跨河橋梁浮式龍門吊主橫梁強度計算研究

趙俊達 程志友 衛澤亮 黃榮超

摘 要：以某跨河橋梁浮式龍門吊為對象，在極值工況下運用力學理論計算方法對其主橫梁進行強度分析，再利用ANSYS Workbench軟件創建主橫梁有限元模型，對其進行強度仿真計算。研究結果表明：兩種方式計算結果對比，主橫梁所受最大應力偏差為0.07%，最大位移偏差為5.83%，最大剪力偏差為0.107%，最大彎矩偏差約為0，偏差相對較小，故有限元分析法可以為浮式龍門吊的整體設計提供基本依據。

關鍵詞：浮式龍門吊;極值工況;主橫梁;結構強度;有限元

中圖分類號：TH123+.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0093-03

隨著橋梁建設事業的發展，浮式龍門吊的需求迅猛增加，對這一方面的研究也逐步增多。申燚[1]等利用ANSYS軟件對浮式起重機橫梁進行優化設計以提高結構性能;馬晨旭[2]等基于ANSYS對浮式起重機整體結構在不同傾斜角度和加載力下的情況進行仿真計算以得出最佳設計方案;Gerdemeli[3]等研究浮式龍門吊不同荷載組合情況下的數值計算方法，比較了各方法的優缺點;鄭惠強等[4]在多因素影響下，使用有限元方法對主、副鉤聯動作業的巨型浮式起重機進行了完整的設計分析。

1 工程概況

本文研究的跨河橋梁浮式龍門吊采用小浮箱組拼結合雙縱橫梁龍門吊的形式，主要由基座平臺（浮箱、浮箱分配梁、連系梁）、立柱、龍門吊（梁臂）、天車等組成[5]。以某工程實例中的一座跨河橋梁浮式龍門吊為例，設計最大起重量為60t，起吊高度25m。浮式龍門吊主橫梁選用空心矩形截面，材料采用Q345B鋼。龍門吊所受主要荷載分為：起吊重物，天車及電器電線，橫梁的自重均布荷載等[6-7]。

本文中浮式龍門吊具體布置見圖1，其主橫梁截面見圖2。選用的材料相關參數如表1所示。該浮式龍門吊主橫梁相關理論計算按簡支梁形式作受力分析計算[8]。

2 浮式龍門吊主橫梁強度理論計算

2.1 正應力強度校核

2.1.1起吊重物時橫梁承受的最大彎矩

（1）

其中為橫梁自重均布荷載，為橫梁跨距，P為起吊重物和天車及電器電線的合力，為吊點到支點距離。

由（1）得，最大彎矩

2.1.2抗彎截面系數

（2）

則最大彎曲正應力

根據以上計算，能夠滿足抗彎要求。

2.2切應力強度校核

起吊重物時橫梁承受的最大剪力

橫梁最大彎曲切應力

根據以上計算，能夠滿足抗剪要求。

2.3剛度校核

起吊重物時橫梁最大撓度

（3） ? ? ? ? 由公式（3）得

根據以上計算，能夠滿足剛度要求。

3浮式龍門吊主橫梁有限元計算

3.1有限元模型建立

本文采用ANSYS Workbench的梁單元，對浮式龍門吊橫梁進行有限元分析[9，10]，步驟如下：

（1）在Static Structural模塊中定義材料Q235B鋼，在DM模塊創建橫梁的有限元模型。

（2）對已創建好的橫梁有限元模型進行網格劃分。設置網格精度為100mm，在受力集中的地方做進一步的局部優化[10]，結果如圖3所示。

（3）施加邊界條件。選取橫梁的最左端，施加簡支約束，限制三個平動自由度，兩個轉動自由度;最右端施加一個可沿軸向移動的約束;在整段梁上加載均布荷載;在橫梁中點處加載一個集中力，如圖4所示。

（4）計算結果。圖5中分別為橫梁受力的彎矩剪力圖以及撓曲線。

由圖5可知，橫梁所受剪力最大值出現在兩端支點，最大值取5.601e5N，離中點越近剪力越小，最小值為4.413e5N;橫梁所受彎矩最大值出現在跨中，最大值取5.007e6N·m，越向兩端延伸彎矩越小，近似為0。

圖6中橫梁位移最大值出現在跨中，最大值取0.022322m，小于橫梁的許用撓度0.04m，故橫梁變形在允許范圍內。

圖7中橫梁所受最大應力出現在跨中，為127.91MPa，未超過橫梁許用應力170MPa，從中間到兩端逐漸減小，最小近似為0。故該工況下橫梁最容易在此處出現斷裂，即危險截面出現在跨中。

3.2 結果對比分析

（1）浮式龍門吊主橫梁選用的材料Q235B滿足設計要求;

（2）理論計算與有限元仿真得到的強度、剛度和位移等結果對比顯示，最大剪力偏差為0.107%，最大彎矩偏差近似為0，最大應力偏差為0.07%，最大位移偏差為5.83%，偏差較小，故有限元分析法可以為浮式龍門吊的整體設計提供可靠參考。

4結語

本文運用理論計算和有限元軟件仿真對跨河橋梁浮式龍門吊主橫梁強度進行分析，為類似設計的強度計算提供了參考。主要結論有：

（1）龍門吊主橫梁危險截面出現在跨中位置，最大剪力發生在兩端支點處;最大彎矩發生在跨中處;最大應力發生在跨中處;最大位移發生在跨中處。

（2）浮式龍門吊在起吊重物時，通過理論計算和Ansys workbench仿真的結果幾乎一致，滿足強度條件，驗證了結果的正確性和整體設計的可行性;

（3）理論計算對參數要求相對保守，結構余量較大。有限元仿真可根據需要建立較真實的模型，對結構的計算更接近真實情況，更容易獲得結構各部位的應力應變情況。

參考文獻：

[1]申燚，張盼盼，李鳴，等.基于ANSYS的4500T浮式起重機主梁結構優化設計[J].機械設計，2017，34（02）：73-77.

[2]馬晨旭，霍焰，朱磊，等.不同加載方式下的200t浮式起重機有限元分析.起重運輸機械，2020（5）.

[3]Gerdemeli I ， Akgun G ，Kurt S . DESIGN AND ANALYSIS WITH NUMERICAL METHOD OF GANTRY CRANE MAIN BEAM[C]// International Conference on Innovative Technologies. 2013.

[4]鄭惠強，申靜靜，張氫.7000t浮式起重機臂架鋼結構分析[J].中國工程機械學報，2008（02）：184-187.

[5]文艷，張云峰，崔桂媛，等.大型浮式平臺結構強度[J].中國海洋平臺，2019，34（05）：37-40.

[6]GB/T 3811-1983. 起重機設計規范[S]. 1983.

[7]張質文，王金諾.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[8]曾傳勝.輕型龍門架幾種校核方法的探討[J].科學時代，2013，（6）.

[9]王佳怡. 基于ANSYS Workbench的簡式汽車起重機優化設計[D].延邊大學，2013.

[10]王雪峰. 電動葫蘆門式起重機結構分析與優化設計[D].鄭州大學，2014.