MSS50雙幅整體澆筑式移動(dòng)模架力學(xué)性能仿真分析

史妍妮　呂彭民　梁佳

摘要：以MSS50雙幅整體澆筑式移動(dòng)模架系統(tǒng)為研究對(duì)象，用ANSYS有限元分析軟件對(duì)該移動(dòng)模架系統(tǒng)進(jìn)行整體建模。通過(guò)模擬仿真計(jì)算，得出移動(dòng)模架系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況和變形情況，校核移動(dòng)模架系統(tǒng)在最大受力狀態(tài)下其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及屈曲穩(wěn)定性，同時(shí)給出主梁的撓度曲線，為模架預(yù)拱度調(diào)整提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：該模架系統(tǒng)在最大受力狀態(tài)下，強(qiáng)度、剛度及屈曲穩(wěn)定性均滿足要求。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)模架；雙幅整體澆筑；力學(xué)性能；仿真模擬

中圖分類號(hào)：U445.36文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： An integral model of the MSS50 movable scaffolding system which has the function of double integral pouring was established by using ANSYS. In the finite element analysis software， the stress distribution and deformation condition were obtained， and the stress distribution， flexural rigidity and buckling stability under maximum stress condition were calculated. In addition， the girders deflection curve of movable scaffolding system was given. The simulations could provide theoretical basis for precamber adjustment of the system. The simulation results show that the stress distribution， flexural rigidity and buckling stability of MSS50 movable scaffolding system meet the engineering requirements.

Key words： movable scaffolding system； double integral pouring； mechanical property； simulation

0引言

造橋機(jī)是一種特大型造橋?qū)Ｓ迷O(shè)備，學(xué)名叫滑移模架造橋設(shè)備（Move Support System，可簡(jiǎn)稱為MSS），也叫移動(dòng)模架造橋機(jī)[12]。造橋機(jī)施工是一種先進(jìn)的、使用廣泛的橋梁施工工法，與傳統(tǒng)的預(yù)制箱梁、組合安裝和架設(shè)梁橋等有所不同，它集模板、支撐系統(tǒng)和過(guò)孔的功能于一體，在一系列支架難以搭設(shè)的地方（例如城市立交、高墩、水上等）施工時(shí)，其性能更加優(yōu)越。

本文研究的MSS50上行式滑移模架系統(tǒng)，是一種新型的可同時(shí)澆筑2幅混凝土箱梁的大型移動(dòng)模架造橋設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全性能高。該設(shè)備可施工50 m 以內(nèi)各種跨徑的橋梁、鼻梁同主梁間設(shè)轉(zhuǎn)鉸，可靈活適應(yīng)不同平曲線半徑的橋梁施工，實(shí)現(xiàn)整機(jī)過(guò)連續(xù)梁，且可從已澆筑好的箱梁上前移或者后退。為確保施工的安全可靠性，需要對(duì)模架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)該MSS50上行式移動(dòng)模架系統(tǒng)在澆筑工況下的受力、變形以及屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)算其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否滿足施工安全的要求，可為該模架結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)提供參考。

1有限元模型建立

該移動(dòng)模架主要由主梁、導(dǎo)梁、中支腿、上梁、下橫梁、內(nèi)外模板、螺旋頂?shù)炔考M成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。移動(dòng)模架全長(zhǎng)106.094 m，鼻梁為箱型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)50994 m；主梁為鋼箱梁，長(zhǎng)5510 m，高5.42 m，寬250 m。

1.1ANSYS有限元模型建立

ANSYS有限元分析中主梁、鼻梁、下橫梁、中支腿、外模板采用三維空間板殼單元SHELL63模擬，上橫梁采用三維空間梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，上、下橫梁之間的吊桿采用三維空間桿單元LINK8模擬。在ANSYS中，梁?jiǎn)卧狟EAM188可以自定義梁截面形狀，這樣就可以保證所建上橫梁的截面形狀與實(shí)際相符合，達(dá)到準(zhǔn)確模擬上橫梁的幾何結(jié)構(gòu)的目的。

