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南京長江三橋導向船的有限元分析

發布於:2019-02-07 15:06
有限元分析

      南京長江三橋是國家“十五”期間重點建設項目,也是江蘇省規劃建設的五大戰略性過江通道之一。該橋建設條件複雜,技術標準高,施工難度大,特別是人字弧形鋼質塔柱及大型啞鈴形索塔基礎(84000X29000)的采用,在國內尚屬首次。由於三橋南塔所在的位置水深流急,為了保證施工精度和進度,其塔基施工定位采用了鋼套箱+導向船係統,即鋼套箱由導向船來定位,並作為塔基施工的作業平台。因此對導向船的強度(包括總縱強度、橫向強度、扭轉強度等)以及變形提出了較高的要求,需要對其進行有限元分析。
      根據橋塔基礎施工的需要,導向船由四隻甲板駁通過兩道縱向聯接杆係和四組橫向聯接杆係所組成的特殊水上建築物(四體船),如圖所示。其首尾及外舷設有交錯的錨泊係統,中部開口則用於鋼套箱的定位。同時導向船用作作業平台,並在甲板上對角布置兩台塔吊。由於縱向杆件比橫向杆件強得多,為了便於分析計算,將縱向聯結的兩艘駁船視為雙體船的一片體,其主要要素如下:從橋塔基礎施工的過程和導向船所處的環境來分析,導向船受力較為複雜,主要有自身重力(包括杆係的重量)、水的浮力、錨索的作用力(水流力)、波浪力、塔吊工作力矩、鋼套箱的擠壓及摩擦力等的作用。分析導向船在各項荷載,確定最危險的荷載組合,計算導向船在計算工況下的應力水平、強度及穩定性問題。
      對雙體船而言,一般其總縱強度顯得不太重要。考慮到本船片體的特殊性,必須考慮靜水彎矩、波浪彎矩以及其它荷載對片體的作用。(1)靜水彎矩、波浪彎矩靜水彎矩根據全船的重量和浮力分布求得。確定片體浮力時,首先要利用甲板駁的靜水力資料和片體總重來確定導向船的吃水。波浪荷載由坦穀波理論進行計算,坦穀波波麵到波軸線垂向坐標為:理論與實驗結果都證明:船舶處在迎浪狀態下,其最危險工況為中垂(工況一)或中拱(工況二)狀態。考慮到本船中段(縱向杆係)不提供浮力,危險工況有可能為:波峰位於片體的兩駁船的船腫(工況三)或波穀位於片體的兩駁船的船腫(工況四)。計算結果見圖。各工況下的靜水彎矩、波浪彎矩、靜水彎矩與波浪彎矩的合成彎矩在距船腫20400mm,剖麵1) 27000mm剖麵2)處最大。(2)作用於導向船的其它荷載,塔吊工作產生的載荷塔吊工作時對片體產生縱向扭矩和縱向彎矩的共同作用。根據塔吊的布置位置及其起重能力,可以計算出作用在一片體上的最大扭矩和最大彎矩。定位船的縱向拉力由南京三橋指揮部提供的施工組織方案,定位船對導向船的縱向拉力包括鋼套箱的水阻力R1、鋼套箱的風阻力R2、導向船組的水阻力R3,導向船組的風阻力R4、聯結梁及塔吊的風阻力R5,鋼護筒水阻力R6。要說明的是,每個啞鈴形鋼套箱上有8根鋼護筒(見圖5中陰影部分),而鋼護筒所受到的水的阻.導向船與鋼套箱之間的摩擦力導向船與鋼套箱之間相對運動產生的摩擦力對船體的作用有兩個:片體的橫傾、片體的升沉。片體的橫傾產生的力矩由橫向聯結橋來承受;片體的升沉相當於在船體的相應區域施加了一個垂向的力,從而導致彎矩沿全船的變化。
      由圖可知甲板駁上的剖麵1和剖麵2上的靜水彎矩和波浪彎矩最大。結合甲板駁的剖麵特性,船體構件應力如表所示。由表知,靜水應力:6Smax-25.6MPa,80MPa;靜水與波浪的合成應力:6Cmax-110.9MPa-118MPa;滿足《鋼質內河船舶入級與建造規範》02002的要求,但合成應力裕度很小。導向船縱向聯結梁,承受荷載由靜水彎矩M1、考慮鋼套箱與船體相互作用時的靜水彎矩M2、波浪彎矩M3、縱向拉力引起的彎矩(M4-8604kNm、塔吊工作產生的彎矩(M-1176kNm)及縱向聯結梁自重產生的彎矩(M6-635.5kNm)。塔吊產生的扭矩及船舶在斜浪中的扭矩由橫向聯結梁來承受(見2.3節)。杆件通過拉、壓來承受作用於縱向聯結梁上的彎矩、軸向力,彎矩使得其截麵上的軸向變形沿截麵呈線性關係,最大應力在離截麵形心軸最遠處(頂層或底層杆件)。取縱向聯結杆件的跨中為計算剖麵,對頂層和底層連接杆進行應力的分析計算。



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