DP60/30B型架橋機工況及振動特性分析

摘 要：利用ANSYS對DP60/30B型節段拼裝架橋機的各施工工況進行有限元分析，結果表明架橋機施工過程滿足強度及剛度要求。對結構進行模態分析和諧響應分析，得到2個會使主梁產生較大響應的頻率，分別為0.180Hz和0.409Hz。所得結論對施工安全有一定的指導意義。

關鍵詞：架橋機；有限元分析；模態分析；諧響應分析

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0054-03

Analysis of Operating Conditions and Vibration Characteristics on

Type DP60/30B Bridge Girder Erection Machine

HAN Linshan JIN Kang NIU Shuai

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The finite element analysis of each operating condition of type DP60/30B bridge girder erection machine was carried out by ANSYS. The results showed that the construction process of bridge erection machine met the requirements of strength and rigidity. Modal analysis and harmonic response analysis of the machine were carried out to get two frequencies （0.180Hz and 0.409Hz） which may make girder a greater response. The conclusion has instructional significance to construction safety.

Keywords： bridge girder erection machine；finite element analysis；modal analysis；harmonic response analysis

我國路橋建設的發展使得架橋機、移動模架等大型起重運輸設備的使用越來越多[1]。DP60/30B型節段拼裝架橋機是將預制的混凝土節段梁依次運往施工橋跨拼裝并架設的起重設備，其施工工法具有工期短、對橋下交通影響小以及架梁質量高等優點。架橋機的整機尺寸大、設備質量大且結構復雜，再加上工況、載荷及約束較多，對設備的每個部分都進行計算非常困難。因此，本文采用ANSYS軟件對DP60/30B型架橋機進行建模及有限元分析，檢算架橋機在各個工況下的安全性。另外，天車的往返移動使得架橋機經常處于動載荷之下，故有必要對架橋機的振動特性進行分析。通過模態分析和諧響應分析可以找到架橋機固有頻率所在的范圍以及架橋機響應最大時對應的頻率[2]，根據所得結果對引起振動的結構進行頻率分析，以避免共振現象的發生。靜態結構和振動性能的分析有利于提高設備的安全性，對結構的設計及使用具有極大的指導意義。

1 DP60/30B架橋機有限元分析

1.1 架橋機結構簡述

如圖1所示，DP60/30B型階段拼裝架橋機由主梁、聯系梁、支腿、托輥及天車等結構組成，設備總長76m，架設跨度30m。其中主梁采用雙梁式鋼箱梁結構，由聯系梁等結構連接；支腿包括前、中、后3個支腿。主梁及支腿鋼材為Q345。

1.2 架橋機工況分析

架橋機完成一跨架設的過程包括架梁和過孔兩大階段，兩個階段均包含多個工況。本文選取設備施工的幾個關鍵位置作為分析工況，具體工況如下：工況1，天車吊起第9節梁段（其余梁段已到位）前進到后支腿正上方；工況2，天車吊起第9節梁段（其余梁段已到位）前進到中支腿正上方；工況3，所有梁段已到位，1～6節短吊掛通過螺紋筋懸掛在主梁內側，7～9節長吊掛懸掛在主梁外側挑梁上；工況4，所有梁段已到位，1～6節短吊掛懸掛在主梁內側，第7、8節長吊掛懸掛在主梁內側；第9節仍懸掛在外側挑梁上；工況5，架橋機過孔開始（移動0m），中支腿、前支腿脫空，托輥于前支腿后方1.5m撐起主梁，配合后支腿走行輪箱帶動架橋機前移；工況6，架橋機過孔25m，中支腿、前支腿保持脫空，托輥接近中支腿；工況7，架橋機過孔25m，天車于主梁后端吊起墩頂塊配重，中支腿走行輪箱支承于軌道，前支腿保持脫空，托輥懸掛于主梁。

