流動式架橋機結(jié)構(gòu)有限元分析

張 鈺

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710021)

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流動式架橋機結(jié)構(gòu)有限元分析

張 鈺

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710021)

摘要：：架橋機結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響架橋機的作業(yè)安全。以結(jié)構(gòu)分析理論為基礎(chǔ)，利用有限元分析軟件MIDAS CIVIL建立架橋機整體空間模型，提出了流動式架橋機有限元模型的建模原則與方法，并對架橋機運梁和架梁兩種作業(yè)狀態(tài)進行有限元分析，得到架橋機結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力云圖。結(jié)果表明：利用MIDAS CIVIL對架橋機進行有限元仿真分析是可行的，對架橋機的設(shè)計制造具有積極的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：流動式架橋機；有限元；結(jié)構(gòu)仿真分析；MIDAS

架橋機是對梁場預(yù)制箱梁進行整孔架設(shè)的施工機械設(shè)備，根據(jù)作業(yè)方式，國內(nèi)外架橋機可分為運架分離式和運架一體式兩種模式[1-2]，運架分離式由架橋機和運梁車配合進行預(yù)制箱梁的運輸和架設(shè)作業(yè)，而運架一體式需架橋機同時具有運梁和架梁功能，其代表性產(chǎn)品則為石家莊鐵道大學(xué)設(shè)計的流動式架橋機。流動式架橋機是為了滿足橋隧緊密相連路段施工需求而研發(fā)設(shè)計的，其采用跨運箱梁的運輸方式和懸臂過孔的架梁方式，實現(xiàn)了整機不拆解過隧、緊鄰隧道口和隧道內(nèi)架梁功能，在高速鐵路和客運專線橋梁施工中具有廣泛的應(yīng)用前景[1,3-4]。對流動式架橋機結(jié)構(gòu)受力性能進行系統(tǒng)性的研究，對于保證其作業(yè)安全有著重要的理論和實踐意義。

既有架橋機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，多依據(jù)經(jīng)驗和結(jié)構(gòu)特點進行簡化，然后利用傳統(tǒng)計算方法進行初步設(shè)計，相關(guān)文獻對于架橋機的研究也多集中于結(jié)構(gòu)功能和作業(yè)方式介紹[5-6],有限元仿真分析較少涉及。對施工設(shè)備進行有限元仿真分析可得到更為精確的計算結(jié)果，但正確的建模原則和建模方法是確保分析結(jié)果可靠的前提條件[7-8]。本文以900 t流動式架橋機為研究對象，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)工況，利用MIDAS CIVIL有限元分析軟件建立整體空間模型，針對架橋機主梁等部件進行強度和剛度仿真分析，其分析結(jié)果與后期檢驗結(jié)果較為吻合，架橋機在工程應(yīng)用中一直處于良好狀態(tài)，建模思路和分析方法對此類設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化和安全施工具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1架橋機結(jié)構(gòu)及主要工況

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本文所研究的900 t流動式架橋機采用一跨式主梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，架橋機主梁采用箱型截面，主梁尾部和前端分別設(shè)有用于整機走行的后車和前車走行系統(tǒng)；為實現(xiàn)懸臂過孔的架梁作業(yè)模式，設(shè)計了可沿主梁下部軌道自行的主支腿及安裝于主梁前端的輔助支腿，用于架梁狀態(tài)支承主梁和輔助過孔；架橋機前起重小車固定不動，后起重小車可在主梁腹部開孔位置縱向移動，以滿足不同跨度箱梁吊裝作業(yè)需求；前車走行系統(tǒng)車架內(nèi)部凈空大于主支腿外形尺寸，以滿足主支腿支撐于前方墩臺時，整機跨越主支腿過孔的作業(yè)功能。其主要技術(shù)參數(shù)為：額定起重量,900 t(32 m跨梁重);整機重量,550 t;爬坡能力,30‰(運梁作業(yè)狀態(tài));最大縱坡,20‰(架梁作業(yè)狀態(tài));適應(yīng)梁跨,32～20 m(后起重小車移位調(diào)整);走行速度,0～5 km/h(平坡)、0～3 km/h(30‰縱坡)；起升速度，0～0.5 m/m(變頻調(diào)速)；起升高度，4.5 m(箱梁頂距地面距離)；作業(yè)效率，4.5 h/孔(以運距5 km計)。

