運(yùn)營鐵路移動防護(hù)棚架吊裝數(shù)值模擬分析*

曹柵翅，王小軍,2

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074； 2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展，上跨既有線施工的情況越來越多，這對保障運(yùn)營線路的安全挑戰(zhàn)極大，為此需采用防護(hù)棚架對既有運(yùn)營路線進(jìn)行防護(hù)。國內(nèi)防護(hù)棚架在工程上應(yīng)用成功的案例有很多，如修建位于萍鄉(xiāng)市的宣風(fēng)袁河大橋連續(xù)梁時(shí)，跨滬昆鐵路既有線使用固定式防護(hù)棚架；修建福州—廈門客運(yùn)專線大頂山大橋時(shí)，上跨福泉高速公路行車道，使用大跨度防護(hù)棚架；修建武漢大道跨京廣鐵路使用巨型滑移式防護(hù)棚架等。以上工程都較好地解決了上跨既有線施工時(shí)對既有路線的安全防護(hù)問題。但防護(hù)棚架的吊裝是施工重難點(diǎn)，若控制不好，極易出現(xiàn)吊裝安全事故。為此，在考慮棚架自重、6級風(fēng)壓及吊裝過程中存在加速、勻速、減速情況下，借助ANSYS軟件對棚架吊裝過程中產(chǎn)生的提升、旋轉(zhuǎn)、下降進(jìn)行模擬計(jì)算，以期研究棚架吊裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形是否滿足其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，為防護(hù)棚架的順利安裝就位提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于寧波軌道交通4號線上跨杭深鐵路蕭甬段，為防止上跨橋梁合龍施工期間設(shè)備侵限、高空墜物等因素影響鐵路運(yùn)營安全，設(shè)置棚架對運(yùn)營鐵路進(jìn)行防護(hù)?？紤]到安拆便捷、防護(hù)快速到位及經(jīng)濟(jì)合理性，選用移動式防護(hù)棚架進(jìn)行鐵路防護(hù)。該移動防護(hù)棚架總長40m,分為4節(jié)，每節(jié)棚架寬17.66m、高12m。棚架采用逐節(jié)吊裝，先將拼裝好的1節(jié)棚架從拼裝區(qū)提升至離地12m，然后在保持高度不變的情況下，吊臂以22m為半徑旋轉(zhuǎn)90°，將棚架下放就位安裝至蕭甬鐵路段兩側(cè)布置好的走行軌上。棚架吊裝如圖1所示。

圖1 棚架吊裝

2 移動防護(hù)棚架吊裝基本計(jì)算

2.1 起重機(jī)選型

每節(jié)棚架材料自重33t，假設(shè)棚架附屬構(gòu)件如護(hù)欄、起吊索具等重3t，棚架走行系統(tǒng)重2t，則總吊重Q為38t。根據(jù)吊重計(jì)算荷載Q計(jì)：

Q計(jì)=K動K不Q

(1)

式中：K動為動荷載系數(shù)，取1.1；K不為不均衡荷載系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算，Q計(jì)為50.16t，考慮起重機(jī)需短距離載重行走，選擇400t履帶式起重機(jī)，當(dāng)?shù)醴鶠?2m,起重機(jī)臂長48m時(shí)，該型號起重機(jī)額定吊重Q額定為73t,滿足吊裝需求。

2.2 鋼絲繩選擇與驗(yàn)算

單根鋼絲繩受力P的計(jì)算公式為：

(2)

式中:P為起重機(jī)的計(jì)算荷載(t)；α為繩索與吊耳所處平面的夾角(°)，取60°；n為鋼絲繩根數(shù)，取4。

2.3 吊裝碰臂驗(yàn)算

移動防護(hù)棚架整體吊至離地12m，如圖2所示，根據(jù)圖中尺寸進(jìn)行碰臂驗(yàn)算。

圖2 棚架整體吊裝示意

3 移動防護(hù)棚架吊裝數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

吊裝時(shí)除考慮棚架結(jié)構(gòu)自重外，還需考慮6級風(fēng)荷載、線加速度、角加速度，棚架吊裝過程中結(jié)構(gòu)始終處于隨時(shí)間變化的受力狀態(tài)，故選擇瞬態(tài)動力分析類型。

