鋼箱梁橋梁臨時安裝支架有限元分析

楊永奎，李 浩，萬志強

（中國水電四局（蘭州）機械裝備有限公司，甘肅 蘭州730000）

臨時安裝支架（以下簡稱支架）是在鋼箱梁橋梁安裝時受壓的主體部分，在支架設計過程中要選擇合適型號的材料。當使用的材料強度過低時，會影響支架的整體使用安全性，當使用的材料強度過高時，又會造成不必要的浪費。因此，在對材料選型后要用到有限元軟件ANSYS對支架結構做強度分析，這樣可以在保證結構安全性的前提下，減少經濟浪費。

支架的受力情況相對較為簡單，所受載荷主要有上部支撐的鋼箱梁產生的壓力，以及支架受到的風載等。以上因素會導致支架變形，當支架結構強度不足以滿足使用要求時，甚至會有支架發生斷裂的危險。因此，在材料選型后對支架進行強度分析顯得尤為重要。本次利用有限元軟件ANSYS對某項目的鋼橋支架進行分析，分析所選的材料是否合適，同時對應力集中的部位進行結構優化，避免危險事故的發生。

1 臨時安裝支架有限元優化分析設計

ANSYS解決問題的基本流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程圖

2 塔架原始數據及參數

2.1 計算參數

支架的材料為I30a型鋼、Φ325×8mm鋼管和[12槽鋼，材質均為Q235，材料性能數據及設計強度指標見表1。

表1 材料性能數據及設計強度指標

剛度：根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）的規定，支架受載后彈性撓度不超過相應結構設計跨度的L/400。該支架最大L=3.3m，因此撓度控制指標為不超過8.3mm。

柱頂位移：根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）附錄B.2的規定，風載荷作用下柱頂水平位移允許值不超過H/400。該支架高度約12m，因此柱頂水平位移控制指標為不超過30mm。

2.2 在有限元軟件中建立支架模型

支架一般由鋼管、型鋼和鋼板等材料組成。支架的結構類似塔式起重機的塔身。塔式起重機的塔身由若干個標準節采用螺栓連接的方式構成。支架也可以看作由許多個標準節組成，支架標準節與塔身標準節最大的區別是支架是一體的，各標準節之間非螺栓連接，不能拆卸。

支架的每一個標準節具有相同的拓撲形狀、幾何尺寸和截面類型。支架由豎向立柱和斜腹桿組成，立柱主要承擔豎向載荷，斜腹桿則配合立柱受力。

2.2.1 幾何數據

本文支架的幾何數據如下：支架外部4根立柱之間的橫向距離是3300mm，縱向距離是2000mm，兩層水平桿之間的高度為3000mm，立柱上下兩端突出短節的長度為500mm。立柱和水平桿的材料為Φ325×8mm鋼管，腹桿材料為[12槽鋼，支架最上方的水平桿為I30a型鋼。直角坐標系原點取在最下端水平面內4根立柱的對稱點上，x軸向左，y軸向上，z軸向前。從上向下依次在桿件相交位置設置節點。

2.2.2 進入ANSYS

程序→ANSYS19.2→Ansys→File→change directory選擇所設路徑（已建好的文件夾）File→changejobname→enter new jobname：beam→Run。

2.2.3 設置計算類型

ANSYS Main Menu：Preferences→select Structural（結構分析）→OK。

2.2.4 選擇單元類型

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete...→Add...→select Beam 2 node 188→OK（back to Element Types window）→Close（the Element Type window）。

2.2.5 定義材料參數

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural→Linear（線性）→Elastic（彈性）→Isotropic（各向同性）→input EX：2.03e11，PRXY：0.3→OK。

2.2.6 定義截面

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Sections（截面）→Beam→Common Sections→在Sub-Type下拉框里定義I30a型鋼、Φ325×8mm鋼管和[12槽鋼三種材料的截面。

2.2.7 生成幾何模型

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS→分別依次輸入各個關健點的坐標。

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines→lines→Straightlines→依次連接各個關鍵點，生成支架模型（見圖2）。

圖2 支架模型

2.3 計算載荷

2.3.1 鋼梁分段吊裝重量

單幅梁段重量約149.543t，由兩組支架的各自一半結構承擔總重量，為簡化計算，計算時將該段鋼梁組合總重量加載到一組支架的頂部。

2.3.2 結構強度計算

鋼梁總重：149.543t（1495.43kN）。

施工荷載：Q1=1.0kN/m2×4.1m×25.7m×3=316kN。

2.3.3 風荷載計算

基本風壓：ω0=0.45kN/m2（北京地區，取n=50）。

地面粗糙度類別為B類，支架高度H=12m。

風荷載近似按階梯形分布，將其簡化為作用在支架節點上的節點荷載。

作用在支架頂部節點處的集中風荷載標準值：

式中：ωk-風荷載標準值（kN/m2）；βz-高度z處的風振系數，結構高度H=12m＜30m，故取βz=1.0；μs-風荷載體型系數，取μs=1.3；μz-風壓高度變化系數（地面粗糙度類別為B類），取μz=1.23×0.85≈1.05；ω0-基本風壓（kN/m2）。

∴風荷載標準值：ωk=1.0×1.3×1.05×0.45=0.614kN/m2。

鋼梁端頭面迎風面積：A=42m2。

∴風荷載：Q2=ωk×A=0.614×42=26kN。

2.3.4 支架承重荷載

考慮安全系數1.2，支架承重荷載：F=1.2×（G+Q1）=1.2×（1495.43+316）=2173.72kN。

3 計算方法及步驟

3.1 計算方法和軟件

采用三維有限元彈性應力計算軟件方法。有限元分析軟件：ANSYS。

3.2 計算模型及邊界條件

取整個支架為研究對象，為每個單元定義相對應的截面，采用BEAM188單元劃分網格。X、Z為水平面，Y為支架高度方向。對支架的12個支腿處施加位移約束，對支架頂部施加承重載荷和風載荷。

4 計算結果及分析

由圖3可知，支架最大組合變形為1.3mm，剛度滿足要求。

圖3 支架變形圖

由圖4可知，支架最大支反力：Fymax=0.20313E+006N。

圖4 支反力表格

由圖5可知，支架組合最大應力為31.7Mpa，已知Q235鋼材的設計許用應力為215MPa，滿足要求。

圖5 屈服應力分布圖

5 結束語

從結果分析中可以看出，此次設計的支架能夠滿足鋼箱梁橋梁的安裝要求。