上行式移動(dòng)模架旋轉(zhuǎn)鼻梁機(jī)構(gòu)的有限元模擬

徐瑞君，王斌華，秘嘉川

(1.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；2.山東恒堃機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

移動(dòng)模架是現(xiàn)代橋梁、公路、高鐵建造施工中普遍使用的大型機(jī)械設(shè)備[1]，其能標(biāo)準(zhǔn)化施工作業(yè)，在滿足施工質(zhì)量的前提下大大提高施工效率，同時(shí)由于其操作簡(jiǎn)單，可以節(jié)省很多人力成本[2]。針對(duì)不同工況需要不同的移動(dòng)模架施工法[3-4]，常見(jiàn)的上行式移動(dòng)模架由主梁、鼻梁、上橫梁、下掛梁、支腿、小車、內(nèi)外模板和液壓千斤頂?shù)冉M成，下行式移動(dòng)模架由主梁、鼻梁、橫梁、牛腿、小車、內(nèi)外模板和液壓千斤頂?shù)冉M成，其能夠高效完成在橋墩上開模過(guò)孔與對(duì)混凝土合模澆筑等作業(yè)[5-6]。

鼻梁在開模過(guò)孔作業(yè)中會(huì)面對(duì)很多復(fù)雜工況，在對(duì)平曲線橋梁路段施工時(shí)，因橋梁平曲線半徑較小，鼻梁會(huì)使橋墩承受偏載，使整體施工安全性降低，故移動(dòng)模架縱移過(guò)孔的可靠性成為施工中關(guān)注的重點(diǎn)之一[7-8]。然而傳統(tǒng)的移動(dòng)模架分析很少考慮開模過(guò)孔時(shí)，鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊銷軸連接處的應(yīng)力情況，本文以上行式移動(dòng)模架開模工況下旋轉(zhuǎn)鼻梁為分析對(duì)象，將鼻梁各構(gòu)件間的旋轉(zhuǎn)連接塊旋轉(zhuǎn)到一定的角度，以適應(yīng)平曲線半徑500 m以下的曲線橋梁路段。選取橋墩32.7 m跨距下，橋梁施工直線段(鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊0°旋轉(zhuǎn)度)和平曲線(鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊3.5°旋轉(zhuǎn)度)兩種工況，進(jìn)行鼻梁開模過(guò)孔的有限元分析。

1 上行式移動(dòng)模架開模過(guò)孔原理

圖1為移動(dòng)模架過(guò)平曲線橋段的開模行走示意圖。上橫梁、下掛梁與主梁用銷軸鉸接，用于支撐澆筑混凝土，鼻梁將把上述機(jī)構(gòu)運(yùn)送到下一段橋墩處，以便進(jìn)行下一工況的混凝土澆筑。鼻梁和主梁由高強(qiáng)螺栓連接，開模行進(jìn)過(guò)程中鼻梁承擔(dān)主梁和設(shè)備重量；前支撐為桁架結(jié)構(gòu)，在開模過(guò)孔行走時(shí)支撐鼻梁；中支腿和后支腿為鋼板焊接箱型梁結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑時(shí)支撐主梁；在移動(dòng)模架開模過(guò)孔作業(yè)過(guò)程中，鼻梁由后縱移驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。

圖1 上行式移動(dòng)模架過(guò)平曲線橋段開模過(guò)孔行進(jìn)圖

2 移動(dòng)模架有限元模型建立

2.1 ANSYS有限元模型建立

圖2(a)所示為上行式移動(dòng)模架系統(tǒng)的主梁、上橫梁、下掛梁和鼻梁有限元計(jì)算模型。其中，移動(dòng)模架的整體結(jié)構(gòu)，包括主梁、上橫梁、下掛梁、鼻梁和支腿均采用ANSYS中梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，鼻梁和主梁由高強(qiáng)螺栓連接，鼻梁整體結(jié)構(gòu)后端和主梁采用全耦合的形式模擬螺栓群的連接。如圖2(b)所示為鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊處有限元模型局部視圖，其中需要精確分析的鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊采用板殼單元SHELL181模擬，鼻梁構(gòu)件間的連接銷軸采用實(shí)體單元SOLID185模擬。為模擬銷軸和套筒之間力的傳輸情況，銷軸和套筒之間的接觸面采用接觸單元模擬，鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊和鼻梁其余部分采用全耦合的連接方式來(lái)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，以滿足載荷由鼻梁傳送至鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊處的銷軸。