棚架吊裝軌跡如圖3所示，假設(shè)整個(gè)吊裝過程中風(fēng)向始終不變，位置①處于提升操作時(shí)，風(fēng)壓垂直于棚架A面；位置②處于旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，A面風(fēng)壓FA=F風(fēng)cosθ，B面風(fēng)壓FB=F風(fēng)sinθ；位置③處于下降操作時(shí)，風(fēng)壓垂直于棚架B面,且隨高度的提升風(fēng)壓呈線性變化。

圖3 棚架吊裝軌跡

通過ANSYS/APDL命令流進(jìn)行棚架尺寸建模，由Endrelease命令對系桿、檁條、系梁進(jìn)行梁端約束釋放，創(chuàng)建鉸接約束。通過命令DK,WK,Number,Uy進(jìn)行強(qiáng)制位移，實(shí)現(xiàn)棚架的提升、下降；通過釋放Roty向約束及Domega命令施加角加速度，實(shí)現(xiàn)棚架旋轉(zhuǎn)。建模材料參數(shù)及使用單元如表1，2所示，棚架模型如圖4所示。

表1 材料參數(shù)

表2 棚架構(gòu)件截面尺寸及建模單元

圖4 棚架模型

3.2 棚架吊裝安全準(zhǔn)則

1)強(qiáng)度要求

依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,Q235鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa,抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125MPa。

2)剛度要求

從整體和局部兩方面衡量：①局部剛度 吊裝不同階段4根吊繩的拉力值不同，大跨度鋼結(jié)構(gòu)在可變荷載作用下產(chǎn)生的撓度容許值為L/500，即35mm；②整體剛度 棚架整體變形≤L/150，即118mm。

吊裝過程中，棚架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形超過安全準(zhǔn)則，吊繩拉力超過許用拉力[Fg]，棚架與吊臂碰撞，均認(rèn)為棚架吊裝作業(yè)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。

3.3 棚架吊裝提升過程模擬分析

吊裝過程考慮6級風(fēng)，風(fēng)速按13.8m/s計(jì)算，依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中相關(guān)風(fēng)荷載公式，將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓作用于棚架結(jié)構(gòu)。棚架提升時(shí)線加速度按100mm/s2，加速5s，此時(shí)提升速度為0.5m/s，未超過起重機(jī)額定起繩速度約2.3m/s。

3.3.1棚架提升過程中剛度分析

模擬提升操作時(shí)，加速階段與減速階段線加速度a相同，提升位移運(yùn)動方程如下：

(3)

式中：S為提升位移；T1為加速階段最終時(shí)刻；T2為勻速階段最終時(shí)刻；T3為減速階段最終時(shí)刻。

3.3.1.1局部剛度分析

模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，棚架頂部兩外側(cè)約束小、變形大(見圖5)，故以外側(cè)主梁撓度分析棚架局部剛度。取棚架模型外側(cè)主梁中點(diǎn)827結(jié)點(diǎn)、右端點(diǎn)879結(jié)點(diǎn)、立柱底端1 051結(jié)點(diǎn)，研究棚架提升運(yùn)動軌跡，并計(jì)算主梁撓度變形。

圖5 提升階段棚架變形

結(jié)點(diǎn)提升位移曲線如圖6所示。由圖6可知，第1階段0～5s為開口向上的拋物線，符合加速提升階段；第2階段5～24s為斜直線，符合勻速提升階段；第3階段24～29s為開口向下拋物線，符合減速階段，即棚架提升運(yùn)動符合式(3)所示位移運(yùn)動方程。

