變跨度架橋機(jī)主梁縱向連接螺栓群的力學(xué)分析

李 夢(mèng)，惠記莊,2，王斌華,3，張紅俊，史 合

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)變得多樣化，需要架設(shè)不同跨度的橋梁，而拼裝式架橋機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速高效架梁，便于調(diào)用拼組，提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性[1-2]。由于可以隨梁片寬度或橋跨變化進(jìn)行架設(shè)，拼裝式架橋機(jī)為變跨架橋機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

架橋機(jī)主梁一般多采用桁架式，例如文獻(xiàn)[3]介紹了一種桁架雙梁式側(cè)位提梁架梁一體架橋機(jī)；文獻(xiàn)[4]研究了大荷載下采用架橋機(jī)三角桁架作為主梁的大跨徑施工便橋；文獻(xiàn)[5]采用步履式三角桁架雙導(dǎo)梁架橋機(jī)架設(shè)大跨徑箱梁；文獻(xiàn)[6]介紹了用于大跨徑架梁的貝雷桁架雙導(dǎo)梁架橋機(jī)；文獻(xiàn)[7]研究了采用三弦桿桁架主梁結(jié)構(gòu)的大跨度大噸位架橋機(jī)；文獻(xiàn)[8]采用的貝雷式桁架梁組裝式架橋機(jī)，適用于單次架設(shè)數(shù)量不多的橋梁；文獻(xiàn)[9]提出具有變跨與拼裝功能的雙梁三角桁架式架橋機(jī)。由上述文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有的架橋機(jī)設(shè)備通常是對(duì)單片梁或整垮梁片進(jìn)行架設(shè)，而拼裝式架橋機(jī)可以根據(jù)作業(yè)需求適用于梁片寬度或橋跨跨度發(fā)生較大變化的情況。

本文通過摩擦型高強(qiáng)度螺栓拼接腹板實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)主梁剛度和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同跨度橋梁的架設(shè)。通過ANSYS有限元分析軟件模擬螺栓群的受力情況[10-12]，對(duì)架20 m與30 m跨時(shí)架橋機(jī)主梁上下對(duì)接后主梁腹板區(qū)螺栓群進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證螺栓的受力情況是否滿足要求，并找出受力不合理的螺栓。

1 變跨度架橋機(jī)有限元分析

1.1 變跨度架橋機(jī)箱型主梁結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的架橋機(jī)主梁采用雙主梁箱型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 主梁簡(jiǎn)圖

變跨前，架橋機(jī)主梁如圖1(a)所示，橫截面如圖1(b)所示，主梁上部與下部由鋼板焊接形成，并通過螺栓進(jìn)行連接，采用法蘭連接的橫梁用螺栓連接在主梁上，方便拆卸。變跨后，架橋機(jī)橫截面如圖1(c)所示，架橋機(jī)主梁上部與下部之間通過縱向螺栓群拼接增強(qiáng)腹板段，從而使架橋機(jī)主梁高度增加，以提高主梁的剛度和強(qiáng)度。

1.2 架橋機(jī)工況

根據(jù)架橋機(jī)的作業(yè)步驟，選擇對(duì)主梁最不利的3個(gè)承載工況進(jìn)行分析[13]，以架20 m跨為例進(jìn)行說明。

(1)工況1：縱移懸臂過孔工況，見圖2。

圖2 架橋機(jī)懸臂過孔工況

(2)工況2：前天車走到前、中支腿中間位置，后天車吊起梁片時(shí)的工況 ，見圖3。

圖3 后天車開始吊起梁片工況

(3)工況3：架邊梁工況，見圖4。

圖4 架邊梁工況

1.3 有限元模型建立

架橋機(jī)箱型主梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，采用ANSYS的板殼單元Shell181進(jìn)行模擬。為了計(jì)算螺栓受力，在ANSYS中需要在每個(gè)螺栓位置產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)，利用結(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)模擬螺栓連接。在架20 m跨時(shí)共劃分板殼單元17 147個(gè)，結(jié)點(diǎn)16 873個(gè)；架30 m跨時(shí)共劃分板殼單元30 223個(gè)，結(jié)點(diǎn)29 895個(gè)，有限元模型如圖5所示。

圖5 架20、30 m跨架橋機(jī)主梁三維局部模型

2 主梁縱向連接螺栓群的受力分析

2.1 螺栓承載力計(jì)算

采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，具有整體性好、安裝過程中的焊接變形對(duì)拼裝影響小、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[14-15]，因此架20 m與30 m跨時(shí)，架橋機(jī)主梁上下對(duì)接后的主梁腹板區(qū)采用該螺栓連接。

