車客渡船跳板應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量方法研究

于大慶，邵 亮

(1.鎮(zhèn)江市振興海洋船舶重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.鎮(zhèn)江市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212103)

0 引言

車客渡船是車輛過江、過海的主要交通工具，目前在內(nèi)河和海上得到了廣泛的應(yīng)用。車客渡船主跳板作為船上的重要結(jié)構(gòu)，長時(shí)間遭受車輛上下船的沖擊，其強(qiáng)度對(duì)整個(gè)車客渡船強(qiáng)度影響很大，因此，必須保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

由于國內(nèi)某些渡口碼頭縱坡不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使得車客渡船跳板長度不夠，導(dǎo)致一些車輛上下車客渡船跳板時(shí)發(fā)生刮蹭車尾的現(xiàn)象而影響安全行駛，為此國內(nèi)學(xué)者對(duì)跳板結(jié)構(gòu)作出了一些研究。黃毅提出了限制跳板最小設(shè)計(jì)長度的確定性方法[1]。朱志宏[2]對(duì)影響線性法進(jìn)行了擴(kuò)展，使其在計(jì)算車客渡船主梁強(qiáng)度時(shí)更加準(zhǔn)確。邵學(xué)祥等[3]在分析長江沿線車客渡船跳板特點(diǎn)和問題的基礎(chǔ)上，對(duì)跳板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件進(jìn)行核算。

綜上，雖然一些專家學(xué)者對(duì)渡船跳板的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，但是絕大部分均局限在簡(jiǎn)單的理論研究和有限元計(jì)算分析，為此，本文以南京板橋28車車客渡船為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)船跳板試驗(yàn)，以保證渡船上車輛及行人的安全。

1 跳板應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境及工況

1.1 選取測(cè)試跳板

本次跳板現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的選址為南京市板橋汽渡。在“板橋1號(hào)”至“板橋6號(hào)”共6艘車客渡船上隨機(jī)抽取1塊主跳板進(jìn)行實(shí)地跳板負(fù)荷試驗(yàn)。該跳板結(jié)構(gòu)由平板和各種加強(qiáng)構(gòu)件組成，其主要參數(shù)為：跳板總長9 500 mm，跳板尾邊長12 800 mm，跳板首邊長7 960 mm，材質(zhì)AH36。

1.2 跳板負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)試過程

跳板應(yīng)在最不利的設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行試驗(yàn)，且跳板、所有控制系統(tǒng)與安全系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。進(jìn)行跳板負(fù)荷試驗(yàn)過程如下：

(1)跳板在無載荷情況下，操縱運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)完整的工作循環(huán)。

(2)折疊跳板在收放過程中處于最不利位置時(shí)，利用液壓油缸使跳板停在該位置。

(3)跳板在放置狀態(tài)下按設(shè)計(jì)工況進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)荷可以是載重汽車，其重量誤差應(yīng)在2%以內(nèi)。

(4)跳板在各設(shè)計(jì)工況下的試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不小于5 min，同時(shí)測(cè)量跳板的最大變形。

(5)在試驗(yàn)中，如發(fā)現(xiàn)跳板不符合規(guī)定或技術(shù)狀況不良時(shí)，應(yīng)停止試驗(yàn)。

(6)負(fù)荷試驗(yàn)完成后，跳板在無載荷情況下，操縱運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)完整的工作循環(huán)。

