上行式移動模架旋轉鼻梁機構的有限元模擬

徐瑞君，王斌華，秘嘉川

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.山東恒堃機械有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

移動模架是現代橋梁、公路、高鐵建造施工中普遍使用的大型機械設備[1]，其能標準化施工作業，在滿足施工質量的前提下大大提高施工效率，同時由于其操作簡單，可以節省很多人力成本[2]。針對不同工況需要不同的移動模架施工法[3-4]，常見的上行式移動模架由主梁、鼻梁、上橫梁、下掛梁、支腿、小車、內外模板和液壓千斤頂等組成，下行式移動模架由主梁、鼻梁、橫梁、牛腿、小車、內外模板和液壓千斤頂等組成，其能夠高效完成在橋墩上開模過孔與對混凝土合模澆筑等作業[5-6]。

鼻梁在開模過孔作業中會面對很多復雜工況，在對平曲線橋梁路段施工時，因橋梁平曲線半徑較小，鼻梁會使橋墩承受偏載，使整體施工安全性降低，故移動模架縱移過孔的可靠性成為施工中關注的重點之一[7-8]。然而傳統的移動模架分析很少考慮開模過孔時，鼻梁旋轉連接塊銷軸連接處的應力情況，本文以上行式移動模架開模工況下旋轉鼻梁為分析對象，將鼻梁各構件間的旋轉連接塊旋轉到一定的角度，以適應平曲線半徑500 m以下的曲線橋梁路段。選取橋墩32.7 m跨距下，橋梁施工直線段(鼻梁旋轉連接塊0°旋轉度)和平曲線(鼻梁旋轉連接塊3.5°旋轉度)兩種工況，進行鼻梁開模過孔的有限元分析。

1 上行式移動模架開模過孔原理

圖1為移動模架過平曲線橋段的開模行走示意圖。上橫梁、下掛梁與主梁用銷軸鉸接，用于支撐澆筑混凝土，鼻梁將把上述機構運送到下一段橋墩處，以便進行下一工況的混凝土澆筑。鼻梁和主梁由高強螺栓連接，開模行進過程中鼻梁承擔主梁和設備重量；前支撐為桁架結構，在開模過孔行走時支撐鼻梁；中支腿和后支腿為鋼板焊接箱型梁結構，在混凝土澆筑時支撐主梁；在移動模架開模過孔作業過程中，鼻梁由后縱移驅動前進。

圖1 上行式移動模架過平曲線橋段開模過孔行進圖

2 移動模架有限元模型建立

2.1 ANSYS有限元模型建立

圖2(a)所示為上行式移動模架系統的主梁、上橫梁、下掛梁和鼻梁有限元計算模型。其中，移動模架的整體結構，包括主梁、上橫梁、下掛梁、鼻梁和支腿均采用ANSYS中梁單元BEAM188模擬，鼻梁和主梁由高強螺栓連接，鼻梁整體結構后端和主梁采用全耦合的形式模擬螺栓群的連接。如圖2(b)所示為鼻梁旋轉連接塊處有限元模型局部視圖，其中需要精確分析的鼻梁旋轉連接塊采用板殼單元SHELL181模擬，鼻梁構件間的連接銷軸采用實體單元SOLID185模擬。為模擬銷軸和套筒之間力的傳輸情況，銷軸和套筒之間的接觸面采用接觸單元模擬，鼻梁旋轉連接塊和鼻梁其余部分采用全耦合的連接方式來模擬實際結構，以滿足載荷由鼻梁傳送至鼻梁旋轉連接塊處的銷軸。

圖2 上行式移動模架有限元模型

2.2 載荷施加形式

對于鼻梁結構分析，為使仿真結果更接近于實際工況，需要將移動模架的整體部分建模，滿足外載荷傳導形式為“下掛梁-上橫梁-主梁-鼻梁-鼻梁旋轉連接塊”的開模過孔實際工況。移動模架開模過孔的載荷施加情況如下：主梁、上橫梁、下掛梁與鼻梁自重通過 ANSYS 軟件自動計算，外模板自重以外荷載方式施加在有限元模型上。如圖1(b)所示，該移動模架共有8個下掛梁，每個下掛梁有受力對稱的6個支撐支點，開模縱移過程中，外載荷僅為外模板自重，將其等效施加在下掛梁的支點上。每個下掛梁相同支點編號所受載荷之和，如表1所示。

表1 開模過孔下掛梁施加載荷(單位：N)

2.3 約束條件

在移動模架開模過孔實際工況下，小車與后縱移支撐主梁并驅動主梁前進，前支撐支撐鼻梁并給予鼻梁水平導向，故鼻梁在移動模架開模過孔過程中施加約束情況如下：主梁在后縱移支撐處采用UX、UY、UZ的約束形式，鼻梁前端由前支撐支撐，前支撐滑梁的雙滑道分別支撐鼻梁的兩根下弦桿，其中一個支撐處采用UY豎向約束，另一個支撐處分別采用UY的豎向約束和UZ的水平約束，并通過改變約束位置模擬移動模架鼻梁從開模縱移原點到縱移終點的多種過孔狀態。