圖1　流動式架橋機結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要工況

依據(jù)流動式架橋機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，其典型作業(yè)工況可歸為兩種：

(1)重載運輸。流動式架橋機在梁場吊裝900 t級預(yù)制混凝土箱梁后，需運至待架橋位，如圖2所示。重載運輸時，由前、后車走行系統(tǒng)支承主梁，此作業(yè)工況為前、后車走行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最不利工況。

圖2 流動式架橋機重載運輸

(2)重載過孔架梁。架橋機運梁到待架橋頭后，在主支腿和輔助支腿輔助作用下懸臂過孔，將待架箱梁移至待架孔位上方，落梁就位完成一孔梁的架設(shè)工作。在懸臂過孔過程中，當(dāng)主支腿自行至前方墩臺并支承到位、整機準(zhǔn)備重載過孔時，主梁位于最大簡支狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 流動式架橋機重載過孔

2架橋機有限元建模

MIDAS CIVIL是一種空間有限元分析軟件，操作方便，在建模、分析和后處理等方面應(yīng)用較為便利，側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，計算效率較高。

2.1 幾何建模

流動式架橋機結(jié)構(gòu)有限元分析是一種復(fù)雜的、系統(tǒng)性的過程，需首先明確分析關(guān)注重點和分析目標(biāo)，再依據(jù)架橋機各構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點，進行合理簡化，以期獲得真實結(jié)果,具體建模思路如圖4所示。

2.1.1 主梁

流動式架橋機主梁箱梁斷面高度約4.5 m，為避免腹板和翼板局部失穩(wěn)，箱梁內(nèi)部縱向、橫向設(shè)有多道加勁肋。考慮運輸需要，主梁截面分為上下兩部分，通過螺栓將翼板、腹板及加勁肋連為一體；為便于后起重小車沿主梁縱向移位以滿足不同跨度箱梁吊裝作業(yè)需要及減輕主梁自重，部分主梁節(jié)段腹板做了開孔處理。如果按照主梁設(shè)計圖紙利用板單元建模，模型會異常復(fù)雜且計算量巨大，為此，基于明確主梁整體受力性能的分析目的，確定采用梁單元進行主梁模擬。MIDAS CIVIL具有強大的截面導(dǎo)入功能，建模時只需將設(shè)計圖中的主梁CAD截面另存為dxf格式，然后通過MIDAS中的截面特性計算器進行網(wǎng)格劃分，即可轉(zhuǎn)變?yōu)樗杞孛妗Ｓ闪W(xué)知識可知主梁承載時，主梁開孔節(jié)段上下兩部分承受拉力或壓力為主，故建模時可采用節(jié)點再分的方式，用兩根平行梁來模擬單根開孔主梁，具體模型如圖5所示。

圖4 流動式架橋機建模思路

圖5 主梁開孔截面模型圖示

2.1.2 前后車走行結(jié)構(gòu)

前后車驅(qū)動整機重載走行過程中，走行結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，其受力與走行系統(tǒng)各驅(qū)動軸走行狀態(tài)、同步性能、運梁通道縱橫向坡度及平整度有關(guān)。由于結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，無法按照既有結(jié)構(gòu)設(shè)計手段，通過構(gòu)造設(shè)計確保前后車走行結(jié)構(gòu)不發(fā)生局部失穩(wěn)，如走行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部失穩(wěn)，有可能導(dǎo)致重大安全事故。為此，為了驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，確保作業(yè)安全，前后車走行結(jié)構(gòu)采用板單元進行幾何建模，以更加明確的反映局部受力狀態(tài)。