(7)負(fù)荷試驗(yàn)完成后，全面檢查跳板是否有變形情況及其他缺陷。

1.3 測(cè)試工況

本次測(cè)試包括5個(gè)工況，具體見表1。

1.4 變形測(cè)量的方法及設(shè)備

本次變形測(cè)量的方法為后方交會(huì)法。后方交會(huì)是指僅在待定點(diǎn)上設(shè)站，向3個(gè)以上的已知控制點(diǎn)觀測(cè)水平夾角，從而計(jì)算待定點(diǎn)的坐標(biāo)。交會(huì)測(cè)量是加密控制點(diǎn)常用的方法，它可以在數(shù)個(gè)已知控制點(diǎn)上設(shè)站，分別觀測(cè)待定點(diǎn)的方向和距離；也可以在待定點(diǎn)上設(shè)站，觀測(cè)數(shù)個(gè)已知控制點(diǎn)的方向和距離，而后計(jì)算待定點(diǎn)的坐標(biāo)[4]。本試驗(yàn)利用萊卡TCRP1201+R400型高精度全站儀對(duì)圖1布置在跳板上表面的A、B、C、D、E、F、G、H等8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形測(cè)量。

表1 測(cè)試工況表

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

本次測(cè)量時(shí)，在岸上選擇穩(wěn)定可靠、且振動(dòng)較小處設(shè)置4個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)，并在適當(dāng)位置選取測(cè)站，架設(shè)儀器，通過設(shè)置方位角模式對(duì)控制點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。首先,對(duì)空載條件下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的原始坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。在加載測(cè)試時(shí)可以利用預(yù)先設(shè)置的測(cè)量控制點(diǎn)，采用后方交會(huì)“赫爾默特”模式，以控制點(diǎn)建立坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)自由設(shè)站。全站儀可離開空載測(cè)試測(cè)點(diǎn)原始坐標(biāo)時(shí)的位置，重新架設(shè)儀器以便對(duì)盡可能多的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，解決測(cè)試車輛遮擋測(cè)量棱鏡的問題[5-7]。然后，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)在各加載工況下的坐標(biāo)與原始坐標(biāo)的差值，利用F、G、H等測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)差值進(jìn)行修正，從而得到各測(cè)點(diǎn)的變形值。測(cè)量過程中，當(dāng)變形測(cè)點(diǎn)因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量光路被不可避免地遮擋時(shí)則取消測(cè)量，但優(yōu)先保證對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果顯示的最大變形所處D點(diǎn)變形值的測(cè)量。

本次變形測(cè)量的主要設(shè)備有：TCRP1201+R400型高精度全站儀，角度測(cè)量精度為1"，分辨率為0.1"，測(cè)距精度為1 mm，分辨率為0.1 mm。

本次跳板的變形測(cè)量綜合考慮板橋28車車客渡船主跳板有限元計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量條件而最終確定。建立如圖1所示的坐標(biāo)系，各變形測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：A(4.75，-1.35)，B(7.00,0.00)，C(7.00,1.40)，D(4.75,0.00)，E(2.55,0.00)，F(xiàn)(2.55，-2.85)，G(2.55,2.85)，H(0.75，-5.70)。

1.5 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法及設(shè)備

本次應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法為電阻應(yīng)變測(cè)試法。主要測(cè)試設(shè)備有：電阻應(yīng)變片為BE120-3AA(11)-Q30P500，120 Ω，敏感柵2 mm×3 mm，靈敏系數(shù)2.17；應(yīng)變膠為漢高樂泰401；防護(hù)膠為705硅膠；測(cè)試儀器為SG404型無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。

根據(jù)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，主跳板的最大應(yīng)力區(qū)域處于中間3根強(qiáng)縱桁截面過渡處，但是考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)條件，3根強(qiáng)縱桁位于車輛跳板甲板下方，且接近水面，在加載時(shí)很容易進(jìn)入水中，不利于測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變計(jì)的保護(hù)和儀器的安置；而在實(shí)際操作時(shí)，工作人員也很難進(jìn)入跳板結(jié)構(gòu)下方進(jìn)行操作；故將原來擬布置在甲板以下縱桁上的測(cè)點(diǎn)全部變更到跳板上表面。上表面的應(yīng)力采用直接計(jì)算處理，而縱桁上對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值則根據(jù)力學(xué)原理換算并進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)。由于最大應(yīng)力及其他應(yīng)力較大區(qū)域的位置和變形的區(qū)域基本重合，故應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的位置與變形測(cè)量的測(cè)點(diǎn)位置相同。應(yīng)變片具體布置在圖1中的A、B、C、D、E、F、G測(cè)點(diǎn)處。