MSS50上行式移動(dòng)模架系統(tǒng)的整體有限元分析模型如圖2所示，主梁內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，共劃分單元232 796個(gè)，節(jié)點(diǎn)218 528個(gè)，其中板殼單元225 428個(gè)，梁?jiǎn)卧? 332個(gè)，桿單元364個(gè)。

1.2計(jì)算荷載

由于該模型采用整體建模的方式，與實(shí)際工況接近，則計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)。計(jì)算模型受到的載荷有：鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)、主梁結(jié)構(gòu)、導(dǎo)梁、上橫梁、下橫梁、內(nèi)外模板、螺旋千斤頂、人行道及輔助設(shè)備的自重。

為了保證移動(dòng)模架的強(qiáng)度、剛度滿足要求，本文選取移動(dòng)模架最大受力工況（50 m澆筑施工工況）作為核算工況。該工況混凝土澆筑長(zhǎng)度為499 m，混凝土約重2 550 t。混凝土澆筑時(shí)作為流體形式，會(huì)對(duì)模板產(chǎn)生側(cè)向壓力，在處理混凝土的自重時(shí)，將混凝土對(duì)模板的壓力荷載直接以梯度荷載的形式施加在外模板上，如圖4所示。

1.3約束條件

主梁中支腿結(jié)構(gòu)用空間三維板殼單元SHELL63進(jìn)行模擬建模，在中支腿底部添加約束（UX、UY、UZ、ROTY、ROTZ），釋放X方向扭轉(zhuǎn)約束（ROTX）。

主梁后支點(diǎn)支撐在液壓千斤頂上，加約束時(shí)可在主梁后支點(diǎn)下方模擬鉸支座建模。用空間三維板殼單元SHELL63模擬鉸支座頂部，用空間三維梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬液壓千斤頂；將梁?jiǎn)卧敳颗c千斤頂頂部面板的中心耦合，梁?jiǎn)卧锥私⑷s束；最后對(duì)千斤頂頂部面板其余節(jié)點(diǎn)與主梁后支點(diǎn)底部面板的節(jié)點(diǎn)方向耦合。

2有限元計(jì)算結(jié)果

2.1主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度計(jì)算

主梁澆筑施工時(shí)，在混凝土自重與設(shè)備自重共同作用的情況下豎向總變形云圖，如圖5所示。

由分析可知主梁結(jié)構(gòu)最大豎向總變形為

Uymax=86.2 mm

豎向總變形取絕對(duì)值，最大豎向變形位于主梁跨中間位置，處于施工方向第7、8號(hào)上橫梁中間主梁的內(nèi)側(cè)腹板偏上部位。

造橋機(jī)現(xiàn)行強(qiáng)度計(jì)算采用的是許用應(yīng)力法，對(duì)于塑性材料制造的零件，其計(jì)算應(yīng)力[35]

σ≤σ=σsn

式中：σ為計(jì)算應(yīng)力；[σ]為材料許用應(yīng)力；σs為材料屈服極限；n為安全系數(shù)。

在橋梁混凝土澆注的過(guò)程中，滑移模架系統(tǒng)在工作過(guò)程中對(duì)最危險(xiǎn)工況下的強(qiáng)度限制有其要求，對(duì)澆筑成型的混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的變形也有嚴(yán)格的限制。因此，還應(yīng)該對(duì)滑移模架系統(tǒng)的剛度進(jìn)行分析，即主梁的凈變形[69]。主梁凈變形是指不考慮滑移模架系統(tǒng)自重情況下主梁的變形。工程項(xiàng)目一般要求對(duì)混凝土澆注施工的撓跨比小于l/700，即最大凈撓度UY凈≤71.428 mm。主梁凈變形云圖如圖7所示。

最大豎向凈變形發(fā)生在施工方向第7號(hào)上橫梁位置的主梁頂板處，故主梁剛度滿足要求。

各橫梁位置處的主梁的豎向凈變形具體數(shù)值見(jiàn)表1，橫梁編號(hào)：施工方向從1～14。各橫梁位置處的主梁凈變形值的曲線圖，如圖8所示。該曲線為預(yù)拱度調(diào)整提供依據(jù)。

