基于Simulation 有限元分析的新型蓋梁托架設(shè)計

陳 橋， 邱 根， 易榮華

（1.成都鑫澤機械有限公司， 四川 成都 611330； 2.大邑邑馨社會工作服務(wù)中心， 四川 成都 611330；3.四川望錦機械有限公司， 四川 成都 611332）

1 蓋梁托架主體結(jié)構(gòu)及工作原理

蓋梁托架主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，各構(gòu)件間、構(gòu)件與墩身已澆注部分間通過連接螺栓、傳動螺紋或摩擦力形成一個近似對稱的穩(wěn)定承重體。在蓋梁施工前統(tǒng)計標段內(nèi)所有墩身設(shè)計標高（H值），按相近高度劃分為6 個區(qū)段，各設(shè)1 撐桿加長節(jié)（圖1 序號6）。施工時根據(jù)每個墩身H值所處區(qū)段，配換對應的撐桿加長節(jié)結(jié)合球頭微調(diào)機構(gòu)（圖1 序號4）即可快速準確調(diào)出待澆注墩身設(shè)計標高和排水坡比。施工時產(chǎn)生的載荷（蓋梁載荷、模板載荷、托架自重、施工機具以及施工中產(chǎn)生的其他載荷），一小部分通過摩擦力抵消，剩下的通過件11 傳遞給件10 然后順接下傳，最后通過件4 傳遞給墩身沉臺[1]。

托架（順橋向）結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖2 為托架拼裝中的實景圖。

2 施工載荷分析

圖1 托架結(jié)構(gòu)

圖2 托架施工實景圖

設(shè)計時按施工中最不利的工況對托架做強度、剛度及整體穩(wěn)定性驗算。托架所承受的荷載為工字承重梁頂部對應的蓋梁重量、模板重量、托架自重、以及施工過程中所產(chǎn)生的施工荷載及人群荷載等。承重梁所承受砼重劃分見圖3，各蓋梁單元塊對應體積及重量如表1 所示。

圖3 承重梁載荷分配

表1 各蓋梁單元塊對應體積及重量（ρ=26 kN/m3）

考慮施工過程中所產(chǎn)生的施工荷載及人群荷載分別計為3 kN/m2、2 kN/m2。

3 托架結(jié)構(gòu)的建模及計算

托架專為工程（墩身蓋梁）施工而設(shè)計，因此對其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、剛度、強度都較一般結(jié)構(gòu)要高，針對托架細部結(jié)構(gòu)復雜、零部件多、計算量大的特點，基于三維實體模型，選用專業(yè)的三維軟件SolidWorks 中的Simulation 模塊對托架進行有限元分析。

3.1 實體建模

考慮到托架的細部結(jié)構(gòu)比較復雜、零部件多、計算量很大，因此在建模過程中進行了一定的簡化處理，略去或簡化了一些對計算結(jié)果影響不大的零件。由于托架的結(jié)構(gòu)形式、約束、載荷可以視為左右對稱和前后對稱，故計算時取托架模型的1/4 進行分析，以節(jié)省程序計算量，提高計算結(jié)果的精度，如圖4、圖5 所示。

圖4 三維模型

圖5 1/4 模型

3.2 定義材料、模型約束及載荷施加

對模型賦于碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，分析托架在工程施工中具體的可能工況，定義模型的約束為：托架底部球頭微調(diào)機構(gòu)的球頭螺桿座定義固定約束，主撐桿螺旋撐桿座位置定義固定約束，抱箍摩擦墊位置定義固定約束；由于該計算模型為1/4 模型，故在模型對稱面建立對稱約束。模型約束情況如圖6所示。

載荷施加情況為：根據(jù)前面所列表1 中的計算結(jié)果，在計算模型上對應位置加載垂直于工字分配梁上表面的均布面力、施加豎直向下的1/4 托架自重載荷，如圖7 所示。

圖6 約束

圖7 載荷

3.3 網(wǎng)格的劃分

模型的網(wǎng)格劃分情況如圖8 所示。網(wǎng)格類型為實體網(wǎng)格；最大單元大小為185.362 mm；最小單元大小為37.072 3 mm；網(wǎng)格品質(zhì)高；節(jié)點總數(shù)269 514，單元總數(shù)136 533。

圖8 模型網(wǎng)格劃分

3.4 計算結(jié)果分析

經(jīng)軟件計算，托架應力云譜圖如圖9 所示，由應力云譜圖知，托架絕大部分應力均低于145 MPa（低于材料Q235B 的工程許用應力157 MPa），托架最大綜合應力為193.8 MPa，位于三角承重架與鉸接座連接處，模型應力分布情況與工程實際情況符合，分析結(jié)果有效。

托架最大綜合應力193.8 MPa，僅發(fā)生在托架極少部位，為局部應力集中引起，對結(jié)構(gòu)整體使用性能影響不大，考慮托架實際使用工況的特殊性，在托架三角承重架與鉸接座連接處兩側(cè)各增加14 mm 加強綴板1 板進行優(yōu)化以改善受力情況。

托架綜合位移云譜圖如圖10 所示，最大綜合位移為0.359 9 mm。托架整體剛度足夠，位移情況滿足使用要求。

圖9 托架應力云譜圖

圖10 綜合位移云譜圖

3.5 小結(jié)

結(jié)合以上對有限元計算結(jié)果的分析，所設(shè)計托架的強度、剛度及整體穩(wěn)定性均可滿足蓋梁施工的要求。

4 結(jié)論

成仁（成都至仁壽）高速公路，被喻為“天府第一路”。該工程3 標段共有近120 多座高架橋橋墩，墩柱高度集中在6～12 m 之間，蓋梁排水坡比各不相同。若采用傳統(tǒng)的滿堂支架作蓋梁模板的支承方式進行墩身蓋梁部分的施工，不僅成本高，準確調(diào)坡困難，還會大大超出業(yè)主的工期要求，影響整個標段的施工進度。本文所述的新型托架在該標段橋墩蓋梁施工過程中的全面應用，為客戶成功解決了上述問題，取得了一定的經(jīng)濟社會效益。