本次測(cè)試時(shí)天氣為陰天，測(cè)試時(shí)間為下午，溫度場(chǎng)非常均勻，跳板上不存在由于陽光照射形成的溫度場(chǎng)不均勻的部位，也無其他熱源的影響，可認(rèn)為所有測(cè)點(diǎn)處的溫度場(chǎng)是基本相同的。此外，由于每個(gè)工況在測(cè)試前都進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，且測(cè)試過程較短，加上選用的應(yīng)變片具備溫度自補(bǔ)償功能，可忽略溫度影響，故采用1/4橋接法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。

2 變形測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

本次變形測(cè)量主要涉及第3工況，即跳板處于放置狀態(tài)，車輛靜載為800 kN，車輛車輪全部位于跳板上及車輛重載軸位于跳板中部2種情況；試驗(yàn)中所有變形測(cè)點(diǎn)處的變形量均通過全站儀所測(cè)坐標(biāo)值計(jì)算得到；在實(shí)際的測(cè)量過程中，由于測(cè)量目標(biāo)為跳板的豎向變形，故僅需對(duì)實(shí)測(cè)的豎向坐標(biāo)(即各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1 變形測(cè)量數(shù)據(jù)

變形測(cè)量時(shí)，首先對(duì)放置狀態(tài)的跳板上的測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)量作為初始坐標(biāo)值，然后對(duì)跳板處于工況3下各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。跳板上各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高初值及在工況3的標(biāo)高值見表2。

表2 測(cè)試工況3下不同測(cè)點(diǎn)的初始坐標(biāo)值

2.2 標(biāo)高差的修正及實(shí)際變形值計(jì)算

載重汽車駛上跳板后，跳板上各測(cè)點(diǎn)會(huì)因船體下沉而產(chǎn)生不同程度的向下平移，且汽車無法保證其重心位于跳板的縱向中軸線上，從而使渡船船體和跳板產(chǎn)生一定程度的橫傾。從表2中初步得出的跳板上各測(cè)點(diǎn)在工況3時(shí)相對(duì)于初始坐標(biāo)的標(biāo)高差非各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際變形值，其中包含了上述兩個(gè)方面跳板的整體位移導(dǎo)致的標(biāo)高變化量，故必須對(duì)跳板上各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差進(jìn)行修正，然后在此基礎(chǔ)上扣除因跳板整體下沉產(chǎn)生的位移量方能得到各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際變形值。

(1)對(duì)各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高差因跳板橫傾的修正

理想情況下跳板應(yīng)該是左右平衡的，但實(shí)際情況則會(huì)因渡船的橫傾產(chǎn)生偏差(見圖2)。以工況3為例，跳板上對(duì)稱布置的F和G這2個(gè)測(cè)點(diǎn)因跳板受載荷后整體向下平移、橫傾以及實(shí)際變形而到達(dá)F′和G′的位置，α為夾角。

圖2 跳板隨船體橫傾示意圖(單位：m)

tanα=2.490 2×10-3

由此可得：α=0.142 68°。

若將跳板向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)0.142 68°，則可使跳板保持理論上的水平，據(jù)此可將各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)差進(jìn)行修正。

以A測(cè)點(diǎn)為例，它距離跳板縱向中線相距1.35 m，由表2可知其初始標(biāo)高差為114.4 mm，可將其修正為：δA1=114.4-1 350tanα=111.04 mm。其他各測(cè)點(diǎn)可按相同的方法進(jìn)行修正，修正后各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差見表3。

