鋁合金梁外桁架檢查車力學性能分析

孫睿成

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

關鍵字：SAP2000；檢查車；桁架結構；力學分析

0 引言

橋梁作為我國連接各地的主要交通要道，影響著城市之間的經濟發(fā)展和社會進步，在現代交通體系中發(fā)揮著不可或缺的作用.為提高橋梁的使用安全性和耐久性，需要定期的對橋梁進行全方位的檢查與維護要求[1].衡亞霖設計了一種性能好、穩(wěn)定性高的檢查車，研究表明通過增大履帶與主攬接觸面積使整體的抗風性能增強[2].和麗梅改良了一種桁架式高性能的檢查車，研究表明該檢查車的工作平臺通過稍軸與旋轉桁架連接，在結構上有了創(chuàng)新[3].鄧巧利通過研究港珠澳大橋組合梁梁外檢查車，指出目前國內檢查車的不足，提出改進并通過有限元分析計算，使得檢查車既達到了安全可靠，節(jié)能環(huán)保，又提高了經濟效益[4].

本文以一種鋁合金梁外桁架檢查車為例，在真實負載驅動系統(tǒng)運行的環(huán)境下，進一步提升梁外檢查車的安全性和效率性.運用SAP2000軟件對該鋁合金梁外桁架檢查車進行有限元模擬，研究檢查車結點位移，支座反力等是否滿足正常使用要求.

1 工程概況

該工程為云南某地的高速公路橋，橋面距江面163 m，設計車速為80 km/h，橋梁標準寬度25.5 m，荷載設計標準為城-A級標準.桁架梁高23.5 m，跨度14.8 m.檢查車主要由桁架系統(tǒng)、龍門架、驅動系統(tǒng)、電器控制組成.其中桁架系統(tǒng)主要由桁架梁和欄桿組成，桁架結構主要承受自重及操作人員、維護檢查器具物品等荷載.為了增加桁架材料的耐久性，主體采用材質6061-T6規(guī)格的鋁合金管(力學性能詳見表1)，可以有效減輕檢查車的質量并大幅提高桁架的使用壽命.其中方管的截面尺寸為100 mm×100 mm×6 mm和50 mm×50 mm×5 mm，分為作為上下弦桿和腹桿.維修人員可通過檢查車端部沿桁架爬籠進入檢查車中，進行維護檢查作業(yè).檢查車不使用時應?？坑谶^渡墩旁，臨時?？繒r采用工具使檢修車與軌道固定，避免滑移.檢修人員可以通過使用無線遙控發(fā)射器來控制檢查車運行.

2 SAP2000有限元分析計算

2.1 檢查車模型的建立

有限元模型建立得是否合理，直接影響著有限元后續(xù)的計算精度和進程.該鋁合金梁外檢查車采用的桁架結構，因桿件構件和連接節(jié)點數量較多，結構構造較復雜，為了簡化模型，運用AutoCAD軟件按照不同的截面尺寸大小分類進行三維建模，接著將模型文件輸出為dxf格式，并在有限元軟件SAP2000中打開，如圖1所示.按照標準定義材料為6061-Ti鋁合金的屬性參數，并分別分配到不同尺寸的桿件中，完成桁架模型的創(chuàng)建.

表1 6061-T6鋁合金的力學性能

圖1 桁架結構模型

2.2 有限元計算工況

檢查車是桁架結構體系，各桿件截面形心軸線將匯交于節(jié)點處.因此，桁架結構的內力計算通常是按照鉸接約束來處理，所有荷載都施加在桿件各節(jié)點處[5].為了檢驗檢查車的安全性，需要在工作狀態(tài)下分析其荷載下的力學性能，分為2種實際工況：工況1，在正常使用極限狀態(tài)中，操作人員作用于桁架跨中處，風荷載水平作用于桁架平面(6級)；工況2，在正常使用極限狀態(tài)中，操作人員作用于桁架懸臂端處；風荷載水平作用于桁架平面(6級)[6].

在分析計算桁架主體強度時，結合有關設計標準和實際工作的情況，需要考慮以下荷載：

1) 恒荷載.主桁架自身重力為30.357 kN，在進行有限元軟件SAP2000分析時，系統(tǒng)默認自行添加.

2) 活荷載.分別為施工人員及焊接或噴漆設備重力：均布荷載20 kN、小車集中荷載10 kN和兩端桁架爬籠的重力2 600 N.

3) 風荷載.根據《起重機設計標準》，檢查車最大運營風速為6級(12 m/s)，桁架結構風荷載為

PW=CKhqA，

式中：C為風力系數；Kh為風力高度變化系數；q為計算風壓；A為迎風面積.

根據《起重機設計規(guī)范》(GB 3811—2008-T)，直邊型杠桁架結構風力系數C=1.7.橋面距江面高度163 m處，取Kh=2.23.桁架截面2點間隔比a/b=724/700=1.03≈1；桁架的充實率φ=各桿實際積/結構輪廓面積=0.26，參考新規(guī)范表，擋風折減系數η=0.654.