圖6 高強(qiáng)螺栓受力

摩擦型高強(qiáng)螺栓的受力如圖6所示，螺栓的參數(shù)為：直徑d=22 mm，預(yù)緊力F=190 000 N，摩擦系數(shù)μ=0.5，安全系數(shù)n=1.4，則單個(gè)螺栓許用承載力[16]

2.2 有限元分析結(jié)果

運(yùn)用有限元分析軟件建立了在架設(shè)20 m及30 m跨時(shí)架橋機(jī)主梁空間的有限元模型，并針對(duì)2種跨徑橋梁，分別選擇3種危險(xiǎn)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析。

以架30 m跨為例進(jìn)行說明，在3種工況下主梁上下拼接腹板區(qū)的螺栓受力情況分別如圖7～9所示。

圖7 懸臂工況主梁應(yīng)力云圖

圖8 前后天車吊起梁片主梁應(yīng)力云圖

圖9 架邊梁主梁應(yīng)力云圖

2.2.1 工況1

由圖7可知，螺栓受力最大部位位于主梁中支腿附近，螺栓受力大小如圖10、11所示，主梁內(nèi)外側(cè)螺栓受力基本相同，因此只列出一排螺栓受力，螺栓受力具體值如表1、2所示。

圖10 中支腿附近主梁上部連接螺栓受力

圖11 中支腿附近主梁下部連接螺栓受力

由圖10可知，中支腿附近主梁上部螺栓連接最大受力處位于第二列與第八列。由圖11可知，中支腿附近主梁下部螺栓連接最大受力位于第三列。由表1、2可知，螺栓受力最大值為31 710.6 N，小于許用力[f]。所以，在懸臂狀態(tài)下，螺栓受力滿足要求。

表2 中支腿附近主梁下部螺栓受力 N

2.2.2 工況2

由圖8知螺栓受力最大部位位于主梁中支腿附近及后支腿附近，螺栓受力大小分布如圖12～15所示，主梁內(nèi)外側(cè)螺栓受力大小基本相同，因此只列出一排螺栓受力，螺栓受力具體值如表3～6所示。

圖12 中支腿附近主梁上部螺栓受力

圖13 中支腿附近主梁下部螺栓受力

圖14 后支腿附近主梁上部螺栓的受力

圖15 后支腿附近主梁下部螺栓的受力

通過分析表3～6可知，螺栓最大受力為48 343.9 N，小于許用力[f]；所以，在前后天車吊起梁片后、前天車走到前支腿與中支腿之間的狀態(tài)下，螺栓受力滿足要求。

表4 中支腿附近主梁下部螺栓受力 N

表5 后支腿附近主梁上部螺栓受力 N

表6 后支腿附近主梁下部螺栓受力 N

2.2.3 工況3

由圖9可知，螺栓受力最大部位位于主梁前支腿與中支腿附近，螺栓受力如圖16～19所示，其中圖16～18中主梁內(nèi)外側(cè)螺栓受力基本相同，只列出一排螺栓受力即可，圖19中主梁外側(cè)螺栓受力大于主梁內(nèi)側(cè)，只需列出外側(cè)螺栓最大受力。螺栓受力具體值如表7～10所示。

圖16 前支腿附近主梁上部螺栓的受力

圖17 前支腿附近主梁下部螺栓的受力

圖18 中支腿附近主梁上部螺栓的受力

圖19 中支腿附近主梁下部螺栓的受力

表7 前支腿附近主梁上部螺栓受力 N

通過分析表7～10可知，螺栓受力最大值為38 821.3 N，小于許用力[f]；所以，在架邊梁狀態(tài)下，螺栓受力滿足要求。

表8 前支腿附近主梁下部螺栓受力 N

表9 中支腿附近主梁上部螺栓受力 N

表10 中支腿附近主梁下部螺栓受力 N

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過螺栓群連接實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)主梁腹板拼接，以調(diào)節(jié)主梁剛度和強(qiáng)度，利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)架20 m與30 m跨時(shí)架橋機(jī)主梁進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析，結(jié)果表明該架橋機(jī)可以滿足強(qiáng)度和剛度要求。

(2)利用大型有限元軟件ANSYS分析了架20 m與30 m跨時(shí)架橋機(jī)主梁拼接腹板區(qū)高強(qiáng)螺栓群的受力情況，并分別對(duì)3個(gè)承載工況下的高強(qiáng)螺栓群的承載力進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明，螺栓群的受力滿足要求。該研究方法同樣可以對(duì)其他大型箱梁結(jié)構(gòu)螺栓連接的受力情況分析提供參考。