3 有限元計算結果

3.1 鼻梁旋轉連接塊有限元結果分析

鼻梁開模行走時，會遇到直線段和平曲線橋梁的施工工況，對于平曲線橋梁的施工工況，可將鼻梁的旋轉連接塊自旋一定角度，以更好地適應這種弧線段施工工況，故需要對旋轉連接塊處的銷軸及其套筒進行力學仿真分析。

圖3、圖4為鼻梁旋轉連接塊旋轉0°和3.5°時銷軸的最大VonMises應力云圖，其中，0°旋轉角上銷軸和下銷軸最大Von Mises應力分別為151 MPa和57.8 MPa，3.5°旋轉角上銷軸和下銷軸最大VonMises應力為159 MPa和59.6 MPa，0°和3.5°工況時的最大應力接近，均小于許用應力[σ]=523 MPa[9]，故均滿足強度要求，且在0°和3.5°工況下的最大應力均發生在開模縱移行進到鼻梁旋轉連接塊與前支撐接觸處。

圖3 0°旋轉角上銷軸(左)及下銷軸(右)最大應力

圖4 3.5°旋轉角上銷軸(左)及下銷軸(右)最大應力

圖5、圖6為鼻梁旋轉連接塊旋轉0°和3.5°時套筒的最大VonMises應力云圖，其中，0°旋轉角上套筒與下套筒最大Von Mises應力分別為162 MPa和36.7 MPa，3.5°旋轉角上套筒與下套筒最大VonMises應力為162 MPa和34.2 MPa，0°和3.5°工況時的最大應力接近，均小于許用應力[σ]=230 MPa[9]，故均滿足強度要求，且在0°和3.5°工況下的最大應力均發生在開模縱移行進到旋轉連接塊剛好脫離前支撐時，且在旋轉連接塊與前支撐脫離接觸處到鼻梁前端還未與下一個前支撐接觸期間，套筒應力穩定在最大值附近。

圖5 0°旋轉角上套筒(左)及下套筒(右)最大應力

圖6 3.5°旋轉角上套筒(左)及下套筒(右)最大應力

圖7、圖8為鼻梁開模過孔按順序縱移不同距離時，在鼻梁旋轉連接塊分別旋轉0°和3.5°工況下，對應的銷軸及其套筒的最大VonMises應力分布圖，圖中開模縱移距離為22 m處即為上述開模縱移行進到鼻梁旋轉連接塊與前支撐接觸處，此時銷軸處于最大應力狀態。開模縱移距離為30 m處為鼻梁前端開始與下一個橋墩的前支撐接觸處，此時上銷軸和上套筒的應力急劇變小，移動模架整體回復到下一階段的開模縱移原點狀態。

圖7 鼻梁旋轉連接塊0°旋轉角開模縱移不同距離VonMises應力分布

圖8 鼻梁旋轉連接塊3.5°旋轉角開模縱移不同距離VonMises應力分布

3.2 開模縱移至最危險工況時移動模架整體有限元結果

由圖7、圖8可知，開模縱移最大應力發生在鼻梁旋轉連接塊3.5°旋轉角開模縱移23 m時。此時整體軸向應力為49.1 MPa，豎向變形為67.2 mm，滿足所需強度、剛度需求，如圖9所示。

圖9 開模縱移至最危險工況時移動模架整體有限元結果

4 結束語

1)移動模架鼻梁承擔了橋梁建造施工中，運送混凝土澆筑機構的重要任務，其結構狹長，需要根據具體施工工況進行力學分析，提供安全保障。移動模架在過平曲線橋梁時，將鼻梁各構件間進行不同的角度旋轉以適應不同的平曲線橋梁，在提高移動模架施工效率方面具有很大的優點。

2)通過本文分析得出鼻梁在直線段(鼻梁旋轉連接塊0°旋轉度)與平曲線(鼻梁旋轉連接塊3.5°旋轉度)兩種開模過孔工況下，應力滿足工況所需。

鼻梁開模縱移過程中，根據不同縱移距離對應的VonMises應力分布圖得出：開模縱移中，旋轉連接塊處銷軸的最大應力發生在旋轉連接塊移動至前支撐時；套筒的最大應力發生在到旋轉連接塊剛好脫離前支撐時，且在旋轉連接塊與前支撐脫離接觸處后到鼻梁前端還未與下一個前支撐接觸期間，套筒應力穩定在最大值附近。

3)對比鼻梁旋轉連接塊0°和3.5°旋轉角時鼻梁的力學性能，可知與橋梁直線段施工(鼻梁旋轉連接塊0°旋轉度)相比，平曲線(鼻梁旋轉連接塊3.5°旋轉度)施工下，鼻梁旋轉連接塊處應力不會明顯增大，驗證了鼻梁構件間設置旋轉連接塊以適應平曲線橋梁的可行性。