表3 對(duì)跳板橫傾修正后各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差

(2)對(duì)各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高差因跳板整體下沉的修正

當(dāng)跳板位置因承受載荷而隨渡船整體下降時(shí)，位于跳板尾端邊角處的H測(cè)點(diǎn)由于載荷作用產(chǎn)生的變形極其微小，可以忽略，故近似認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)只發(fā)生了整體性的向下位移而沒有變形，由此可通過H測(cè)點(diǎn)來修正各測(cè)點(diǎn)由于跳板整體向下位移而產(chǎn)生的相對(duì)標(biāo)高差，從而得到各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際變形值。

當(dāng)跳板整體下沉?xí)r，位于跳板上同一橫截面的測(cè)點(diǎn)具有相同的位移變化值，其中：跳板前端位于岸上，其位移值為0；而H點(diǎn)的位移最大。由于各測(cè)點(diǎn)隨跳板整體下沉而產(chǎn)生的向下位移遠(yuǎn)大于其變形量，故可忽略變形量的微小影響，此時(shí)跳板各截面隨跳板整體下沉的位移量近似為三角形分布(見圖3)。因此，可利用相似三角形原理來消除跳板整體位移對(duì)各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高差的影響。

圖3 跳板各測(cè)點(diǎn)隨跳板整體下沉的位移分布(單位：m)

以工況3為例，H測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差為168.50 mm，即其豎向位移近似等于168.50 mm，則A、B、C、D、E、F、G7個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差的修正值分別為：

A點(diǎn)(D點(diǎn))：ΔA=ΔD=

同理，B點(diǎn)(C點(diǎn))：ΔB=ΔC=49.50 mm；E點(diǎn)(F點(diǎn)，G點(diǎn))：ΔE=ΔF=ΔG=134.23 mm。

因此，以A測(cè)點(diǎn)為例，其實(shí)際變形值為：δA1=(111.04-92.34)mm=18.70 mm。同理可得其他各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際變形值，具體見表4。

表4 工況3下各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際變形值

3 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)和處理

本次測(cè)試采用具有溫度自補(bǔ)償功能的BE120-3CA(11)-Q30P500型三軸電阻應(yīng)變計(jì)及SG404型無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)跳板上各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，然后進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。5種工況下，測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G對(duì)應(yīng)于跳板上表面應(yīng)力及縱桁各位置的應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分別見表5和表6。

表5 跳板上表面應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 單位：MPa

表6 跳板縱桁下部應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果單位：MPa

綜上，基于《規(guī)范》要求跳板在做驗(yàn)證負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，僅規(guī)定其最大彈性變形的限值，對(duì)于應(yīng)力水平未作特別說明，故本文以最大應(yīng)力不超出材料的屈服強(qiáng)度作為強(qiáng)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。根據(jù)表5和表6可知，跳板上表面各測(cè)點(diǎn)在上述5個(gè)工況下的最大等效應(yīng)力均小于所用鋼材的屈服強(qiáng)度355 MPa，即跳板上表面和跳板縱桁下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

(1)本文以南京板橋28車汽車渡船項(xiàng)目為依托，按照既定的技術(shù)路線，結(jié)合全站儀測(cè)量技術(shù)和應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試技術(shù)對(duì)車客渡船跳板的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)及研究，并形成了一套行之有效的方法。

(2)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的換算，從理論上分析換算系數(shù)完全能夠通過有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)得到，但諸多因素會(huì)對(duì)換算系數(shù)的精度產(chǎn)生影響。由于實(shí)際測(cè)試的輪印載荷與有限元施加的載荷并不完全一樣，從而會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。最理想的解決方案是直接在縱桁上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

(3)多測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)在不能實(shí)現(xiàn)同步采集的情況下是會(huì)帶來誤差的。當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)，跳板的運(yùn)動(dòng)幅度會(huì)加大，這種非同步采集就會(huì)引入很大的誤差，甚至出現(xiàn)不可接受的錯(cuò)誤。故現(xiàn)有的變形測(cè)量及數(shù)據(jù)處理方法必須在風(fēng)浪較小、跳板相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下才能保證較好的測(cè)量精度。