移動模架不同形式吊點結構有限元分析及優化

肖勇剛,彭文盈

(長沙理工大學土木與建筑學院,湖南長沙 410004)

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移動模架不同形式吊點結構有限元分析及優化

肖勇剛,彭文盈

(長沙理工大學土木與建筑學院,湖南長沙 410004)

摘要:移動模架施工方法廣泛用于中國橋梁施工中,在高墩情形下需對模架進行整體提升,吊點處受力較大。文中以MSS55移動模架整體提升為背景,運用MIDAS FEA軟件對2種不同形式吊點結構進行建模分析,針對受力不利位置進行結構優化研究。研究表明,2種形式吊點最大應力均出現在吊點下板與主梁底板相連的圈筋處,增加圈筋的厚度和寬度可改善圈筋部位受力狀況,改變豎向加強筋板的數量和位置可使結構受力更為合理。

關鍵詞:橋梁;移動模架;整體提升;有限元建模;吊點形式

移動模架施工技術施工周期短,適用范圍廣,在橋梁施工中應用廣泛,國內外學者也對移動模架作了許多研究。Povoas A.A.、Pedro Pacheco等針對移動模架系統應用于大跨度情形進行了研究;景強、王立超、章征宇等通過有限元建模分析了移動模架在不同工況下的受力,結果表明其強度、剛度、穩定性均滿足使用要求;程曄等對移動模架高空拼裝技術進行了研究;潘大鵬、姚應洪等研究了移動模架的整體提升技術,并與實際工程進行結合,將移動模架應用于高墩情形;盛英全等對高墩情形下移動模架提升過程進行了動力分析,研究了千斤頂不同步和風荷載作用對移動模架提升的影響;周清長、李海青等研究了移動模架行走過程對橋墩結構的影響,提出了在施工過程中對橋墩的應力和變形加以監測的建議。移動模架整體提升是其應用于高墩情形時的一個重要工序,在整體提升過程中吊點局部結構需承受極大的拉力,對該局部結構進行分析研究很有必要,對實際工程應用也有指導意義。該文運用MIDAS FEA建立有限元模型,對移動模架不同形式吊點結構進行分析和優化。

1 有限元模型的建立

在建某橋梁采用MSS55移動模架施工,橋墩高度大于35 m,采用整體提升的方法將模架一次提升到位。該工程有2種不同的吊點形式:一種采用吊耳形式(稱為吊點形式1,如圖1所示),另一種采用鋼絞線直接錨固于移動模架主梁的形式(稱為吊點形式2,如圖2所示)。

運用有限元分析軟件MIDAS FEA對該結構中2種不同形式的吊點進行建模,研究其在相同吊點拉力作用下的受力。

圖1 吊點形式1示意圖(單位:mm)

圖2 吊點形式2示意圖(單位:mm)

建模中采用實體單元對結構進行模擬,吊點形式1模型中建立單元38 835個、節點12 017個;吊點形式2模型中建立單元41 414個、節點13 017個。材料為Q345,彈性模量取206 GPa,泊松比取0.3,密度取7 850 kg/m3。由于結構的對稱性,建模中僅取吊點部位結構的一半進行研究。模型如圖3和圖4所示。

圖3 吊點形式1有限元模型

圖4 吊點形式2有限元模型

2 結構應力分析

2個模型的von Mise應力云圖如圖5、圖6所示。從中可看出:在相同吊點拉力作用下,主梁受力均出現明顯的應力集中效應,吊點部位附近區域應力較大,而遠離吊點的部位應力較小。吊點形式1的最大應力為149.281 MPa,吊點形式2的最大應力為136.574 MPa,前者較后者增大9.3%,均出現在吊點下板與主梁底板連接的下部圈筋部位;離吊點下板距離近的位置應力較大,隨著距離增大應力值逐漸變小;吊點形式1的應力值大于吊點形式2,在承受相同吊點拉力情況下,吊點形式1中筋板部位受力較為不利。針對該部位應力較大的情況,可通過增大圈筋厚度或寬度等構造措施來改善。

圖5 吊點形式1應力云圖(單位:MPa)

圖6 吊點形式2應力云圖(單位:MPa)

吊點下板應力較大部位出現在吊點拉力作用區域附近;頂板上應力較大的部位出現在吊點拉力作用區域上方,在布置有豎向筋板的部位表現得更為明顯,但應力值較下板小。可見,豎向加強筋板的構造對頂板應力的分布有著重要影響,在吊點設計時可通過調整豎向加強筋板的構造和位置來實現頂板應力的合理分布。在連接頂板與吊點下板的豎向筋板處,2種形式吊點均出現較大的應力,吊點形式2中應力值比吊點形式1大。這是由于吊點形式1設置了更多的豎向筋板,且分散程度更大。在工程應用中可通過增加豎向筋板的布置及對筋板位置進行優化來使結構受力更趨合理。