工作狀態(tài)時，下桁架結構的總迎風面為

A=φA1(1+η)=0.26×(32.62×0.724)×

(1+0.654)=10.156 m2.

以此類推，上桁架結構的總迎風面積為

A=φA1(1+η)=18.75 m2.

桁架結構在6 級風作用時，受到的風載荷為

PW=1.7×2.23×150×18.75=16 437 N.

根據《建筑結構可靠性設計》(GB 50068—2018)按正常使用極限狀態(tài)設計時，采用標準組合：1.3活荷載+1.5風荷載+1.5集中荷載+1.5均布荷載，分別定義2種工況.

通過SAP2000軟件模擬出2種工況下的加載方式：

1) 工況1.用SAP2000軟件默認自行添加桁架的恒荷載，添加的均布荷載為0.618 kN/m，由于檢查車走道板長度為32.62 m，主桁架上共設置144個節(jié)點，每個節(jié)點平均施加140 N的力.添加小車的集中荷載為10 kN，施加于主桁架一側端部8個節(jié)點上，每個節(jié)點平均受到1 250 N的力.添加的桁架爬籠的重力大約是2 600 N，平均施加在桁架兩側端部的8個節(jié)點上，每個節(jié)點平均受到325 N的力.桁架的風荷載大約為1.6437 kN，迎風面共有100個節(jié)點，每個節(jié)點平均受到165 N的力，考慮檢查車桁架結構強度.

2) 工況2.恒荷載、均布荷載、風荷載以及爬籠質量依照工況1施加在桁架結構上；添加小車的集中荷載作用施加于主桁架跨中部位，考慮檢查車桁架結構強度.

2.3 運行結果分析

2.3.1 支座處節(jié)點內力計算

根據鋼箱梁的結構形式，這種鋁合金梁外桁架檢查車采用懸掛式吊車方案，驅動機構通過鋼輪履帶輪倒置于工字鋼軌道上.桁架與驅動機構通過龍門架相互連接在一起，在電機的驅動下運行，所以檢驗龍門架的承載力及螺栓強度等情況，必須要分析檢查車支座處的受力情況[7].按照規(guī)范計算工況1，通過SAP2000將恒荷載、活荷載、風荷載按照實際情況定義出工況，得到支座節(jié)點內力圖(見圖2)，分析得出桁架支座處最大內力出現在豎直方向，為32.077 kN.計算工況2得到豎直方向最大的支座節(jié)點內力為25.972 kN(見圖3).發(fā)現數值都小于此處螺栓的連接強度，表明檢查車制作連接牢固可靠，在實際工作狀態(tài)下此處的連接強度符合設計要求.

圖2 工況1下的節(jié)點內力

圖3 工況2下的節(jié)點內力

2.3.2 節(jié)點位移計算

當桁架處于工作狀態(tài)下，桁架主要承受檢修人員和維護檢測器具等物品的質量以及高空位置上的風荷載、活荷載與均布荷載.檢查車運動至端部區(qū)域時，此時桁架結構在其端部處的變形最大.當檢查車運動至跨中區(qū)域時，此時桁架在其跨中點處的位移變形將最大.

應用SAP2000分析得到，當梁外檢查車處于端部時，桁架的最大位移為9 mm(見圖4)，當檢查車處于跨中時，桁架的最大位移為 1.4 mm(見圖5).分析所得最大位移小于《鋁合金設計規(guī)范》(GB50429—2007)最大撓度的容許值，檢查車在該工況下能正常工作.

2.3.3 桁架桿件軸力計算及應力比

通過SAP2000有限元分析得到軸力和應力比來演算桁架桿件的設計強度.當檢查車在工況1下作用于懸臂端時，最大應力比為0.546，最大軸力為23.611 kN(見圖6).當檢查車在工況2作用于跨中時，最大應力比為0.34，最大軸力為 14.02 kN(見圖7).這2種工況所計算的應力比和軸力均符合設計規(guī)范，低于6061-Ti鋁合金所能承受的最大應力比和軸力.說明檢查車在實際工作狀態(tài)下桁架結構安全牢固，且力學性能符合其規(guī)范要求的.

圖4 工況1下的節(jié)點位移云圖(單位：mm)

圖5 工況2下的節(jié)點位移圖及變形圖(單位：mm)

(a) 應力比云圖

(b) 軸力分布

(c) 軸力數據圖6 工況1下的應力比和軸力數據

(a) 應力比云圖

(b) 軸力分布

(c) 軸力數據圖7 工況2下的應力比和軸力數據

3 結論

1) 該桁架結構支座處最大反力為32.077 kN，表明螺栓和龍門架的連接強度符合設計要求.

2) 該桁架結構在正常使用過程中最大節(jié)點位移為35.4 mm，在許可范圍內，表明檢查車具有較好的穩(wěn)定性.

3) 該桁架結構正常使用過程中最大應力比為0.546，最大軸力為23.511 kN，表明該桁架檢查車的設計強度能達到使用要求.