MSS50雙幅整體澆筑式移動模架力學性能仿真分析

史妍妮　呂彭民　梁佳

摘要：以MSS50雙幅整體澆筑式移動模架系統(tǒng)為研究對象，用ANSYS有限元分析軟件對該移動模架系統(tǒng)進行整體建模。通過模擬仿真計算，得出移動模架系統(tǒng)的應力分布情況和變形情況，校核移動模架系統(tǒng)在最大受力狀態(tài)下其結構的強度、剛度以及屈曲穩(wěn)定性，同時給出主梁的撓度曲線，為模架預拱度調整提供理論依據。研究結果表明：該模架系統(tǒng)在最大受力狀態(tài)下，強度、剛度及屈曲穩(wěn)定性均滿足要求。

關鍵詞：移動模架；雙幅整體澆筑；力學性能；仿真模擬

中圖分類號：U445.36文獻標志碼：B

Abstract： An integral model of the MSS50 movable scaffolding system which has the function of double integral pouring was established by using ANSYS. In the finite element analysis software， the stress distribution and deformation condition were obtained， and the stress distribution， flexural rigidity and buckling stability under maximum stress condition were calculated. In addition， the girders deflection curve of movable scaffolding system was given. The simulations could provide theoretical basis for precamber adjustment of the system. The simulation results show that the stress distribution， flexural rigidity and buckling stability of MSS50 movable scaffolding system meet the engineering requirements.

Key words： movable scaffolding system； double integral pouring； mechanical property； simulation

0引言

造橋機是一種特大型造橋專用設備，學名叫滑移模架造橋設備（Move Support System，可簡稱為MSS），也叫移動模架造橋機[12]。造橋機施工是一種先進的、使用廣泛的橋梁施工工法，與傳統(tǒng)的預制箱梁、組合安裝和架設梁橋等有所不同，它集模板、支撐系統(tǒng)和過孔的功能于一體，在一系列支架難以搭設的地方（例如城市立交、高墩、水上等）施工時，其性能更加優(yōu)越。

本文研究的MSS50上行式滑移模架系統(tǒng)，是一種新型的可同時澆筑2幅混凝土箱梁的大型移動模架造橋設備，結構復雜，安全性能高。該設備可施工50 m 以內各種跨徑的橋梁、鼻梁同主梁間設轉鉸，可靈活適應不同平曲線半徑的橋梁施工，實現(xiàn)整機過連續(xù)梁，且可從已澆筑好的箱梁上前移或者后退。為確保施工的安全可靠性，需要對模架的結構進行受力分析。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，對該MSS50上行式移動模架系統(tǒng)在澆筑工況下的受力、變形以及屈曲穩(wěn)定性進行分析計算，驗算其結構設計能否滿足施工安全的要求，可為該模架結構安全性評價提供參考。

1有限元模型建立

該移動模架主要由主梁、導梁、中支腿、上梁、下橫梁、內外模板、螺旋頂等部件組成，結構如圖1所示。移動模架全長106.094 m，鼻梁為箱型結構，長50994 m；主梁為鋼箱梁，長5510 m，高5.42 m，寬250 m。

1.1ANSYS有限元模型建立

ANSYS有限元分析中主梁、鼻梁、下橫梁、中支腿、外模板采用三維空間板殼單元SHELL63模擬，上橫梁采用三維空間梁單元BEAM188模擬，上、下橫梁之間的吊桿采用三維空間桿單元LINK8模擬。在ANSYS中，梁單元BEAM188可以自定義梁截面形狀，這樣就可以保證所建上橫梁的截面形狀與實際相符合，達到準確模擬上橫梁的幾何結構的目的。

MSS50上行式移動模架系統(tǒng)的整體有限元分析模型如圖2所示，主梁內部詳細結構如圖3所示，共劃分單元232 796個，節(jié)點218 528個，其中板殼單元225 428個，梁單元6 332個，桿單元364個。

1.2計算荷載

由于該模型采用整體建模的方式，與實際工況接近，則計算結果精準。計算模型受到的載荷有：鋼筋混凝土箱梁結構、主梁結構、導梁、上橫梁、下橫梁、內外模板、螺旋千斤頂、人行道及輔助設備的自重。

為了保證移動模架的強度、剛度滿足要求，本文選取移動模架最大受力工況（50 m澆筑施工工況）作為核算工況。該工況混凝土澆筑長度為499 m，混凝土約重2 550 t。混凝土澆筑時作為流體形式，會對模板產生側向壓力，在處理混凝土的自重時，將混凝土對模板的壓力荷載直接以梯度荷載的形式施加在外模板上，如圖4所示。

1.3約束條件

主梁中支腿結構用空間三維板殼單元SHELL63進行模擬建模，在中支腿底部添加約束（UX、UY、UZ、ROTY、ROTZ），釋放X方向扭轉約束（ROTX）。

主梁后支點支撐在液壓千斤頂上，加約束時可在主梁后支點下方模擬鉸支座建模。用空間三維板殼單元SHELL63模擬鉸支座頂部，用空間三維梁單元BEAM188模擬液壓千斤頂；將梁單元頂部與千斤頂頂部面板的中心耦合，梁單元底端建立全約束；最后對千斤頂頂部面板其余節(jié)點與主梁后支點底部面板的節(jié)點方向耦合。

