船用车辆跳板强度的计算方法

王 武，彭善辉，徐昭伟

(舟山万达船舶设计有限公司，浙江 舟山 316101)

0 引言

船用车辆跳板是客滚船、甲板货驳等船舶实现其车辆运输、车辆装卸货等功能的重要设备，是船舶与码头链接的临时桥梁，多见于各类具有车辆运输功能的船舶，尤其是滚装船[1]。车辆跳板按照位置基本分为船艏跳板、舷侧跳板与船艉跳板。一般船用车辆跳板由跳板面板、横向骨材、纵向骨材，铰链耳板、铰链轴等组成[2]。在设计研究过程中进行正确的结构强度计算研究，不仅可以确保其使用安全性，还可以适当节约设计制造成本，但是目前研究车辆跳板强度的文献较少。本文以甲板运输船位于艏部的车辆跳板为例，结合中国船级社发布的两种不同规范对车辆跳板强度进行计算，从而验证车辆跳板强度计算方法的合理性。

1 船用车辆跳板强度计算实例

1.1 所载车辆信息

本文所载车辆采用标准货车。算例的车辆总重量(标准载重+自重)为300 kN，轮距为1.8 m，轴距：前轮与中轮为4.0 m，中轮与后轮为1.4 m。作为算例的车辆车轮相关参数见表1。

根据车辆信息，绘制所载车辆负荷简图见图1。

1.2 船用车辆跳板信息

作为算例的车辆跳板的侧视图见图2。

该车辆跳板一端用铰链连接在船端部，另一端直接搁在码头引桥上。跳板宽度为7 000 mm，长度为8 000 mm(考虑到冲滩放置300 mm，扣除该长度余量后，计算长度为7 700 mm)，坡度为0.1。该车辆跳板的俯视图见图3。

图1 所载车辆负荷简图

图3中，纵骨跨距l=600 mm；纵骨间距s=500 mm；跳板自重G=153.0 kN，由15根纵梁支承，则每根纵梁平均受力为Q=G/15=10.2 kN。

车辆跳板厚度t根据 《国内航行海船建造规范(2014)》计算如下：

式中：P为轮印压力，P=60 kN；C为系数，C=0.906；K为系数，K=3.89。

经计算，t=10.22 mm。

最终车辆跳板厚度为12 mm，材料选用CCS-A。

图2 船用车辆跳板侧视图(单位：mm)

图3 船用车辆跳板俯视图(单位：mm)

2 强度计算依据

2.1 基于《海船规范》计算

《海船规范》第2篇第9章第6节提供了关于车辆跳板强度的经验计算方法。

2.1.1 跳板自身重力产生的弯矩

包括跳板自重、所载车辆载荷在内的总载荷为：

∑P=G+PC

式中：G为跳板自重，G=153.0 kN；PC为作用在跳板上的静载荷，PC=300 kN。

经计算，∑P=453.0 kN。

设计时，纵梁取连续梁，横梁以纵梁的间距为支点跨距。计算时将车辆跳板简化为简支梁。

车辆跳板由其自重引起的受力及弯矩图见图4。图中，Mmax1为跳板自重产生的最大弯矩，Mmax1=10.2 kN·m。

2.1.2 跳板上车辆产生的弯矩

根据法国BV船级社《船舶入级规范和规则》(1996)第四分册规定：当前、中、后轮(组)同时作用于跳板时，在跳板上最大力传递系数C= 0.38，则有各轮(组)对车辆跳板的作用力如下(考虑风浪载荷去10%余量)：

