450 t級架橋機在不同工況下的靜力分析＊

李 遠

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 甘肅 蘭州 730050）

架橋機是利用自身起吊裝置將預制的鋼筋混凝土制成的梁段依次架設在橋墩上的大型起重運輸裝備。由于它必須受到現場地勢情況、梁重量以及相鄰橋墩的跨度等多方面因素的影響，因而架橋機在設計和施工上的安全問題一直是研究者致力改進的[1-2]。

架橋機在工程應用中廣泛應用也促使其不斷改進，現在已完全滿足四通八達的橋梁施工的需求。侯杰[3]設計了一臺多工況的雙梁架橋機，對雙梁架橋機性能參數與結構組成進行詳細的設計。并采用有限元軟件對主要結構進行力學與模態分析，利用MOGA 與Screening 兩種算法對主梁進行了多目標優化設計。熊國輝[4]設計了可進行不對稱箱梁的吊裝及橋上掉頭作業的JQ850型雙向步履架橋機，為國內高速公路中需要大型分幅預制箱梁架設提供了理論支持。魏岳峰等[5]對SLJ900流動式架橋機主支腿結構進行了重點改進，通過ANSYS 建模研究架橋機主支腿在不同工況下的受力的特點。陳士通[6]利用撓度影響基于虛功原理構建不同結構損傷工況架橋機的主梁損傷識別及損傷量化方法。黃玉鑫[7]對LG40 架橋機主桁架在典型工況下進行仿真分析，優化和改進對架橋機在縱向移動過程中出現的最大懸臂工況，并對其進行抗傾覆驗算。

本研究基于理論與仿真模擬理論，對450 t級架橋機在吊梁起升、吊梁運行、橫向位置調整、落梁四種危險工況進行有限元建模并模擬仿真，選取結構受力和變形最大的工況，對模型進行了靜力分析，得到了等效應力圖、位移圖。找出對應的應力集中區域和位移最大位置，然后對比理論數據與仿真數據，驗證是否達到許用標準和安全范圍。

1 架橋機建模及網格劃分

架橋機如圖1 與圖2，其中1 為雙導梁（機架），2是橫梁，3 是起重及驅動系統，4 為中間梁，5 為后支腿，6 是前支腿。通過ANSYS 對重要組成結構進行三維建模及仿真，選取結構受力和變形最大的工況，對模型進行了靜力分析。其中，對于主梁的導軌、后支腿、前支腿與角鋼等部分結構進行簡化處理，通過載荷施加和網格劃分，靜力分析得到架橋機整體結構在工作的四個階段的應力圖、位移圖。

圖1 架橋機二維示意圖

圖2 架橋機三維示意圖

選取材料為Q345，屈服極限345 MPa，許用應力259 MPa。設置單元，材料彈性模量為2.1×108MPa，泊松比0.3，密度設置為7 850 kg∕m3，加速度方向向上，取值為9.8 m∕s2，梁為solid 20node188，板面殼單元為shell181。對架橋機不同構件劃分設置好對應屬性，設置整體單元大小為0.4 cm。網格劃分如圖3。施加載荷，區分集中力和面力大小，在導軌上指定位置添加相應荷載。添加固定約束，因為結構對稱，施加為對稱約束。

圖3 網格劃分

2 不同工況下有限元分析

架橋機架梁時要完成吊梁起升、吊梁運行、橫向位置調整、落梁四種危險工況。則利用有限元主要分析的內容包括：

（1）架橋機前天車在起吊混凝土梁，架橋機后支腿支承與主梁的應力和變形；

（2）架橋機在前天車提起混凝土梁至主梁中部（后天車未提起混凝土梁），后支腿和主梁結構的應力和變形；

（3）架橋機在前天車提起混凝土梁、后天車剛提起混凝土梁，后支腿和主梁結構的應力和變形；

（4）架橋機起吊混凝土梁至落梁位置，前支腿和主梁結構的應力和變形。

2.1 架橋機前天車起吊450t 混凝土箱梁時的強度分析

此工況是架橋機主梁后部分在豎直向下方向位移偏移量最大的工況。由圖4、圖5 可得，后支腿部分應力較大，最大應力值為185.4 MPa，主梁的最大應力沒有超過許用應力280 MPa，說明主梁的強度滿足相關標準及施工要求。主梁的變形較大，后部豎直向下方向的最大位移偏移量為46.955 mm，位于后支腿與主梁的連接處，前支腿與后支腿之間撓度要求60 mm，主梁的最大撓度小于許用撓度值，也滿足相關要求。

