運架一體式架橋機主梁靜態(tài)分析

(中鐵十九局集團廣州工程有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

架橋機作為橋梁施工的大型起重機械，實現(xiàn)將預(yù)制梁片吊裝至預(yù)制橋墩[1]。新建鐵路施工中，將途徑大量隧道及橋梁路段，架橋機需通過隧道出入口進行架梁施工。隧道設(shè)計要求為350 km/h及250 km/h橫切面，本文依據(jù)要求，對架橋機金屬結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[2]。梁片質(zhì)量為950 t，長、寬、高分別為40 m、12.6 m、3.2 m。基于當前架橋機金屬結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計了用于架設(shè)40 m混凝土箱梁的運架一體式架橋機結(jié)構(gòu)，并通過ANSYS有限元分析軟件，對主梁結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)有限元分析，將分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)理論計算結(jié)果對比，互相驗證。

1 運架一體式架橋機結(jié)構(gòu)分析

運架一體式架橋機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 運架一體式架橋機技術(shù)參數(shù)

本文運架一體式架橋機由吊梁天車、主支腿、輔支腿、前車、后車、主梁等六部分構(gòu)成[3]，如圖1所示。途徑隧道出入口截面如圖2所示。

圖1 運架一體式架橋機結(jié)構(gòu)

圖2 運架一體式架橋機隧道出入口截面

文中架橋機主梁上下導(dǎo)梁通過螺栓連接，前半段下導(dǎo)梁外側(cè)增加肋板，以增加主梁強度，主支腿通過定扭矩液壓馬達驅(qū)動沿下導(dǎo)梁軌道移動。主支腿液壓缸通過馬達驅(qū)動，實現(xiàn)垂直升降[4]。為避免架橋機傾覆事故，主支腿配備前后反滾輪，較當前運架一體式架橋機，文中所設(shè)計架橋機作業(yè)流程簡潔，操作方便，經(jīng)濟性較高。

文中架橋機作業(yè)流程如圖3所示[5]：

圖3 架橋機作業(yè)流程

(1)將箱梁吊運至梁片末端，主支腿處于橋墩正上方；

(2)主支腿支撐，前車懸空；

(3)主梁向前移動，輔支腿移至梁片末端；

(4)輔支腿支撐，前車懸空；

(5)主支腿向前移動至橋墩正上方；

(6)輔支腿懸空，主支腿支撐；

(7)主梁向前移動，梁片到達既定位置，落梁。

2 主梁結(jié)構(gòu)理論靜態(tài)分析

基于結(jié)構(gòu)理論，通過許用應(yīng)力法對主梁進行靜態(tài)分析計算。許用應(yīng)力為施加載荷后連接接頭及結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變形及應(yīng)力，該變形及應(yīng)力在連接接頭及結(jié)構(gòu)的承載范圍內(nèi)[6]。典型流程如圖4所示。

圖4 許用應(yīng)力法典型流程

提取架橋機架梁施工中的危險工況為大懸臂及大跨度工況。架橋過程中的第(6)～(7)步為大跨度到大懸臂的轉(zhuǎn)變，該過程存在主梁前端撓度最大、跨中撓度最大、下蓋板拉應(yīng)力最大。以5 m每工位計算架橋機主梁向前移動時前懸臂最大撓度、主梁簡支段最大撓度、下蓋板最大拉應(yīng)力，計算結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 主梁前懸臂撓度-位移關(guān)系

圖6 主梁簡支段最大撓度-位移關(guān)系

由圖5可知，主梁前移過程中，前懸臂撓度變化為上翹64 ～177.8 mm，之后緩慢下降至88.6 mm。架橋機移動41.5 m時為大懸臂工況，前懸臂達到最大撓度88.6 mm。

由圖6可知，主梁遷移過程中，主梁簡支段撓度變化為263.6～20.4 mm。架橋機無位移時為大跨度工況，主梁簡支段撓度最大，為263.6 mm。

由圖7可知，主梁遷移過程中，下蓋板拉應(yīng)力變化為247 MPa-194 MPa-227 MPa。架橋機無位移的大跨度工況下，下蓋板拉應(yīng)力最大，為247 MPa。

圖7 下蓋板最大拉應(yīng)力-位移關(guān)系

3 主梁有限元靜態(tài)分析

主梁作為架橋機主要構(gòu)成部分，占整體質(zhì)量的60%。通過有限元靜力學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)理論分析計算，對兩者結(jié)構(gòu)的合理性及正確性進行驗證。分析主梁剛度是否符合許用范圍，是否可承受額定載荷。