3 結構變形分析

吊點下板以上部位發生向上的撓曲變形,吊點下板以下部位發生向內的撓曲變形。2個模型的應變云圖如圖7和圖8所示。從中可以看出:2種吊點形式變形較大處均位于吊點下板以上部位,吊點形式1的最大變形量為2.966 49 mm,吊點形式2的最大變形量為2.332 99 mm,前者比后者增加27.2%。從吊點下板以下部位來看,吊點形式1的變形比吊點形式2的大。

圖7 吊點形式1變形云圖(單位:mm)

圖8 吊點形式2變形云圖(單位:mm)

4 結構優化設計

2種吊點形式結構的最大應力均出現在吊點下板與主梁底板連接的圈筋處,在吊點形式1中表現得更為明顯。

4.1 吊點形式1的優化

針對吊點形式1進行結構優化設計,通過增大圈筋的厚度或寬度來改善該部位結構的受力。優化方案一、二為增加該處縱向圈筋的寬度,方案一增加5 cm,方案二增加10 cm;方案三、四為增加該處橫向圈筋的厚度,方案三增加2 mm,方案四增加4 mm。各優化方案計算結果如表1所示。

各優化方案的計算結果表明:增加縱向圈筋的寬度可有效改善圈筋部位受力,結構最大應力不再出現在圈筋部位;增加橫向圈筋的厚度對改善圈筋部位受力效果不那么明顯,結構最大應力仍出現在圈筋部位。針對圈筋部位的結構優化采用增加縱向圈筋寬度的形式更為有效。

表1 吊點形式1各優化方案計算結果對比

吊點形式1中吊點下板也出現了局部應力較大的情況,優化方案五采用在該部位增加一塊加強筋板的方式來改善。原結構局部應力如圖9所示,采用方案五優化后的局部應力如圖10所示。從中可看出:采用方案五優化后,結構橫向加筋板局部最大應力由原來的146.456 MPa降低至137.096 MPa,減少6.39%。可見,增加加強筋板對吊點局部結構受力具有明顯的改善作用。

圖9 原結構局部應力云圖(單位:MPa)

圖10 方案五局部應力云圖(單位:MPa)

4.2 吊點形式2的優化

吊點形式2中圈筋部位最大應力出現在縱向圈筋處,故對吊點形式2的優化主要是增加縱向圈筋的寬度。優化方案一、二、三、四分別為增加圈筋寬度20、50、70、100 mm。各優化方案計算結果如表2所示。

表2 吊點形式2各優化方案計算結果對比

從表2可以看出:當縱向圈筋寬度從原結構的100 mm增加至120 mm時,圈筋處應力反而從原來的136.574 MPa增加至164.283 MPa;筋板寬度增至150 mm時,應力增至143.794 MPa,但應力值較方案一減小;圈筋板寬度在150 mm的基礎上繼續增加時,圈筋處應力逐漸減小。出現方案一、二結果的原因是在距結構對稱面120 mm處,吊點下板以上部位設置有貫穿主梁橫向的加強筋板,隨著圈筋寬度增大,圈筋邊緣至上部加強筋板距離逐漸變小,圈筋處最大應力增大;寬度繼續增大,圈筋邊緣至加強筋板距離又逐漸增大,圈筋處最大應力減小。因此,在工程應用中,圈筋邊緣不可與上部加強筋板位置重合,應有一定的錯開距離。

5 結論

在移動模架整體提升一次到位過程中,移動模架各吊點部位承受很大的吊點拉力。該文通過有限元建模,研究了不同吊點形式在承受相同吊點拉力情形下的受力,結論如下:

(1)在相同吊點拉力作用下,2種形式吊點最大應力均出現在吊點下板與主梁底板相連的圈筋處,可通過增大圈筋寬度或厚度的方式對該部位結構進行加強。

(2)對吊點形式1圈筋進行加強,增大縱向圈筋寬度比增大橫向圈筋厚度更為有效。

(3)增大圈筋寬度可有效改善吊點形式2的圈筋部位受力,但應注意與上部加強筋板位置錯開。

(4)豎向加強筋板對吊點部位應力分布有著重要影響,其數量與布置位置會影響吊點處結構的應力分布,在實際工程應用中可對豎向筋板進行設計上的優化使結構受力更趨合理。

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收稿日期:2016-01-15

中圖分類號:U441

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0150-04