圖4 前天車起吊箱梁應力圖

圖5 架橋機前天車起吊箱梁位移圖

2.2 架橋機前天車起吊450 t混凝土箱梁至主梁中部時的強度分析

此工況是架橋機主梁中部在豎直向下方向位移偏移量最大的工況，并且也是主梁部分應力最大的工況，所以此工況是主梁最不利的工況由圖6、圖7 可得，主梁最大應力值為230 MPa，小于主梁的許用應力，滿足相關標準及施工要求。主梁后部豎直向下方向的最大位移偏移量為59.136 m，在四個工況里此時主梁的變形達到了最大極限，但仍小于許用撓度，滿足設計要求。

圖6 前天車起吊箱梁至主梁中部應力圖

圖7 前天車起吊箱梁至主梁中部位移圖

2.3 架橋機在前天車提起混凝土梁、后天車剛提起混凝土梁的強度分析

架橋機在前天車提起450 t 混凝土箱梁至一定位置、后天車剛提起450 t混凝土箱梁時的工況。如圖8、圖9 所示此工況是架橋機后支腿最不利工況，

圖8 后天車起吊箱梁應力圖

圖9 后天車起吊箱梁位移圖

2.4 架橋機起吊450 t混凝土梁至落梁位置時的強度分析

如圖10、圖11所示此工況是對架橋機前支腿部分最不利的工況，主要是由前支腿、后支腿支撐，且前支腿相對于后支腿較薄弱，此工況下前支腿最大應力值為299.9 MPa，此工況下主梁中部變形方向是豎直向下，且最大偏移量為35.68 mm，強度與撓度均小于標準，滿足設計要求。由變形圖可以看出主梁在后支腿支撐作用下，主梁后部和中部變形方向是豎直方向向下，造成的位移偏移量最大值為40.197 m，且最大應力產生在最支腿與主梁接觸部分，最大應力值為196.8 MPa，強度與撓度均小于標準，滿足設計要求。

圖10 前后天車行至落梁位置應力圖

圖11 前后天車行至落梁位置位移圖

根據《起重機設計手冊》得安全系數n=1.33，通過表1 分析，可知主梁上的所有單元所受應力均小于桿件的許用應力，故滿足強度要求。架梁狀態要求主梁最大Y向變形不大于60 mm。在架橋機前天車在起吊混凝土梁，架橋機主梁最大位移為59.136 mm，此最大極限狀態下剛度也滿足使用要求。

表1 有限元最大應力與許用應力比較 （單位：MPa）

又根據《鋼結構設計規范》（GB50017—2003）的規定計算，梁總高h，b0為兩腹板外側之間距離。針對主梁，當時，簡支的箱體梁的整體的穩定性滿足設計要求。本文校核的450 t架橋機則滿足穩定性要求。又由《起重機設計規范》（GB3811-83）規定計算，當時，主梁受彎壓力的側向扭曲穩定性也是滿足設計要求的。

3 結論

對450 t 級架橋機在吊梁起升、吊梁運行、橫向位置調整、落梁四種動作進行有限元建模并模擬仿真，選取結構受力和變形最大的工況，對模型進行了靜力分析，找出對應的應力集中區域和位移最大位置，然后對比了理論數據與仿真數據，存在一定的誤差，但在可接受范圍內并且滿足許用性和安全性。通過靜力分析對架橋機的研究和改進提供了理論依據，為架橋機進一步優化設計起理論指導作用。