基于有限元法造橋機支撐托架的靜力學(xué)分析

李權(quán)才，吳俊峰，武翠榮

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011;2.鄭州機械研究所，河南 鄭州 450001;3.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450015)

基于有限元法造橋機支撐托架的靜力學(xué)分析

李權(quán)才1，2，吳俊峰3，武翠榮1

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011;2.鄭州機械研究所，河南 鄭州 450001;3.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450015)

基于有限元分析與動態(tài)仿真技術(shù)，利用ANSYS軟件對造橋機支撐托架進行了有限元建模，并對支撐托架進行了靜力學(xué)分析，通過對支撐托架的等效應(yīng)力云圖以及托架變形前、后位移的分析，從靜力學(xué)的角度為支撐托架的改進提供了相關(guān)的分析數(shù)據(jù).

造橋機;支撐托架;有限元法;靜力學(xué)

造橋機，又名移動模架，是一種自帶模板，利用箱梁支承，對橋梁進行現(xiàn)場澆筑的一種大型施工機械設(shè)備.支撐托架是造橋機的主要部件之一，是造橋機的支撐基礎(chǔ)，共2套，每套由相同的左右兩部分組成.支撐托架插入橋墩側(cè)洞中以傳遞垂直力.支撐托架中上張拉梁和下張拉梁的左右兩端利用高強精軋螺紋鋼對拉與橋墩固結(jié)成一個整體.下張拉梁中部設(shè)置與墩身表面吻合的弧形板，減小對橋墩的壓應(yīng)力.傳統(tǒng)的橋梁施工是先制好一段橋梁，再安裝到橋墩上，造橋機可事先移動到橋墩位置上，往模架中澆注混凝土后，整孔橋梁一次性凝固完成.一跨澆完之后，主支腿首先過孔，附著于下跨的橋墩上，然后主機橫向打開，主機縱移過孔后再合攏，制下一個梁［1］.造橋機施工現(xiàn)場如圖1所示.

圖1 造橋機施工現(xiàn)場

下面以DXZ32/900造橋機支撐托架為例，對其進行靜力學(xué)分析.

1 支撐托架有限元模型的建立

造橋機支撐托架為三角形框架結(jié)構(gòu)，有2個支座，一是插入墩身側(cè)洞的上支座總成;一是由弧形板、筋板及上張拉梁組成的下弧形支座.根據(jù)施工單位及制造廠家提供的技術(shù)參數(shù)要求，支撐托架制模最大支點反力為2×377 t，過孔最大支點反力為2×160 t.移位臺車沿橫梁移動，制模位置的計算載荷為377 t，過孔位置(制模位置外伸4 800 mm)計算載荷為160 t.根據(jù)原設(shè)計結(jié)構(gòu)，建立支撐托架的有限元計算模型［2－3］，三維模型如圖2所示.

圖2 托架的三維模型

2 典型工況的靜力學(xué)分析

在造橋機支撐托架有限元分析計算中，通常有8種計算工況.以第1種典型工況為例，分析計算該工況的靜力學(xué)情況.過孔位置:垂直計算載荷160 t，上張拉梁每側(cè)拉力160 t，下張拉梁每側(cè)拉力20 t，選擇最大過孔受力節(jié)點施加載荷.其他工況的靜力學(xué)分析方法類同第1工況.

2.1 支撐托架中間橫梁部分重新劃分單元

支撐托架在工作過程中，橫梁是主要的承載部件，所以為了更好地分析橫梁的受力情況，特別對中間橫梁制梁位置和過孔位置重新劃分網(wǎng)格單元，此次劃分的主要形式是等長均勻化密集化劃分單元.編寫程序可以重新劃分網(wǎng)格單元.重新劃分過的網(wǎng)格單元大小的橫梁如圖3所示.

圖3 重新劃分網(wǎng)格后的橫梁模型

2.2 支撐托架整體加載過程

加載是一個非常重要的過程，把加載過程通過編程進行分析，可以得到工況1受力情況如圖4所示，支撐托架位移如圖5所示.