2.2 模型約束條件

約束條件變化將對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生明顯影響，故合理設(shè)置約束條件是有限元仿真分析取得正確結(jié)果的前提。依據(jù)流動式架橋機結(jié)構(gòu)特點，其有限元模型需合理解決架橋機支點和各構(gòu)件之間的約束條件。

2.2.1 支點約束

流動式架橋機支點約束需結(jié)合結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)工況確定。當(dāng)架橋機重載運輸時，通過前后車走行系統(tǒng)進行支撐，為確保左右輪胎受力均衡，車架結(jié)構(gòu)與走行軸之間采用鉸接方式；當(dāng)架橋機處于架梁狀態(tài)時，通過后車走行系統(tǒng)和主支腿進行支撐，主支腿為自穩(wěn)定三角形構(gòu)架，安裝有內(nèi)力實時監(jiān)測裝置，為確保主支腿受力明確，主支腿主立柱和斜桿兩端均為鉸接。有限元分析時，需根據(jù)不同情況設(shè)置支點約束，輪胎支撐剛度假定為剛性，典型約束設(shè)置如表1所示(設(shè)主梁長度方向為x向，主梁橫斷面為y向)。

表1 支點約束設(shè)置表

2.2.2 構(gòu)件間約束

架橋機整機模型通過不同單元組合而成，各個構(gòu)件單元之間的連接約束應(yīng)以符合實際受力情況為原則，如文中通過節(jié)點再分的方式，利用兩根平行梁模擬主梁開孔節(jié)段，節(jié)點再分位置各節(jié)點應(yīng)采取剛接處理，可通過邊界條件里面的剛性連接進行設(shè)置；主支腿結(jié)構(gòu)的主立柱和斜撐桿均為二力構(gòu)件，其連接位置應(yīng)采用鉸接處理，可通過釋放單元梁端約束實現(xiàn)。需要注意的是：架橋機主梁支承于主支腿上方走行輪系的托輪上，可在輪系間滑動，主梁受載時將導(dǎo)致主梁與主支腿之間產(chǎn)生相對位移，故有限元分析時需要考慮兩者之間的縱向變位需求，需將主梁與主支腿接觸位置的節(jié)點縱向位移約束進行釋放。此外，主梁各節(jié)段及其與前后車架均通過螺栓群連接，各連接處是為剛性連接。

2.3 外部荷載的施加

流動式架橋機模型分析時所需施加荷載主要為力、位移和重力，其中力主要包括預(yù)制箱梁荷載、風(fēng)力、走行過程中的驅(qū)動力、坡道阻力以及欄桿走臺等附屬構(gòu)件所產(chǎn)生的外力等；位移主要指結(jié)構(gòu)形變導(dǎo)致的約束條件與設(shè)計狀態(tài)不同，需要在相應(yīng)位置施加位移來考慮對結(jié)構(gòu)受力的影響；重力主要為架橋機結(jié)構(gòu)自重、焊縫重量，可通過輸入材料密度及重力加速度的方式，按分布荷載施加于結(jié)構(gòu)上。外部荷載施加的關(guān)鍵是正確分析架橋機結(jié)構(gòu)受力特征，根據(jù)分析目標(biāo)進行荷載工況組合，明確各工況最不利荷載，然后按照等效原則施加于結(jié)構(gòu)之上。此外，重載運輸狀態(tài)，前后車架受力為重點分析對象，需要考慮道路縱坡、橫坡所產(chǎn)生的坡道阻力以及緊急制動力對前后車走行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，并在相應(yīng)位置予以施加。

