基于有限元分析的架橋機主梁縱向連接螺栓群的力學分析*

關 川

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

隨著我國橋梁設計水平快速提高，橋梁結構多樣化的需求日益凸顯，橋梁架設跨度需根據實際情況確定。拼裝式架橋機可根據跨度調用拼組，適用于不同跨度橋梁的架設[1]。架橋機主梁通常為桁架式結構，當前相關研究人員對桁架式主梁架橋機進行了大量研究[2]。李義堂研究了雙梁桁架式側方架梁提梁一體架橋機；吳典忠分析了基于大載荷的三角桁架主梁架橋機[3]；鄒兵提出了三角桁架雙梁式拼裝、變跨架橋機[4]。但以上研究的架橋機適用于整垮梁片或單片梁架設，而拼裝式架橋機可依據橋梁實際架設要求，適用于變跨橋梁的架設。

文中采用高強度摩擦型螺栓對架橋機主梁腹板進行拼接，實現了主梁強度和剛度的可調，可應用于不同跨度橋梁的建設。基于有限元分析軟件對螺栓群的受力情況進行模擬分析，對30 m及20 m跨度橋梁架設時的主梁腹板螺栓群進行仿真分析及計算，驗證各螺栓受力滿足要求，并確定受力不合理螺栓。

1 變跨度架橋機有限元分析

1.1 箱型主梁結構分析

文中架橋機主梁為箱型雙主梁結構[5]，如圖1所示。

架橋機變跨前主梁結構及其橫截面分別如圖1(a)、圖1(b)所示。主梁上、下部分別采用鋼板焊接，并通過螺栓連接。橫梁通過法蘭連接，并采用螺栓與主梁連接，以便于拆卸。架橋機變跨后的橫截面如圖1(c)所示，其主梁上、下部分采用增強腹板及螺栓群進行連接，以提升主梁高度，增加其強度及剛度。

1.2 工況分析

針對架橋機工況，選取主梁承載情況最差的3個工況分析，文中以20 m跨度為例展開研究[6]。

(1)工況1：縱移懸臂過孔工況，如圖2所示。

(2)工況2：后天車起吊梁片，前天車位于前、中支腿中部工況，如圖3所示。

(3)工況3：邊梁架設工況，如圖4所示。

1.3 有限元建模

架橋機主梁為鋼板焊接的箱型結構，對此文中通過有限元分析軟件ANSYS中的Shell181板殼單元進行建模[7]。螺栓受力計算中，在各螺栓點設定節點，采用節點耦合技術在ANSYS中模擬螺栓連接。架設20 m、30 m跨度時，分別劃分板殼單元17147個、30223個；分別設定節點16873個、29895個，文中所構建有限元模型如圖5所示。

2 螺栓群受力分析

2.1 承載力計算

高強度摩擦型螺栓連接具有施工方便、焊接形變對裝配影響小、整體性好的特點[8]。文中主梁上、下部分對齊后，采用該螺栓對腹板區進行連接。高強度摩擦型螺栓受力情況如圖6所示，參數如表1所示。

表1 高強度摩擦型螺栓參數

由螺栓參數可知，單螺栓許用承載力為：

[f]=μF/n=6.8×104N

2.2 有限元分析

采用ANSYS軟件，分別建立20 m、30 m跨時主梁有限元分析模型，并分別選取3種最不利工況對主梁的剛度及強度進行分析。

文中以30 m跨為例進行分析，主梁在3種工況中的拼接腹板區螺栓受力情況如圖7～圖9所示。

(1)工況1

由圖7可知，主梁中支腿處螺栓受力最大，該處主梁上、下部分螺栓受力如圖10所示，受力值如表2所示，主梁內側及主梁外側螺栓的受力情況一致。

表2 中支腿處主梁上、下部螺栓受力值

由圖10可知，中支腿處主梁上部螺栓受力最大點為第二列、第八列，下部螺栓受力最大點為第三列。由表2可知，主梁上、下部螺栓受力最大值為3.2×104N，未高于許用力[f]，由此可知懸臂工況下，螺栓受力滿足要求。

(2)工況2

由圖8可知，工況2下螺栓最大受力點為主梁中支腿及后支腿處。中支腿處主梁上、下部螺栓受力情況如圖11所示，受力值如表3所示；后支腿處主梁上、下部螺栓受力情況如圖12所示，受力值如表4所示。主梁內側及主梁外側螺栓的受力情況一致。

表3 中支腿處主梁上、下部螺栓受力值

表4 后支腿處主梁上、下部螺栓受力值

由表3、表4可知，中支腿及后支腿處的螺栓受力值為4.8×104N，未高于許用力[f]。前天車位于前、中支腿間，前后天車吊起梁片時螺栓受力情況滿足要求。

(3)工況3

由圖9可知，工況3下螺栓最大受力點為主梁前支腿、中支腿處，此時前支腿處主梁上、下部螺栓受力情況如圖13所示，受力值如表5所示；中支腿處主梁上、下部螺栓受力情況如圖14所示，受力值如表6所示。

表5 前支腿處主梁上、下部螺栓受力值

表6 中支腿處主梁上、下部螺栓受力值

由表5、表6可知，螺栓最大受力值為3.9×104N，不高于許用力[f]，因此邊架梁工況下，螺栓受力滿足工況需求。

3 總結

1)為增強架橋機主梁的強度及剛度，采用螺栓群完成主梁腹板的連接。通過ANSYS有限元分析軟件分別對20 m、30 m跨主梁的剛度及強度進行仿真分析，由分析結果可知文中架橋機滿足剛度及強度需求。

2)針對20 m、30 m跨主梁腹板螺栓群在3種最不利工況下的受力情況，采用ANSYS進行分析計算，由計算結果可知螺栓群受力情況滿足使用需求。本文研究為其他箱型主梁架橋機的螺栓連接受力分析提供了借鑒。