3.1 幾何模型構(gòu)建及參數(shù)

架橋機主梁由通過螺栓連接的上下導(dǎo)梁構(gòu)成，其前段截面如圖8所示，后段截面如圖9所示。

圖8 主梁前段截面 圖9 主梁后段截面

采用ANSYS有限元分析軟件，通過APDL語言建立架橋機主梁模型[7]，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 主梁模型參數(shù)

3.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

主梁為板殼結(jié)構(gòu)，文中模型為更加貼近實際情況，選取殼單元shell63。shell63為4節(jié)點單元，各節(jié)點存在x、y、z三軸的平動及轉(zhuǎn)動。網(wǎng)格類型選為四邊形，大小為0.05 m，網(wǎng)格劃分選取混合網(wǎng)格劃分。

3.3 加載及約束

架橋機在箱梁的運架過程中存在大懸臂及大跨度危險情況。兩危險工況的約束及加載分別如圖10、圖11所示。

圖10 大懸臂約束及加載

圖11 大跨度約束及加載

大懸臂模型前后支點為面約束，且為全約束。前支點約束為模型腹板側(cè)面，后支點約束為模型下蓋板面。主支腿重力為面載荷，其他力為線載荷，加載于腹板上側(cè)。

大跨度模型前后支點為面約束，后支點為全約束，前支點約束為x、y、z軸轉(zhuǎn)動及y、z軸移動。重力以外的其他力以線載荷的方式加載于腹板上側(cè)。

3.4 靜態(tài)分析

若主梁靜強度較弱，超出材料許用強度，將導(dǎo)致主梁斷裂或局部開裂。若主梁靜剛度較弱，超出許用值，將導(dǎo)致主梁整體或局部失穩(wěn)。主梁強度或剛度不足，對架橋機的可靠性、安全性及壽命具有直接影響[8]。通過對結(jié)構(gòu)剛度及強度的有限元靜力分析，可確定大懸臂及大跨度情況下的形變及應(yīng)力分布情況。ANSYS有限元分析結(jié)果如圖12-圖15所示。

圖12 大跨度應(yīng)力云圖

圖13 大跨度位移云圖

圖14 大懸臂應(yīng)力云圖

圖15 大懸臂位移云圖

由圖12、圖13可知，跨中位置應(yīng)力及形變最大，吊梁前吊點下蓋板拉應(yīng)力及形變最大，分別為275 MPa、249.1 mm；由圖14可知，輔支腿周圍應(yīng)力較大，下蓋板應(yīng)力為最大值255 MPa；由圖15可知，導(dǎo)梁前端形變較大，最前端位移形變最大值為95.6 mm。大跨度及大懸臂工況下的應(yīng)力、位移云圖分布情況與結(jié)構(gòu)理論分析計算結(jié)果一致。

架橋機主梁選用Q460D，其許用強度[σ]為300.3 MPa。大懸臂及大跨度工況計算結(jié)果如表3所示。

表3 大懸臂及大跨度工況計算結(jié)果

由表3可知，大懸臂最大應(yīng)力227<255<[σ]；大跨度最大應(yīng)力247<275<[σ]。因此兩種方法計算結(jié)果均滿足許用強度要求。

《架橋機通用技術(shù)條件》(GB/T26470—2011)中對架橋機靜態(tài)剛性要求如表4所示。

表4 架橋機靜態(tài)剛性要求

表4中，S、S分別為主梁、導(dǎo)梁支承跨度。架橋機主梁靜態(tài)剛度小于S/300。則架橋機許用剛度為[f]=L/300，文中架橋機主梁大跨度時的許用剛度為[f1]=L/300=310 mm；主梁大懸臂許用剛度為[f2]=L/300=143 mm。由表4可知，大跨度時最大位移為249.1<263.3<[f1]；大懸臂時最大位移為88.6<95.6<[f2]，大跨度及大懸臂計算結(jié)果滿足許用剛度要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了用于架設(shè)40 m混凝土箱梁的運架一體式架橋機結(jié)構(gòu)。基于架橋機架梁過程分析，確定架橋過程中的大懸臂及大跨度兩個危險工況，采用有限元分析軟件及結(jié)構(gòu)分析理論分別對兩種工況下的主梁進行靜態(tài)分析。由兩種工況的有限元仿真及結(jié)構(gòu)理論計算誤差均處于工程誤差范圍內(nèi)，驗證了有限元仿真的正確性及有效性；兩種工況下的有限元仿真及結(jié)構(gòu)理論計算剛度及強度均處于許用范圍內(nèi)，驗證了文中設(shè)計主梁的合理性。