3有限元仿真分析

流動式架橋機的有限元分析需結(jié)合其作業(yè)特點，并針對不同研究對象進行工況組合，然后進行有限元分析，在此選取額定荷載作用下的典型工況進行說明。

3.1 重載運輸工況

流動式架橋機需要將預(yù)制箱梁裝載后運至待架橋孔，隨著待架橋位距離預(yù)制梁場的增加，重載運輸作業(yè)過程時間會逐漸增長，故了解重載運輸狀態(tài)下的整機結(jié)構(gòu)性能尤為重要。圖6和圖7分別給出了運輸狀態(tài)整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力和豎向變形云圖。

圖6 整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 整機結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

分析圖6和圖7可知：架橋機在重載運輸狀態(tài)，主梁跨中最大應(yīng)力在213 MPa左右，在容許應(yīng)力范圍內(nèi)，符合設(shè)計規(guī)范要求(架橋機材質(zhì)為Q460)；架橋機跨中撓度f=0.136 m< L/400(L為前后車走行系統(tǒng)中心距)，說明在架橋機重載走行過程中，主梁剛度滿足相關(guān)規(guī)范。

3.2 重載過孔架梁工況

架橋機運梁到位后，整機需要懸臂過孔才能將箱梁移至待架孔上方，此過程中將致使主梁處于最大簡支狀態(tài)，為主梁最不利工況，此時主梁的復(fù)合應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形云圖如圖8和圖9所示。

圖8 主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 主梁結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

綜合分析圖8和圖9可知：主梁最大應(yīng)力值為291 MPa，小于容許應(yīng)力。此外，前后起重小車之間區(qū)域主梁的應(yīng)力水平均維持在200～290 MPa之間，說明主梁截面設(shè)計較為合理；考慮主梁支點處豎向位移，知主梁豎向最大撓度為f=0.290 m> L/400(L為后車走行系統(tǒng)與主支腿支點間距)，撓跨比略大。相關(guān)規(guī)范對撓跨比進行定量要求的初衷是保證起重小車沿主梁走行時的作業(yè)安全，由于流動式架橋機為定點起吊，不需要起重小車沿主梁走行，在保障結(jié)構(gòu)安全的情況下，如必須保證撓跨比小于L/400，則需要繼續(xù)加大主梁截面，將導(dǎo)致架橋機整機高度和自重增加，更加不利于作業(yè)安全，經(jīng)與原設(shè)計單位溝通，在架橋機使用過程中未對主梁結(jié)構(gòu)剛度采取加大措施。

4 結(jié)論

在架橋機應(yīng)用過程中，有限元分析結(jié)果與工程技術(shù)人員定期對架橋機的定期檢測結(jié)果較為吻合，架橋機在重載運輸和架梁過程中無局部變形、漆膜剝落現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。結(jié)果表明，應(yīng)用本文的建模策略和分析方法，通過合理設(shè)置參數(shù)，可以明確流動式架橋機結(jié)構(gòu)典型作業(yè)工況下的整體受力和變形情況，判斷整機危險截面，對架橋機的設(shè)計和制造具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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收稿日期：2016-03-20

作者簡介：張鈺(1975—)，男，工程師，主要從事復(fù)雜隧道及橋梁施工工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.008

中圖分類號：U455.36

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)04-0029-04

A Finite Element Analysis of the Structure of a Mobile Bridge Erector

Zhang Yu

(The 4th Engineering Co. Ltd. of the 12th Bureau Group of China Railway,Xi'an 710021,China)

Abstract:The mechanical performance of the main structure of a bridge erector is directly related to the safety of the safe operation of the bridge erector.Upon the basis of the theory of structural analysis, an integral space model for such a bridge erector is established in the light of the finite element analysis software of the MIDAS CIVIL in the paper, with the modeling principle for and method of the finite element model for the mobile bridge erector put forward. Both the beam-transporting and beam-erecting operations of the bridge erector are analyzed in the light of the finite element method,with the equivalent stress and structural deformation of the structure obtained.The results show that the application of the finite element method to the simulation analysis of the mobile bridge erector is feasible.The research results may help the design and manufacture of bridge erectors.

Key words:mobile bridge erector;finite element;structural simulation analysis;MIDAS