圖2 上行式移動(dòng)模架有限元模型

2.2 載荷施加形式

對(duì)于鼻梁結(jié)構(gòu)分析，為使仿真結(jié)果更接近于實(shí)際工況，需要將移動(dòng)模架的整體部分建模，滿足外載荷傳導(dǎo)形式為“下掛梁-上橫梁-主梁-鼻梁-鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊”的開模過(guò)孔實(shí)際工況。移動(dòng)模架開模過(guò)孔的載荷施加情況如下：主梁、上橫梁、下掛梁與鼻梁自重通過(guò) ANSYS 軟件自動(dòng)計(jì)算，外模板自重以外荷載方式施加在有限元模型上。如圖1(b)所示，該移動(dòng)模架共有8個(gè)下掛梁，每個(gè)下掛梁有受力對(duì)稱的6個(gè)支撐支點(diǎn)，開模縱移過(guò)程中，外載荷僅為外模板自重，將其等效施加在下掛梁的支點(diǎn)上。每個(gè)下掛梁相同支點(diǎn)編號(hào)所受載荷之和，如表1所示。

表1 開模過(guò)孔下掛梁施加載荷(單位：N)

2.3 約束條件

在移動(dòng)模架開模過(guò)孔實(shí)際工況下，小車與后縱移支撐主梁并驅(qū)動(dòng)主梁前進(jìn)，前支撐支撐鼻梁并給予鼻梁水平導(dǎo)向，故鼻梁在移動(dòng)模架開模過(guò)孔過(guò)程中施加約束情況如下：主梁在后縱移支撐處采用UX、UY、UZ的約束形式，鼻梁前端由前支撐支撐，前支撐滑梁的雙滑道分別支撐鼻梁的兩根下弦桿，其中一個(gè)支撐處采用UY豎向約束，另一個(gè)支撐處分別采用UY的豎向約束和UZ的水平約束，并通過(guò)改變約束位置模擬移動(dòng)模架鼻梁從開模縱移原點(diǎn)到縱移終點(diǎn)的多種過(guò)孔狀態(tài)。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊有限元結(jié)果分析

鼻梁開模行走時(shí)，會(huì)遇到直線段和平曲線橋梁的施工工況，對(duì)于平曲線橋梁的施工工況，可將鼻梁的旋轉(zhuǎn)連接塊自旋一定角度，以更好地適應(yīng)這種弧線段施工工況，故需要對(duì)旋轉(zhuǎn)連接塊處的銷軸及其套筒進(jìn)行力學(xué)仿真分析。

圖3、圖4為鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊旋轉(zhuǎn)0°和3.5°時(shí)銷軸的最大VonMises應(yīng)力云圖，其中，0°旋轉(zhuǎn)角上銷軸和下銷軸最大Von Mises應(yīng)力分別為151 MPa和57.8 MPa，3.5°旋轉(zhuǎn)角上銷軸和下銷軸最大VonMises應(yīng)力為159 MPa和59.6 MPa，0°和3.5°工況時(shí)的最大應(yīng)力接近，均小于許用應(yīng)力[σ]=523 MPa[9]，故均滿足強(qiáng)度要求，且在0°和3.5°工況下的最大應(yīng)力均發(fā)生在開?？v移行進(jìn)到鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊與前支撐接觸處。

圖3 0°旋轉(zhuǎn)角上銷軸(左)及下銷軸(右)最大應(yīng)力

圖4 3.5°旋轉(zhuǎn)角上銷軸(左)及下銷軸(右)最大應(yīng)力

圖5、圖6為鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊旋轉(zhuǎn)0°和3.5°時(shí)套筒的最大VonMises應(yīng)力云圖，其中，0°旋轉(zhuǎn)角上套筒與下套筒最大Von Mises應(yīng)力分別為162 MPa和36.7 MPa，3.5°旋轉(zhuǎn)角上套筒與下套筒最大VonMises應(yīng)力為162 MPa和34.2 MPa，0°和3.5°工況時(shí)的最大應(yīng)力接近，均小于許用應(yīng)力[σ]=230 MPa[9]，故均滿足強(qiáng)度要求，且在0°和3.5°工況下的最大應(yīng)力均發(fā)生在開模縱移行進(jìn)到旋轉(zhuǎn)連接塊剛好脫離前支撐時(shí)，且在旋轉(zhuǎn)連接塊與前支撐脫離接觸處到鼻梁前端還未與下一個(gè)前支撐接觸期間，套筒應(yīng)力穩(wěn)定在最大值附近。

