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南京長(zhǎng)江三橋是國(guó)家“十五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，也是江蘇省規(guī)劃建設(shè)的五大戰(zhàn)略性過江通道之一。該橋建設(shè)條件復(fù)雜，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，施工難度大，特別是人字弧形鋼質(zhì)塔柱及大型啞鈴形索塔基礎(chǔ)(84000X29000)的采用，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。由于三橋南塔所在的位置水深流急，為了保證施工精度和進(jìn)度，其塔基施工定位采用了鋼套箱+導(dǎo)向船系統(tǒng)，即鋼套箱由導(dǎo)向船來定位，并作為塔基施工的作業(yè)平臺(tái)。因此對(duì)導(dǎo)向船的強(qiáng)度(包括總縱強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等)以及變形提出了較高的要求，需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。
根據(jù)橋塔基礎(chǔ)施工的需要，導(dǎo)向船由四只甲板駁通過兩道縱向聯(lián)接桿系和四組橫向聯(lián)接桿系所組成的特殊水上建筑物(四體船)，如圖所示。其首尾及外舷設(shè)有交錯(cuò)的錨泊系統(tǒng)，中部開口則用于鋼套箱的定位。同時(shí)導(dǎo)向船用作作業(yè)平臺(tái)，并在甲板上對(duì)角布置兩臺(tái)塔吊。由于縱向桿件比橫向桿件強(qiáng)得多，為了便于分析計(jì)算，將縱向聯(lián)結(jié)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(chǔ)施工的過程和導(dǎo)向船所處的環(huán)境來分析，導(dǎo)向船受力較為復(fù)雜，主要有自身重力(包括桿系的重量)、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(dǎo)向船在各項(xiàng)荷載，確定最危險(xiǎn)的荷載組合，計(jì)算導(dǎo)向船在計(jì)算工況下的應(yīng)力水平、強(qiáng)度及穩(wěn)定性問題。
對(duì)雙體船而言，一般其總縱強(qiáng)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(duì)片體的作用。(1)靜水彎矩、波浪彎矩靜水彎矩根據(jù)全船的重量和浮力分布求得。確定片體浮力時(shí)，首先要利用甲板駁的靜水力資料和片體總重來確定導(dǎo)向船的吃水。波浪荷載由坦谷波理論進(jìn)行計(jì)算，坦谷波波面到波軸線垂向坐標(biāo)為：理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明：船舶處在迎浪狀態(tài)下，其最危險(xiǎn)工況為中垂(工況一)或中拱(工況二)狀態(tài)。考慮到本船中段(縱向桿系)不提供浮力，危險(xiǎn)工況有可能為：波峰位于片體的兩駁船的船腫(工況三)或波谷位于片體的兩駁船的船腫(工況四)。計(jì)算結(jié)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，剖面1) 27000mm剖面2)處最大。(2)作用于導(dǎo)向船的其它荷載，塔吊工作產(chǎn)生的載荷塔吊工作時(shí)對(duì)片體產(chǎn)生縱向扭矩和縱向彎矩的共同作用。根據(jù)塔吊的布置位置及其起重能力，可以計(jì)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(duì)導(dǎo)向船的縱向拉力包括鋼套箱的水阻力R1、鋼套箱的風(fēng)阻力R2、導(dǎo)向船組的水阻力R3，導(dǎo)向船組的風(fēng)阻力R4、聯(lián)結(jié)梁及塔吊的風(fēng)阻力R5，鋼護(hù)筒水阻力R6。要說明的是，每個(gè)啞鈴形鋼套箱上有8根鋼護(hù)筒(見圖5中陰影部分)，而鋼護(hù)筒所受到的水的阻.導(dǎo)向船與鋼套箱之間的摩擦力導(dǎo)向船與鋼套箱之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力對(duì)船體的作用有兩個(gè)：片體的橫傾、片體的升沉。片體的橫傾產(chǎn)生的力矩由橫向聯(lián)結(jié)橋來承受；片體的升沉相當(dāng)于在船體的相應(yīng)區(qū)域施加了一個(gè)垂向的力，從而導(dǎo)致彎矩沿全船的變化。
由圖可知甲板駁上的剖面1和剖面2上的靜水彎矩和波浪彎矩最大。結(jié)合甲板駁的剖面特性，船體構(gòu)件應(yīng)力如表所示。由表知，靜水應(yīng)力：6Smax-25.6MPa，80MPa；靜水與波浪的合成應(yīng)力：6Cmax-110.9MPa-118MPa；滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》02002的要求，但合成應(yīng)力裕度很小。導(dǎo)向船縱向聯(lián)結(jié)梁，承受荷載由靜水彎矩M1、考慮鋼套箱與船體相互作用時(shí)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(chǎn)生的彎矩(M-1176kNm)及縱向聯(lián)結(jié)梁自重產(chǎn)生的彎矩(M6-635.5kNm)。塔吊產(chǎn)生的扭矩及船舶在斜浪中的扭矩由橫向聯(lián)結(jié)梁來承受(見2.3節(jié))。桿件通過拉、壓來承受作用于縱向聯(lián)結(jié)梁上的彎矩、軸向力，彎矩使得其截面上的軸向變形沿截面呈線性關(guān)系，最大應(yīng)力在離截面形心軸最遠(yuǎn)處(頂層或底層桿件)。取縱向聯(lián)結(jié)桿件的跨中為計(jì)算剖面，對(duì)頂層和底層連接桿進(jìn)行應(yīng)力的分析計(jì)算。
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