加載過程的程序如下:

2.3 工況1支撐托架變形和應(yīng)力分析

通過編寫相關(guān)程序，進行詳細分析，可以得到工況1支撐托架各部分的變形和應(yīng)力云圖.托架變形前、后位移如圖6所示.

圖6 工況1托架變形前、后的位移

由圖6可得到支撐托架工況1的最大變形位移量為9.894 mm.支撐托架單元形狀及應(yīng)力云圖如圖7所示.

圖7 支撐托架單元形狀及應(yīng)力云圖

由圖7可得到支撐托架整體的最大應(yīng)力為234.296 MPa.榫頭附近應(yīng)力云圖如圖8所示.

圖8 榫頭附近應(yīng)力云圖

由圖8可得到支撐托架榫頭附近的最大應(yīng)力為149.377 MPa.橫梁應(yīng)力云圖如圖9所示.

圖9 橫梁應(yīng)力云圖

由圖9可得到橫梁的最大應(yīng)力為234.296 MPa.外斜撐及短斜撐應(yīng)力云圖如圖10所示.

圖10 外斜撐及短斜撐應(yīng)力云圖

由圖10可得到外斜撐和短斜撐的最大應(yīng)力為83.141 MPa.內(nèi)斜撐應(yīng)力云圖如圖11所示.

圖11 內(nèi)斜撐應(yīng)力云圖

由圖11可得到內(nèi)斜撐的最大應(yīng)力為74.249 MPa.立撐應(yīng)力云圖如圖12所示.

圖12 立撐應(yīng)力云圖

由圖12可得到立撐的最大應(yīng)力為84.612 MPa.弧形板及筋板應(yīng)力云圖如圖13所示.

圖13 弧形板及筋板應(yīng)力云圖

由圖13可得到弧形板及筋板的最大應(yīng)力為70.619 MPa.下縱撐及下張拉梁應(yīng)力云圖如圖14所示.

圖14 下縱撐及下張拉梁應(yīng)力云圖

由圖14可得到下縱撐及下張拉梁的最大應(yīng)力為56.202 MPa.上張拉梁應(yīng)力云圖如圖15所示.

由圖15可得到上張拉梁的最大應(yīng)力為114.434 MPa.

圖15 上張拉梁應(yīng)力云圖

綜上各部分的應(yīng)力圖，得到工況1支撐托架關(guān)鍵部位的應(yīng)力見表1.

表1 工況1支撐托架關(guān)鍵部位最大應(yīng)力值 MPa

3 結(jié)語

通過對造橋機支撐托架進行有限元法分析，建立了支撐托架的三維模型，計算得出了支撐托架各部分的應(yīng)力云圖以及托架變形前、后的位移，掌握了支撐托架上的應(yīng)力分布情況，找到了應(yīng)力的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進提供了參考依據(jù).為下一步對支撐托架的設(shè)計，尤其變形前后的位移以及應(yīng)力分布提供了有效的數(shù)據(jù).

［1］王金諾，于蘭峰.起重運輸機金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［2］王國周，瞿履謙.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［3］劉爾烈.有限單元法及程序設(shè)計［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2004.

Statics Analysis of Bridge Fabrication Machine Surport Bracket Based on the Finite Element

LI Quan-cai1，2，WU Jun-feng3，WU Cui-rong1
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Zhengzhou Mechanical Engineering Research Institute，Zhengzhou 450001，China;3.Huadian Zhengzhou Machinery Design Research Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450015，China)

Based on the Finite Element Method analysis and dynamic emulation technique，a Finite Element Method model of bridge fabrication machine＇s support bracket is built through using the ANSYS software.Through the analysis on the equivalent stress cloud map of the support brackets and the displacement before and after support bracket deformation，from a static perspective，some relevant analyze data are provided for the improvement of support bracket.

bridge fabrication machine;support bracket;finite element method;statics

1002－5634(2012)03－0074－04

2012－03－09

李權(quán)才(1975—)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，講師，工學(xué)碩士，博士研究生，主要從事機械設(shè)計及理論方面的研究.

(責任編輯:杜明俠)