1.3 有限元分析

運用APDL語言編寫相應的有限元分析文件。主梁、支腿均采用三維梁單元beam188模擬，其截面通過自定義的方式讀入，建立截面時采用平面單元plane82進行網格劃分。

在ANSYS中運行各工況的APDL文件，求解完成后查看各部分結構的計算結果，如表1所示。限于篇幅，此處以工況3為例對有限元計算結果進行分析。圖2～6分別為架橋機各結構應力和豎向變形云圖，其中主梁最大應力為143.4MPa，發生在前跨跨中位置，最大位移變形為-54.1mm；中支腿最大應力為199.7MPa，發生在立柱頂端；后支腿最大應力為101.54MPa，發生在立柱底端。由于主梁支腿均為組焊件，材質為Q345，取安全系數為1.34，則許用應力為257MPa。根據相關標準[3]，主梁許用撓度為：L/500=（30×103）/500=60mm。綜上，主梁和支腿均滿足強度及剛度條件。

2 主梁振動特性分析

2.1 模態分析

DP60/30B型架橋機由于采用階段拼裝的工藝，在架梁過程中天車會在主梁上方來回移動，還有過孔時整機整體前移的情況，因此有必要對主梁進行動力特性分

析。選擇架梁工況下的模型為研究對象，首先進行模態分析，設定階數為20，得出模型前20階固有頻率及振型（限于篇幅不在單獨列出）。結果顯示，前20階固有頻率范圍為0.103～0.701Hz。由于架梁過程振動激勵主要來源于天車，所以此處對天車各結構頻率作簡要分析。電動機轉速取940r/min，則頻率為15.7Hz，遠大于第20階固有頻率；天車移動速度3m/min，輪直徑0.4m，可求得移動時的振動頻率為0.039 8Hz，小于第1階固有頻率；卷揚機起升速度1m/min，卷筒直徑1m，則起升頻率為0.005 3Hz，遠小于第1階固有頻率。因此，架橋機不會由于天車激發共振現象。

2.2 諧響應分析

諧響應分析用于確定線性結構在承受隨時間按正弦規律變化的載荷時的穩態響應[4]，能得到位移與頻率的曲線關系。對模型進行諧響應分析，設置簡諧激勵為1萬N，沿Y軸負向分別施加在前跨跨中位置的節點2510和4052上，頻率范圍為0～1Hz，載荷子步數為40，分析結果如圖7所示。

圖7為架橋機最大豎向（Y向）和橫向（Z向）位移隨頻率的變化曲線，可以看出豎向位移出現峰值時對應的頻率與固有頻率的第4階（0.180Hz）、第11階（0.409Hz）、第18階（0.549Hz）相照應，最大響應位移為43.2mm；橫向位移出現峰值時對應的頻率與固有頻率的第1階（0.103Hz）、第2階（0.144Hz）、第5階（0.213Hz）相照應，最大響應位移為9.2mm。綜上可知，主要響應方向為豎向，架橋機在頻率為0.180Hz和0.409Hz時響應最大，分別為43.2mm和35.8mm。

3 結論

基于ANSYS對DP60/30B型架橋機金屬結構進行了有限元分析，檢算了多個工況下結構的應力和變形情況，結果表明架橋機各部分結構均滿足強度和剛度要求。

對架梁狀態下的架橋機主梁進行了模態和諧響應分析，證明了天車不會引起設備共振，找到了引起結構較大響應的頻率為0.180Hz和0.409Hz，施工時應盡量避免此種外界頻率對架橋機產生激勵。

參考文獻：

[1]姚聰.我國公路橋梁建設現狀與發展趨勢[J].黑龍江科技信息，2011（4）：241.

[2]嚴大考，趙運濤，袁昕.DF50/160架橋機主梁的動力諧響應分析[J].山西建筑，2009（10）：52-54.

[3]全國起重機械標準化技術委員會.起重機設計規范：GB/T 3811—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]李年維.YQ165T-40型架橋機結構動力性能及諧響應分析[J].工程抗震與加固改造，2011（5）：27-31.