重載橋式運輸框架計算及應用

摘要：本文采用ansys軟件，對國內重載橋式運輸框架進行驗算，在改變節點支撐桿位置的情況動載分析計算，驗算南方彎道多情況下，橋架強度和穩定性，并給出了處理措施。

關鍵詞：重載橋式運輸框架、強度、穩定性、屈曲強度、承載力

1. 概 述

隨著市政、石化、能源工程建設，大件運輸得到迅速發展，三超貨物（超高、超寬、超重）越來越多，橋梁凈空及公路軸載的限制，對運輸車輛要求更高。重載橋式運輸框架與液壓軸線車配合，可用于小于330t、長11m寬3.4m高5m的設備運輸。為拓寬應用范圍改造框架，并通過ANSYS軟件進行動載校核。

1.1 橋架結構說明

橋架為三段式設計，每段的長度均為11.5米。變壓器運輸時橋架的承載是動態載荷，故橋架的穩定性是重要安全因素。主框架上貨臺兩側對稱設計了18根拉桿，每根拉桿的位置按空間受力情況進行配置，以保證橋架滿足使用的穩定性要求。拉桿中間部分為φ140×10mm的無縫鋼管，兩頭為粗牙螺紋配合的接頭，以實現拉桿長度的可調節性，保證橋架組裝的工藝性和貨臺寬度可調性。

承載托梁最大載荷為320t，由兩牛腿或承載托梁承力后傳到中間主框架梁上。中間主框架受力后，通過銷軸連接傳遞到前后斜框架，傳到橫向均載梁上。拉桿起支撐穩定作用。

1.2 主要問題

1、橋架撐桿位置單邊外移0.94m，總移位1.88m，滿足變壓器空間（長寬高12.5m、3.4m、5m）。這將影響橋架整體穩定性，同時導致橋架整體的直線度、旁彎度加大。撐桿移位遠離節點0.94m，導致受力變化，局部連接板和焊縫應力惡化，可能導致局部失效。

2、如果運輸最大速度15公里/時，正常速度8公里/時。道路轉彎振動頻率為1次每秒。

1.3 驗算內容

主要驗算該橋架改造后是否可用，及南方彎路的適應狀況。

1、空間框架移位后橋架強度、整體穩定性驗算。φ140×10（mm）撐桿移位后能否滿足使用要求？

2、若滿足要求，該橋架改造、使用注意事項有那些？若不滿足要求，有何處理辦法？

2. 計算模型和假定

按照運輸施工碰到的問題，對橋架的承載力和作整體穩定和局部分析。驗算思路如下：① 直接對改造后的橋架建立計算模型（如圖3），先作一階線彈性分析，求出結構內力，并按照鋼結構規范進行常規的桿件設計檢驗。② 如果彈性分析結合規范檢驗通過，則表明桿件的承載力足夠，也認為強度不起控制作用。③ 作線性屈曲分析，求出橋架的“可能失穩形式”，按此形式考慮結構的初始缺陷，修改計算模型，并作考慮幾何非線性的整體穩定性分析，加載直到計算結果不收斂，認為結構已經破壞。④ 提出橋架整體穩定承載力的定義，并從“支座反力～控制點位移”關系曲線中提取承載力。按①～④思路分析時，基于以下幾個假定和原則：

（1）橋架自重分項系數取1.2，起吊重量（3200kN）的分項系數取1.4。

（2）如果彈性分析結構和規范檢驗表明構件的承載力足夠，則認為強度不起控制作用，鋼材仍然處于彈性階段，作非線性分析時不考慮材料非線性的影響。

（3）非線性屈曲分析計算的成果是支座反力～位移曲線，取承載力位移曲線直線段與曲線段分界點處對應的支座反力作為橋架的極限承載力。

（4）非線性分析時未考慮單元劃分密度對分析的影響。

3. 線彈性分析和規范檢驗

線彈性分析結果如下：結構第一周期1.243s，整體橫向擺動；第二周期0.741s，中間梁整體橫向對稱內外擺動；第三周期0.644s，結構整體橫向豎向擺動，伴隨有扭轉。構件的最大應力比為1.048，基本滿足要求。對應力比較大的構件，提取相應的軸力和彎矩進行手算，以校核程序規范檢驗的正確性。

3.1 拉梁上弦桿的承載力驗算

4. 屈曲分析

前4階屈曲荷載系數 為： ； ； ； 。若以豎向總和 作為結構的整體穩定承載力，這意味著按上述計算模型計算得到的各階屈曲承載力為 。屈曲分析未考慮結構的初始缺陷，計算結果總是高估結構的整體穩定承載力。為了得到橋架的真實承載力，考慮跨度的0.5%最大初始缺陷或最大制造誤差： 。

從前4階屈曲模態的荷載系數（或稱為荷載因子）和形狀看來，只有第2階屈曲模態是正對稱的，即只有對該模態進行非線性分析才能得到較大支撐桿的軸力（該軸力是壓力）；另外，第1～3階屈曲模態的荷載系數比較接近，稍有擾動或者初始缺陷均有可能成為首先屈曲的形式，必須進行非線性屈曲分析，而第4階屈曲模態的屈曲荷載系數較大，一般情況下橋架不會按此模態屈曲，故作非線性分析時不考慮。第一階～第四階屈曲模態的形式和荷載系數如圖3～6所示。

5. 非線性分析和橋架的承載能力

以屈曲分析計算得到的前三階屈曲模態為基礎，考慮0.5%的初始缺陷后，分別建立三個模型進行非線性屈曲分析，計算結果列于表1。表1的極限承載力和容許承載力按照假定3的條件進行定義。

6. 現場運輸施工結果

本文介紹了重載橋式運輸框架的動載計算方法，通過分析，無論是常規線彈性分析或者是非線性分析結果都表明承載梁、支撐桿的承載力、屈曲穩定是滿足要求的。按照計算模型的假定，所提供的承載力有局限性，也就時必須保證橋架的制造和裝配時其初始缺陷不超過5%。如果不能保證該缺陷的容許值，要按照新的初始缺陷值重新進行整體分析。再次驗算的數據接近額定設計值，與靜載計算相符，現場施工采取技術措施。

按照分析后，對重載橋式運輸框架進行處理，中間桁架梁與變壓器連成整體，變壓器負載靠近節點，減少撐桿受力，增大安全系數。在深圳貴廣Ⅱ回西電東送工程，順利完成了多臺320噸變壓器的運輸。

參考文獻

1、GB50017-2003《鋼結構設計規范》

2、王元清 李軒 白音 石永久 《河北工程大學學報》2008第二期《除塵器殼體縱梁承載性能的非線性分析》

作者：劉勇（1966-）江西宜春人 廣東力特工程機械有限公司 工程師 研究方向：起重運輸 結構