gòu)與材料選擇標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2009》，主體采用鋼板焊接的結(jié)構(gòu)形式，為降低結(jié)構(gòu)自重同時(shí)保證裝置達(dá)到預(yù)期的承載能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首選輕質(zhì)高強(qiáng)的高強(qiáng)度鋼材。本設(shè)計(jì)選用常用于重型機(jī)械化橋跨結(jié)構(gòu)的DB685鋼材作為過(guò)駁跳板的主體材料，其在一般環(huán)境下進(jìn)行焊接時(shí)無(wú)需預(yù)熱[2]，具備良好的焊接性能，便于跳板結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。由于過(guò)駁裝置屬于臨時(shí)性橋梁，基于橋梁簡(jiǎn)化模型，參考規(guī)范對(duì)鋼材許用應(yīng)力的系數(shù)進(jìn)行取值如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)鋼材許用應(yīng)力

2.2 過(guò)駁跳板1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1截面特性

過(guò)駁跳板1主體跨度為10000mm，重量16t，主要由兩側(cè)高度為900mm，上、下翼板厚度均為20mm，腹板厚20mm的變截面H型鋼承受縱向彎矩。

截面對(duì)中性軸的慣性矩：

上下表面的剖面抗彎模數(shù)為：

W=I/y=415769.3/45=9239.3cm3

參照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》[3]要求，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中剖面抗彎模數(shù)的上限進(jìn)行計(jì)算WM=332×10/0.154=21588.44cm3，抗彎模數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2主梁靜載受力計(jì)算

橋梁自重約24.25t，計(jì)算跨徑為16.88m，不考慮荷載作用的情況下，主梁的受力與變形如下：

2.2.3 60t履帶載作用下單主梁活載受力計(jì)算

計(jì)算工況1：履帶荷載60 t于裝置整體跨中布置，履帶接地長(zhǎng)度c=4.5m，荷載沖擊系數(shù)1+μ=1.14[4]，對(duì)出現(xiàn)在過(guò)駁跳板1上的最大彎矩與最大撓度進(jìn)行計(jì)算。

荷載集度：

q=0.5×60×9.8/4.5=65.3KN/m

最大活載彎矩：

跨中最大彎矩：

梁表面應(yīng)力：

活載撓度：

跨中最大撓度：

參照相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[5]，跨徑小于50m的簡(jiǎn)支型鋼橋許用豎向彈性撓度為[fmax]≤l/120=141mm，最大撓度符合要求。

計(jì)算工況2：60噸履帶荷載于跳板端部布置，計(jì)算跳板最大剪力：

橋端最大活載剪力：

橋端最大剪力：

2.2.4橫梁與主縱梁之間的焊縫強(qiáng)度

履帶荷載4.5m，其下至少有8根橫梁，橫梁高度為2 0 0 m m。因此每根橫梁分配的荷載為6 0/8＝75KN。

通過(guò)計(jì)算，驗(yàn)證橫梁與主縱梁之間的焊縫強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 過(guò)駁跳板2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.3.1截面特性

截面對(duì)中性軸的慣性矩：

截面面積：A=232cm2

剖面抗彎模數(shù)：

2.3.2橋面板活載受力計(jì)算

過(guò)駁跳板2與過(guò)駁跳板3通過(guò)限制鉸形成剛性連接，在對(duì)最不利工況進(jìn)行計(jì)算時(shí)將其視為一根整體的剛性簡(jiǎn)支梁，考慮60t履帶荷載跨中布置和液壓油缸的支撐力P進(jìn)行計(jì)算。

分別對(duì)過(guò)駁跳板整體與過(guò)駁跳板2、3組成的剛性簡(jiǎn)支梁進(jìn)行受力分析，求得單側(cè)液壓油缸的力為P=306.9KN。

跨中最大活載彎矩：

下表面應(yīng)力：

活載撓度：

f活=（8×（qc/2+P）l3-5×q×（c/2）4）/384EL=30.2mm≤[f]=41mm

2.4 門(mén)架結(jié)構(gòu)計(jì)算

過(guò)駁跳板在使用過(guò)程中，鋼索處于放松不受力狀態(tài)，過(guò)駁跳板提升時(shí)門(mén)架通過(guò)鋼索拉力而受力。已知過(guò)駁跳板重量為24.25噸，鋼絲繩最大受力如圖8。

圖8 門(mén)架最大受力狀態(tài)受力分析圖

由圖示幾何關(guān)系可得，門(mén)架最大受力狀態(tài)下鋼索拉力：

門(mén)架主要受力構(gòu)件為鋼管柱，鋼管柱直徑600mm，壁厚10mm，A=18535mm2，截面參數(shù)：

通過(guò)以上計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)方案中各個(gè)模塊在最不利工況下的強(qiáng)度與變形進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，方案中各模塊均滿足使用要求。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文基于當(dāng)前海洋資源深入開(kāi)發(fā)的發(fā)展背景與海上橫向補(bǔ)給作業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)一種船載橋式過(guò)駁裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討與驗(yàn)證，能夠大幅提高車輛等自行裝備的轉(zhuǎn)卸效率，具備操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍要考慮復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，充分計(jì)量海浪、海風(fēng)以及其他因素在橋式過(guò)駁裝置使用過(guò)程中造成的不利影響，必要時(shí)可在設(shè)計(jì)階段提高各模塊的安全系數(shù)或其他有效方式來(lái)提高裝置的通載性能，確保所設(shè)計(jì)的裝置能夠滿足使用需求。