圖6 節(jié)點(diǎn)提升位移曲線

棚架吊裝過程中在風(fēng)壓作用下會發(fā)生傾斜，計(jì)算主梁傾角時(shí)忽略主梁與立柱間微小的角度變化，則主梁撓度W=Uy879-Uy827-Δh,其中Uy879為879結(jié)點(diǎn)豎向位移(mm)，Uy827為827結(jié)點(diǎn)豎向位移(mm)，Δh為主梁剛體轉(zhuǎn)動引起兩結(jié)點(diǎn)的豎向位移差(mm)，L柱為柱長(mm)。以29s時(shí)刻為例，主梁撓度W=10.7mm。

主梁撓度隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7可知：①加速階段 主梁撓度隨棚架提升高度的增加而變大，但在加速階段進(jìn)入勻速階段時(shí)，撓度發(fā)生“突變”式下降，這是棚架由超重狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)，吊繩對棚架的牽引力減小所造成；②勻速階段 隨著棚架提升高度的增加，風(fēng)壓增大，主梁撓度也有所增大；③勻速階段過渡到減速階段 主梁撓度值再次“突變”式減小后又有所上升，這是由于棚架豎向由平衡狀態(tài)過渡到失重狀態(tài)，吊繩對棚架的牽引力再次減小，隨后主梁撓度也有所增大。主梁最大撓度值為11.4mm<35mm，滿足吊裝局部剛度要求。

圖7 主梁撓度隨時(shí)間變化曲線

3.3.1.2整體剛度分析

以100mm/s2加速提升時(shí)，棚架最大水平向變形為103.6mm<118mm，滿足吊裝整體剛度要求。

3.3.2棚架提升過程碰臂分析

在風(fēng)力作用下，棚架提升時(shí)發(fā)生傾斜,存在與吊臂發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，由圖2可知,棚頂離地面24m高時(shí)，棚架左側(cè)端點(diǎn)與吊臂水平距離僅1 780mm。取棚架數(shù)值模型最左端223結(jié)點(diǎn)，繪制加速度為100mm/s2時(shí)結(jié)點(diǎn)水平位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。

圖8 棚架223節(jié)點(diǎn)水平位移曲線

由圖8可知，以加速度100mm/s2加速提升5s，29s完成提升操作，在6級風(fēng)力作用下，棚頂最左側(cè)223結(jié)點(diǎn)最終水平位移為415.4mm<1 780mm，說明棚架與吊臂不會發(fā)生碰撞。

3.3.3棚架提升過程中強(qiáng)度分析

以加速度100mm/s2加速提升時(shí)，棚架結(jié)構(gòu)的von Mises屈服應(yīng)力最大值為50.2MPa(見圖9)，遠(yuǎn)小于215MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；根據(jù)吊裝時(shí)棚架結(jié)構(gòu)的剪力圖，經(jīng)驗(yàn)算最大剪應(yīng)力為1.28MPa，遠(yuǎn)小于125MPa，說明抗剪強(qiáng)度不是控制因素。提升階段吊繩軸力為142.8kN，小于吊繩許用拉力216.8kN。綜上所述，在6級風(fēng)壓作用下，以加速度100mm/s2加速提升棚架，其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、碰臂及吊繩拉力驗(yàn)算，均滿足吊裝安全要求。

表3 棚架吊裝旋轉(zhuǎn)時(shí)各構(gòu)件von Mises屈服應(yīng)力 MPa

圖9 棚架結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力

3.4 棚架吊裝旋轉(zhuǎn)過程中數(shù)值模擬分析

對棚架吊裝旋轉(zhuǎn)在6級風(fēng)壓作用下，角加速度α按0.01rad/s2進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.4.1旋轉(zhuǎn)過程剛度分析

棚架吊裝旋轉(zhuǎn)位移方程如式(4)所示，其中θ為吊臂的起始位置與任意時(shí)刻位置的夾角。

(4)

3.4.1.1局部剛度分析

棚架結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中，除受吊繩、自重及風(fēng)壓作用外，還受向心力影響，不僅自身發(fā)生變形，也會產(chǎn)生整體偏斜。