前轮作用力P1=12.54 kN，中轮、后轮作用力P2=25.08 kN。

图4 基于《海船规范》的船用车辆跳板自重受力及弯矩图

考虑到冲滩放置300 mm，扣除该长度余量后，总长度为7 700 mm，车辆跳板由装载车辆引起的受力及弯矩图见图5。

图5 基于《海船规范》的船用车辆跳板装载车辆受力及弯矩图

所载车辆产生的最大弯矩为：

Mmax2=78.6 kN·m

2.1.3 跳板型材选取

式中：[σ]为许用弯曲应力，[σ] =141 MPa。

经计算，W=629.8 cm3。

2.2 基于《起重规范》计算

中国船级社发布的《起重规范》[4]第3章提供了关于车辆跳板强度的经验计算方法。

2.2.1 跳板上总载荷产生的弯矩

根据《起重规范》，车辆跳板载荷计算分为三种工况：放下状态、放置状态和操纵状态，其中车辆跳板处于放下状态时，结构构件受力最大。

放下工况中包括跳板自重、所载车辆载荷以及其他可能载荷在内的总载荷为：

∑P=G+1.1PC+Ph1+Ph2+Ph3

式中：Ph1为船舶横倾5°时的水平力，Ph1=39.5 kN；Ph2为船舶纵倾2°时的水平力，Ph2=15.8 kN；Ph3为由跳板角度引起的载荷，Ph3=29.9 kN。

经计算，∑P=568.2 kN。

在放下工况下，仍考虑由15根纵梁支承，当总载荷集中于车辆跳板正中时构件受力最大。考虑到冲滩放置300 mm，扣除该长度余量后，总长度L2=7 700 mm，船用车辆跳板在总载荷下的受力F=37.9 kN。车辆跳板所受最大弯矩Mmax为73.0 kN·m。

2.2.2 跳板型材选取

扣除2 mm腐蚀余量后，其实际剖面模数W′=632.7 cm3，满足《起重规范》要求。

2.3 计算结果比较

根据上述计算结果，两种计算结果的主要差异点见表2。

表2 《海船规范》和《起重规范》计算结果比较

3 分析

基于上述计算结果显示，《海船规范》与《起重规范》对船用车辆跳板强度的经验计算方法略有差异，差异如下：

(1)对跳板自重与外加载荷(所载车辆)的处理

《海船规范》将车辆跳板所受载荷分为跳板自重与外加载荷(所载车辆)，对两种载荷的处理方法不同：跳板自重所引起的载荷分布采用了经典的简支梁模型；将所载车辆引起的载荷近似依据轮印位置做近似处理。但《海船规范》缺乏对除跳板自重与所载车辆之外其他可能载荷的考量。《起重规范》不区分跳板自重与外加载荷的真实分布情况，将两种载荷简化为统一作用于简支梁中点的载荷。但是，除了该两种载荷外，《起重规范》对其他载荷的种类考虑较全面。

(2)对船舶浮态的考虑

《海船规范》的计算过程均基于船舶处于正浮的假定，并未考虑船舶可能倾斜的情形；《起重规范》的计算过程中包括了对船舶横倾5°与纵倾2°两种倾斜状态的考虑。

(3)对工况的选取

《海船规范》的计算仅针对车辆跳板的放置状态；《起重规范》对车辆跳板的三种工况(放下状态、放置状态和操纵状态)均有相应计算方式。但车辆跳板的放下状态为三种工况中外加载荷最大的情形，对车辆跳板的强度要求最高，若强度已满足放下状态的需求，则不需要计算放置状态和操纵状态的强度。

(4)计算结果的安全性(保守程度)

对于总载荷，《海船规范》的计算结果显著低于《起重规范》；对于最大弯矩，《海船规范》与《起重规范》的计算结果差异较小；对于所需剖面模数，《海船规范》的计算结果显著高于《起重规范》。《海船规范》对于细节的处理较为保守，但《起重规范》对情形的考量更为全面。

4 结论

(1)《起重规范》对跳板上各载荷的种类、跳板工作时船舶浮态、工况选取等考虑得较为全面。《海船规范》对跳板上车辆引起的载荷的分布处理更加接近实际。

(2)基于四个方面(载荷的处理、船舶浮态的考量、工况的选取、计算结果的安全性)的比较，这两种规范具有各自的优势，故建议：在计算车辆跳板强度时，计算的总过程可采用《起重规范》；对模拟所载车辆引起的载荷可采用《海船规范》，但也应充分考虑船舶具体可能载况。