2有限元計算結果

2.1主梁結構的強度與剛度計算

主梁澆筑施工時，在混凝土自重與設備自重共同作用的情況下豎向總變形云圖，如圖5所示。

由分析可知主梁結構最大豎向總變形為

Uymax=86.2 mm

豎向總變形取絕對值，最大豎向變形位于主梁跨中間位置，處于施工方向第7、8號上橫梁中間主梁的內側腹板偏上部位。

造橋機現(xiàn)行強度計算采用的是許用應力法，對于塑性材料制造的零件，其計算應力[35]

σ≤σ=σsn

式中：σ為計算應力；[σ]為材料許用應力；σs為材料屈服極限；n為安全系數。

在橋梁混凝土澆注的過程中，滑移模架系統(tǒng)在工作過程中對最危險工況下的強度限制有其要求，對澆筑成型的混凝土箱梁結構的變形也有嚴格的限制。因此，還應該對滑移模架系統(tǒng)的剛度進行分析，即主梁的凈變形[69]。主梁凈變形是指不考慮滑移模架系統(tǒng)自重情況下主梁的變形。工程項目一般要求對混凝土澆注施工的撓跨比小于l/700，即最大凈撓度UY凈≤71.428 mm。主梁凈變形云圖如圖7所示。

最大豎向凈變形發(fā)生在施工方向第7號上橫梁位置的主梁頂板處，故主梁剛度滿足要求。

各橫梁位置處的主梁的豎向凈變形具體數值見表1，橫梁編號：施工方向從1～14。各橫梁位置處的主梁凈變形值的曲線圖，如圖8所示。該曲線為預拱度調整提供依據。

慮其結構穩(wěn)定性，以及結構失穩(wěn)時的臨界荷載[10]。本文利用ANSYS有限元分析軟件中的屈曲穩(wěn)定性計算分析模塊，對主梁的屈曲穩(wěn)定性進行分析計算。

由于用ANSYS進行結構的非線性屈曲分析需花費大量的時間和計算機資源，因此，在進行主梁的屈曲穩(wěn)定性計算時，不考慮移動模架系統(tǒng)的模板部分和下橫梁部分，將外模的自重和混凝土重量轉化為集中外載荷的形式加載在主梁上。

經過模擬仿真計算后，可得出MSS50移動模架系統(tǒng)的主梁一階失穩(wěn)變形圖，如圖9所示。由一階失穩(wěn)變形圖可知，主梁一階失穩(wěn)處于主梁中間內側腹板靠近頂板部位，一階屈曲特征值λ為1.721，可滿足主梁的穩(wěn)定性要求。

2.3橫梁結構強度與剛度計算

該移動模架系統(tǒng)的橫梁結構分為上橫梁和下橫梁兩部分，上橫梁用梁單元模擬，下橫梁用板殼單元模擬。橫梁結構有限元模型單獨建立。

2.3.1澆筑狀態(tài)橫梁結構強度與剛度計算

移動模架造橋機澆筑施工的過程中，處于墩頂附近的橫梁受力較大，選取受力最大的橫梁進行受力分析。此橫梁所承擔的所有載荷共2 262 kN。計算結果如下。

橫梁結構豎向變形云圖，見圖10，最大豎向變形為10.795 mm，位于下橫梁底部開模連接處。橫梁結構Von Mises應力云圖，如圖11、12所示。

上橫梁最大應力為122 MPa，由于材料用Q235B焊接而成，材料許用應力[σ]=158 MPa，故滿足強度要求。

下橫梁最大應力為170 MPa，材料用Q345B焊接而成，材料許用應力為[σ]=233 MPa，故滿足強度要求。

2.3.2開模狀態(tài)橫梁結構強度與剛度計算

移動模架造橋機在開模過程中，橫梁僅承受模板自重，此時1根橫梁所承的所有載荷共318 kN。計算結果如下。

3結語

（1）本文通過利用ANSYS有限元分析軟件對MSS50上行式移動模架造橋機結構進行整體建模，對移動模架系統(tǒng)結構的靜強度、剛度以及屈曲穩(wěn)定性進行分析計算，得出該MSS50上行式移動模架系統(tǒng)在最大受力工況下，其主梁結構的強度、剛度和屈曲穩(wěn)定性均滿足設計的安全要求。

（2）通過對該移動模架系統(tǒng)的模擬仿真分析，本文得出了模架施工時的主梁撓度曲線，該曲線可為模架的預拱度調整提供依據。

（3）對于移動模架系統(tǒng)的橫梁結構，分別選取澆筑工況和開模工況中受力最大的橫梁分別進行受力分析，經分析計算可知，橫梁系統(tǒng)的強度和剛度均滿足安全要求。

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[責任編輯：杜敏浩]