棚架主梁撓度計(jì)算簡圖如圖10所示。旋轉(zhuǎn)過程中，棚頂主梁撓度=Uy827-Uy879-Δh。其中，Uy827，Uy879由時(shí)間歷程后處理POST26提取每個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)；θ1為主梁與水平線夾角；θ2為主梁傾角；θ3為傾斜后主梁與水平線夾角，θ3=θ1+θ2；h1為主梁頂點(diǎn)到水平線的垂直距離，為265mm；h2為傾斜后主梁頂點(diǎn)到水平線的垂直距離,其中剛體轉(zhuǎn)動引起的豎向位移差Δh=h2-h1；L1為1/2棚架水平跨度，為8 830mm；L2為主梁長度，為8 834mm。

圖10 棚架主梁撓度計(jì)算示意

因8.1s時(shí)刻棚頂外側(cè)主梁變形為最不利，以該時(shí)刻主梁撓度進(jìn)行計(jì)算，主梁變形如圖11所示。

圖11 主梁變形

依據(jù)該方法，角加速度α為0.01rad/s2，旋轉(zhuǎn)36.4s時(shí)，計(jì)算加速、均速、減速階段的主梁撓度分別為19.7，20.3，18.9mm，均<35mm，滿足局部剛度要求。

3.4.1.2整體剛度分析

棚架旋轉(zhuǎn)時(shí)最大水平向變形為91.9mm<118mm,滿足棚架吊裝整體剛度要求。

3.4.2旋轉(zhuǎn)過程中強(qiáng)度分析

棚架吊裝旋轉(zhuǎn)時(shí)各構(gòu)件von Mises屈服應(yīng)力如表3所示。

由表3可知，加速、勻速及減速各階段棚架各構(gòu)件von Mises屈服應(yīng)力為18.9～165.5MPa，均<215MPa,滿足棚架吊裝旋轉(zhuǎn)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。但受風(fēng)壓和吊裝旋轉(zhuǎn)影響，雙拼角鋼系桿出現(xiàn)局部應(yīng)力集中且扭轉(zhuǎn)變形，如圖12所示，建議增大系桿尺寸。

圖12 系桿變形

吊裝旋轉(zhuǎn)時(shí)吊繩最大軸力為185.8kN，比棚架吊裝提升時(shí)的吊繩最大軸力有所增加，但小于吊繩許用拉力216.8kN，滿足吊繩安全要求。

3.5 棚架吊裝下降過程中數(shù)值模擬分析

在6級風(fēng)壓作用下，棚架吊裝下降過程的加速度也按100mm/s2進(jìn)行數(shù)值模擬，主梁撓度與結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本與棚架吊裝提升過程的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果一致，強(qiáng)度和剛度滿足棚架吊裝安全要求。

該棚架吊裝下降過程中，主梁撓度的基本規(guī)律為：加速下降階段<勻速下降階段<減速下降階段。這是由于減速下降階段，棚架處于超重狀態(tài)，吊繩提供的拉力最大，故主梁受到的拉力也最大，撓度也最大。棚架吊裝提升與下降過程中風(fēng)的方向不變，但棚架吊裝旋轉(zhuǎn)了90°，所以棚架受風(fēng)壓作用的受力面會發(fā)生改變，使棚架在吊裝提升和下降過程中的擺動方向不同。下降階段棚架的主擺動方向?yàn)榇怪庇谄鹬貦C(jī)吊臂平面且沿鐵路線路方向，不會與吊臂發(fā)生碰撞，棚架下放時(shí)為避免觸碰鐵路接觸網(wǎng)，可由綁定在棚架立柱底端的定位牽引繩控制棚架擺動幅度，最后準(zhǔn)確安裝定位至走行軌上。

4 結(jié)語

1)跨既有鐵路線吊裝，安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大，通過對起重機(jī)選型、吊具選擇與驗(yàn)算、碰臂驗(yàn)算等措施，在很大程度上可降低吊裝過程中的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

2)移動防護(hù)棚架機(jī)動靈活，可實(shí)現(xiàn)大范圍防護(hù)，安拆方便，很大程度上降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。相比于固定式防護(hù)棚架，移動式防護(hù)棚架更適用于既有線旁狹小吊裝空間施工。