慮其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的臨界荷載[10]。本文利用ANSYS有限元分析軟件中的屈曲穩(wěn)定性計(jì)算分析模塊，對(duì)主梁的屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。

由于用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性屈曲分析需花費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源，因此，在進(jìn)行主梁的屈曲穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，不考慮移動(dòng)模架系統(tǒng)的模板部分和下橫梁部分，將外模的自重和混凝土重量轉(zhuǎn)化為集中外載荷的形式加載在主梁上。

經(jīng)過(guò)模擬仿真計(jì)算后，可得出MSS50移動(dòng)模架系統(tǒng)的主梁一階失穩(wěn)變形圖，如圖9所示。由一階失穩(wěn)變形圖可知，主梁一階失穩(wěn)處于主梁中間內(nèi)側(cè)腹板靠近頂板部位，一階屈曲特征值λ為1.721，可滿足主梁的穩(wěn)定性要求。

2.3橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

該移動(dòng)模架系統(tǒng)的橫梁結(jié)構(gòu)分為上橫梁和下橫梁兩部分，上橫梁用梁?jiǎn)卧M，下橫梁用板殼單元模擬。橫梁結(jié)構(gòu)有限元模型單獨(dú)建立。

2.3.1澆筑狀態(tài)橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

移動(dòng)模架造橋機(jī)澆筑施工的過(guò)程中，處于墩頂附近的橫梁受力較大，選取受力最大的橫梁進(jìn)行受力分析。此橫梁所承擔(dān)的所有載荷共2 262 kN。計(jì)算結(jié)果如下。

橫梁結(jié)構(gòu)豎向變形云圖，見(jiàn)圖10，最大豎向變形為10.795 mm，位于下橫梁底部開(kāi)模連接處。橫梁結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖，如圖11、12所示。

上橫梁最大應(yīng)力為122 MPa，由于材料用Q235B焊接而成，材料許用應(yīng)力[σ]=158 MPa，故滿足強(qiáng)度要求。

下橫梁最大應(yīng)力為170 MPa，材料用Q345B焊接而成，材料許用應(yīng)力為[σ]=233 MPa，故滿足強(qiáng)度要求。

2.3.2開(kāi)模狀態(tài)橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

移動(dòng)模架造橋機(jī)在開(kāi)模過(guò)程中，橫梁僅承受模板自重，此時(shí)1根橫梁所承的所有載荷共318 kN。計(jì)算結(jié)果如下。

3結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過(guò)利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)MSS50上行式移動(dòng)模架造橋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，對(duì)移動(dòng)模架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、剛度以及屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，得出該MSS50上行式移動(dòng)模架系統(tǒng)在最大受力工況下，其主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和屈曲穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)的安全要求。

（2）通過(guò)對(duì)該移動(dòng)模架系統(tǒng)的模擬仿真分析，本文得出了模架施工時(shí)的主梁撓度曲線，該曲線可為模架的預(yù)拱度調(diào)整提供依據(jù)。

（3）對(duì)于移動(dòng)模架系統(tǒng)的橫梁結(jié)構(gòu)，分別選取澆筑工況和開(kāi)模工況中受力最大的橫梁分別進(jìn)行受力分析，經(jīng)分析計(jì)算可知，橫梁系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度均滿足安全要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周軍生，樓莊鴻.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22（1）：3137.

[2]中國(guó)公路學(xué)報(bào)編輯部.中國(guó)橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（5）：196

[3]呂彭民，楊龍飛，王斌華.變幅寬移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)的有限元分析與試驗(yàn)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2015，36（2）：4346.

[4]王斌華.滑移支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[5]郭梅.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（3）：3135，38.

[6]景強(qiáng).移動(dòng)模架整孔現(xiàn)澆大跨度混凝土箱梁橋的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[7]張樂(lè)親，林蔭岳.秦沈客運(yùn)專線MZ32移動(dòng)模架造橋機(jī)研究設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000，20（3）：911.

[8]王龍奉.大型造橋機(jī)撓度曲線與主梁剖分式結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[9]南黃河.鳧洲大橋移動(dòng)模架造橋機(jī)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[10]岳海姣.移動(dòng)模架安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]