施工吊架靜力性能的有限元分析

吳恒

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

橋梁施工吊架屬于大型桁架結(jié)構(gòu)，基于貝雷架結(jié)構(gòu)的吊架自重大、制造成本高、施工費(fèi)時(shí)。本文采用了一種新型的桁架結(jié)構(gòu)，該施工吊架，由作業(yè)平臺(tái)，吊索鋼絲繩和吊索錨固點(diǎn)三部分組成。其實(shí)物圖如圖1所示，作業(yè)平臺(tái)直接承受作業(yè)人員、材料及輔助工具荷載；作業(yè)平臺(tái)由八根吊索鋼絲繩懸吊于主梁下方，中央分隔帶側(cè)和橋梁外側(cè)各四根（其中兩根為主吊索，另兩根為保險(xiǎn)吊索）；中央分隔帶側(cè)吊索由龍門吊機(jī)牽引，橋梁外側(cè)吊索由固定于鋼管架上的電動(dòng)葫蘆牽引。施工人員在作業(yè)平臺(tái)上可以完成橋梁底部、橋墩、腹板、翼緣板的涂裝作業(yè)。施工吊架的安全性必須予以高度重視，如果出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度不足，易引發(fā)施工人員安全事故。基于有限元方法計(jì)算桁架能獲得很好的計(jì)算精度，本文建立了有限元分析模型對(duì)采用的施工吊架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核計(jì)算，以保證其施工安全。

圖1 施工吊架實(shí)物圖

1 施工吊架的結(jié)構(gòu)

施工作業(yè)平臺(tái)骨架外形主視圖如圖2所示，沿著長度方向分成5個(gè)模塊，其中6m長度模塊數(shù)量為4個(gè)，中間有一個(gè)4m長度的模塊。作業(yè)平臺(tái)總長度28m，高度為1.2m，寬度0.9m。圖3所示為吊架平臺(tái)外形俯視圖。每個(gè)模塊采用四種型鋼焊接而成，模塊之間采用螺紋連接成。四種型鋼分別為6.3號(hào)槽鋼，10號(hào)工字鋼，1寸無縫鋼管（壁厚2.5mm），等邊角鋼（寬60mm，厚6mm）。主要承力件為底部為工字鋼，上部為槽鋼，側(cè)面、地面布置多個(gè)等邊角鋼和無縫鋼管以提高側(cè)向穩(wěn)定性和整體剛度。骨架組裝好后，在其上牢固安裝厚度5cm的竹膠板形成作業(yè)平臺(tái)。

圖2 吊架平臺(tái)外形主視圖

圖3 吊架平臺(tái)外形俯視圖

施工作業(yè)平臺(tái)施工時(shí)承載主要包括自重，施工人員重量，機(jī)具、材料等施工荷載。實(shí)際作業(yè)人員不超過6人。計(jì)算中除了吊架自重，按照8000N載荷加載，方向與重力方向相同。

2 有限元分析模型

為了對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行分析，采用大型通用有限元ANSYS軟件進(jìn)行分析，按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)、型材，建立了有限元分析模型。如圖4所示。

圖4 施工吊架有限元分析模型

材料參數(shù)按以下取值：鋼材密度為7850kg/m3，鋼結(jié)構(gòu)型材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取0.3。

該模型采用了四種截面形狀梁單元，共建立206個(gè)節(jié)點(diǎn)、423個(gè)梁。網(wǎng)格劃分共846個(gè)單元。在兩端四個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了約束。

加載8000N的載荷按照兩種情況進(jìn)行加載。第一種情況是按照正常作業(yè)時(shí)采取均布加載，將載荷均勻加載到平臺(tái)底面的節(jié)點(diǎn)上，如圖5所示為建立的均布加載8000N載荷有限元模型；第二種情況是按照極端工況，當(dāng)加載8000N載荷集中在平臺(tái)中間位置為最危險(xiǎn)情況。

圖5 均布加載8000N載荷有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 按照正常作業(yè)時(shí)采取均布加載

加載重力與均勻加載8000N載荷后的變形圖如圖6所示，根據(jù)仿真結(jié)果，最大變形量27.7mm，小于容許撓度值77.8mm，驗(yàn)算滿足要求，安全系數(shù)K=2.8。

圖6 均勻加載8000N載荷后的變形總位移圖

采取均布加載當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，最危險(xiǎn)截面的最大當(dāng)量應(yīng)力為66.3MPa，取碳鋼抗拉強(qiáng)度為235MPa，則安全系數(shù)K=3.5，滿足安全要求。

圖7 均勻加載8000N載荷后當(dāng)量應(yīng)力圖

根據(jù)有限元反力計(jì)算結(jié)果：四根鋼絲繩在垂直方向受載較均勻，每根鋼絲繩受載在5582～5604N。

3.2 按照極端情況時(shí)采取集中加載

加載重力與集中加載8000N載荷（集中施加在結(jié)構(gòu)的中間位置）后的變形圖如圖8所示，最大變形量為33.7mm，小于容許撓度值77.8mm，驗(yàn)算滿足要求，安全系數(shù)K=2.3。

圖8 集中加載8000N載荷后的變形總位移圖

采取集中加載當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示，最不利截面最大應(yīng)力為69.1MPa，按照碳鋼抗拉強(qiáng)度為235MPa，則安全系數(shù)K=3.4，滿足安全要求。

圖9 集中加載8000N載荷后當(dāng)量應(yīng)力圖

根據(jù)有限元反力計(jì)算結(jié)果，四根鋼絲繩在垂直方向受載較均勻，每根在5581～5605N。

綜上所述，該吊架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語

（1）對(duì)于本次分析的施工吊架，采用有限元中的梁單元可以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)組成部件的實(shí)際受力特征，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)組成的尺寸，部件布置安裝的方位，約束、受載所采用的有限元法能很準(zhǔn)確地分析施工吊架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性問題。

（2）采用有限元法建立了大型鋼結(jié)構(gòu)施工吊架的力學(xué)分析模型，按照兩種工況進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果表明，所采用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求。即使在最危險(xiǎn)的條件下當(dāng)量應(yīng)力安全系數(shù)達(dá)到3.4，結(jié)構(gòu)安全。

（3）該型吊架降低了吊架的重量，施工安全方便、制造經(jīng)濟(jì)，并可節(jié)約工程工期。