上行式移動模架橫梁結構有限元分析

姬方方，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

移動模架造橋機是一種自帶模板、利用兩根縱梁支撐、對混凝土橋梁進行逐孔向前現場澆注的一種大型橋梁建造設備[1]。因為具有占用空間少、設備投入成本低、對環境適應性強和承載能力強等優點，而被廣泛的應用到公路和鐵路的橋梁建設工程中[2]。移動模架在投入使用前需要進行強度和剛度校核，以確保施工安全[3-4]。

該文的移動模架為上行式移動模架，其主要組成部分為主梁、鼻梁、上橫梁、下掛梁、支腿、小車、內外模板和液壓千斤頂等[5]。筆者選取移動模架中由上橫梁和下掛梁組成的橫梁結構進行研究。采用有限元分析軟件 ANSYS 對該上行式移動模架系統的橫梁結構在澆筑和開模工況下的受力進行分析計算，校核其結構強度能否滿足施工要求，確保結構設計的安全。

1 橫梁結構的主要組成結構與作用

橫梁結構由上橫梁、下掛粱、上橫梁滑座橫、移推動架、吊桿及上下吊粱組成，其結構圖及在移動模架中的位置如圖1、2所示，上橫梁通過上橫梁螺旋頂固定在主梁上面，起到連接下掛粱和主梁的作用，并將收到的力傳遞給主梁。下掛粱負責懸掛內外模板，混凝土等結構。在開模過孔前，下掛粱可以從中間打開，并在橫向機構作用下帶動外模板橫向移動脫模，使得移動模架能夠順利通過橋墩，移動到下一個工位。橫移推動架為橫移機構通過橫移油缸帶動下掛粱和內外模板橫向打開和合攏，之后由橫梁滑座進行鎖定避免發生橫向滑動。橫移推動架和上橫梁滑座通過銷軸將上橫梁和下掛粱連接在一起，部件之間的接觸比較復雜需要進行校核。

圖1 移動模架橫向總裝圖

2 移動模架有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

圖3(a)、(b)分別為移動模架橫梁結構合模和開模狀態的有限元計算模型。在ANSYS有限元分析中上橫梁、下掛梁、滑座、橫移推動架及下吊梁采用板殼元SHELL181來模擬,油缸、螺旋頂旋桿及吊桿用梁單元BEAM188模擬，銷軸采用實體單元SOLID185，由于橫梁結構為對稱結構可以1/2結構建模，并通過對稱約束進行仿真。在ANSYS仿真中可以在保證準確度的前提下對模型進行適當的簡化，縮減計算時間，提高計算效率。例如下掛粱由五部分組成，每個部分之間通過高強度螺栓進行連接，實際情況下各個部分間可以近似的認為沒有發生相對滑動，可以很好的傳遞力和力矩，在建模時可以將掛粱當成一個整體建模，實現了模型的簡化。

圖2 橫梁結構示意圖

圖3 有限元模型

2.2 載荷計算

在移動模架開模過孔是時計算模型受到的載荷有：上橫梁、下掛梁自重通過 ANSYS 軟件自動計算，內外模板的重量以外載荷的形式通過下掛粱與外模板接觸的各個支點施加到模型上。移動模架在澆筑時考慮流態混凝土對外模板的側向壓力對橫梁結構的影響，通過施加梯度載荷的方式來模仿態混凝土對外模板的作用力，并將其轉等效為橫向載荷和豎向載荷通過各個支點施加在模型上[6]。為了保證橫梁結構的整體強度選取最大受力工況作為核算工況，進行力學仿真。

2.3 約束條件

在實際結構中上橫梁通過上橫梁螺旋頂固定在主梁上面，因此仿真中將上橫梁與橫梁螺旋頂接觸的部分添加約束(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ)。上橫梁滑座和橫移推動架通過掛板可以在上橫梁上進行橫向滑動，通過在接觸部分建立摩擦來進行仿真。各個銷軸與連接部分的關系同樣用摩擦來進行模擬。

3 有限元計算結果

3.1 橫梁結構合模狀態強度分析結果

采用許用應力法對橫梁結構進行強度校核[7-9]，因為移動模架由塑性材料制造而成故其計算應力為：

式中：σs為塑性材料的屈服極限；n為塑性材料的安全系數；[σ]為材料許用應力。

移動模架造橋機在進行澆注時各個位置的橫梁結構受力并不相同，為了保證整體結構符合強度要求。需要從中選取最不利工況下的橫梁結構進行仿真。通過計算發現第3根橫梁受力最大，對其進行力學仿真。

由圖4(a)可知:

σmax=204 MPa<[σ]

橫梁結構的最大應力發生在上橫梁與橫梁螺旋頂接觸部分的翼板處。由于橫梁結構的材料為Q345鋼，其材料的許用應力[σ]=230 MPa，故橫梁結構滿足強度要求。

掛梁銷軸、掛梁螺旋頂銷軸橫移油缸銷子和推動芯軸在移動模架中起到連接和固定作用，為了保證結構的安全性也需要進行強度校核。

由圖4(b)可知銷軸的最大應力：

σmax=127 MPa<[σ]

銷軸的最大應力發生在推動芯軸與上橫梁的接觸部分。

由于銷軸的材料為40Cr，其材料的許用應力[σ]=465 MPa，故銷軸滿足強度要求。

圖4 合模狀態應力分析結果

橫梁結構的組成部分較多，每個應力云圖不能一一展示，通過表1式列出各個部件的最大應力。

表1 合模狀態各個部件的最大應力單位 /MPa

3.2 橫梁結構開模狀態強度分析結果

由Von Mises應力云圖可知開模狀態橫梁結構的最大應力：

σmax=166 MPa<[σ]

橫梁結構的最大應力發生在橫梁滑座連接銷軸處。

由銷軸的應力云圖可知：

σmax=110 MPa<[σ]

銷軸的最大應力發生在右側橫移油缸銷子與橫移滑座接觸處符合強度要求。

圖5 開模狀態應力分析結果

開模狀態下橫梁結構各個部分的最大應力如表2所示。

表2 開模狀態各個部件的最大應力單位 /MPa

4 結 論

(1) 文中分別建立了移動模架橫梁結構在開模和合模狀態下的有限元模型，并選取危險工況進行仿真，結果表明該結構符合強度要求。

(2) 合模狀態移動模架橫梁結構的最大應力發生在上橫梁與橫梁螺旋頂接觸部分的翼板處，開模狀態橫梁結構的最大應力發生在橫移推動架與銷軸的連接處，兩種狀態下均滿足強度要求。

(3) 利用ANSYS 軟件可以有效的分析移動模架橫梁結構在不同工況下的受力情況，找出結構的危險位置并加以改進，對解決工程實際問題具有重要的理論和指導意義。