圖5 0°旋轉(zhuǎn)角上套筒(左)及下套筒(右)最大應(yīng)力

圖6 3.5°旋轉(zhuǎn)角上套筒(左)及下套筒(右)最大應(yīng)力

圖7、圖8為鼻梁開模過(guò)孔按順序縱移不同距離時(shí)，在鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊分別旋轉(zhuǎn)0°和3.5°工況下，對(duì)應(yīng)的銷軸及其套筒的最大VonMises應(yīng)力分布圖，圖中開模縱移距離為22 m處即為上述開?？v移行進(jìn)到鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊與前支撐接觸處，此時(shí)銷軸處于最大應(yīng)力狀態(tài)。開?？v移距離為30 m處為鼻梁前端開始與下一個(gè)橋墩的前支撐接觸處，此時(shí)上銷軸和上套筒的應(yīng)力急劇變小，移動(dòng)模架整體回復(fù)到下一階段的開模縱移原點(diǎn)狀態(tài)。

圖7 鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊0°旋轉(zhuǎn)角開?？v移不同距離VonMises應(yīng)力分布

圖8 鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊3.5°旋轉(zhuǎn)角開?？v移不同距離VonMises應(yīng)力分布

3.2 開模縱移至最危險(xiǎn)工況時(shí)移動(dòng)模架整體有限元結(jié)果

由圖7、圖8可知，開?？v移最大應(yīng)力發(fā)生在鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊3.5°旋轉(zhuǎn)角開?？v移23 m時(shí)。此時(shí)整體軸向應(yīng)力為49.1 MPa，豎向變形為67.2 mm，滿足所需強(qiáng)度、剛度需求，如圖9所示。

圖9 開模縱移至最危險(xiǎn)工況時(shí)移動(dòng)模架整體有限元結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

1)移動(dòng)模架鼻梁承擔(dān)了橋梁建造施工中，運(yùn)送混凝土澆筑機(jī)構(gòu)的重要任務(wù)，其結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)，需要根據(jù)具體施工工況進(jìn)行力學(xué)分析，提供安全保障。移動(dòng)模架在過(guò)平曲線橋梁時(shí)，將鼻梁各構(gòu)件間進(jìn)行不同的角度旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同的平曲線橋梁，在提高移動(dòng)模架施工效率方面具有很大的優(yōu)點(diǎn)。

2)通過(guò)本文分析得出鼻梁在直線段(鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊0°旋轉(zhuǎn)度)與平曲線(鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊3.5°旋轉(zhuǎn)度)兩種開模過(guò)孔工況下，應(yīng)力滿足工況所需。

鼻梁開模縱移過(guò)程中，根據(jù)不同縱移距離對(duì)應(yīng)的VonMises應(yīng)力分布圖得出：開模縱移中，旋轉(zhuǎn)連接塊處銷軸的最大應(yīng)力發(fā)生在旋轉(zhuǎn)連接塊移動(dòng)至前支撐時(shí)；套筒的最大應(yīng)力發(fā)生在到旋轉(zhuǎn)連接塊剛好脫離前支撐時(shí)，且在旋轉(zhuǎn)連接塊與前支撐脫離接觸處后到鼻梁前端還未與下一個(gè)前支撐接觸期間，套筒應(yīng)力穩(wěn)定在最大值附近。

3)對(duì)比鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊0°和3.5°旋轉(zhuǎn)角時(shí)鼻梁的力學(xué)性能，可知與橋梁直線段施工(鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊0°旋轉(zhuǎn)度)相比，平曲線(鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊3.5°旋轉(zhuǎn)度)施工下，鼻梁旋轉(zhuǎn)連接塊處應(yīng)力不會(huì)明顯增大，驗(yàn)證了鼻梁構(gòu)件間設(shè)置旋轉(zhuǎn)連接塊以適應(yīng)平曲線橋梁的可行性。