MSS50移動模架吊掛系統(tǒng)有限元分析

蔡思文,王斌華,秘嘉川

(1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)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利用墩柱或承臺為支承,逐跨完成混凝土箱梁澆筑的專業(yè)制梁平臺設(shè)備,具有機械化程度高、跨越能力強、施工周期短、不影響橋下交通等特點[1]。移動模架造橋機易于控制澆筑工況下混凝土箱梁的線性變形,保障了施工過程的質(zhì)量和安全性,因而在公路、鐵路及城市高架橋建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

移動模架造橋機屬于大型非標(biāo)設(shè)備,對其結(jié)構(gòu)的安全性要求高[3]。目前有很多關(guān)于移動模架施工安全的分析研究,但由于其結(jié)構(gòu)龐大,施工狀態(tài)下整體受力較為復(fù)雜,移動模架造橋機發(fā)生事故的情況也時有發(fā)生[4-6]。因此,有必要在投入使用前對移動模架造橋機進(jìn)行強度、剛度及穩(wěn)定性分析,以確保施工質(zhì)量和人員安全。

1 移動模架吊掛系統(tǒng)組成及作用

MSS50上行式移動模架結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,主要包括主梁系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及移位調(diào)整系統(tǒng)五大部分,其中,吊掛系統(tǒng)主要由上橫梁、下掛梁、橫移機構(gòu)及鎖定機構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。

圖1 上行式移動模架縱向視圖

在移動模架合模澆筑工況下(圖2(a)),混凝土梁,內(nèi)、外模板以及風(fēng)壓、人群、振搗力和機具自重等載荷通過下掛梁和吊桿傳遞至上橫梁,再由主梁通過支腿傳遞到已制成箱梁和橋墩墩頂。在開模過孔工況下(圖2(b)),移動模架下落開模,下掛梁支撐外模板,上橫梁上的橫移機構(gòu)帶動下掛梁及外模板橫向開啟到指定位置,使其可以通過橋墩并縱移過孔至下一施工位。由上橫梁和下掛梁等結(jié)構(gòu)組成的吊掛系統(tǒng)不僅是在移動模架合模澆筑工況下將混凝土載荷傳遞至主梁的重要傳力系統(tǒng),也是在開模過孔工況下支撐外模板過孔行走的關(guān)鍵撐持系統(tǒng)。因此,有必要對移動模架吊掛系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真分析,以校核其結(jié)構(gòu)是否滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求。

圖2 上行式移動模架結(jié)構(gòu)示意圖

2 移動模架吊掛系統(tǒng)有限元模型建立

2.1 ANSYS有限元模型建立

如圖2所示,為了方便運輸和安裝,移動模架的下掛梁一般會采取分段處理,安裝時采用高強螺栓進(jìn)行連接,掛梁各部分連接處不發(fā)生相對滑動,在有限元模型建立時可將其整體建模,實現(xiàn)模型簡化。該移動模架吊掛系統(tǒng)的主要構(gòu)件包括上橫梁、下掛梁、上橫梁滑座、吊桿及精軋螺紋吊梁等。由于移動模架主要是鋼板焊接組成的箱梁結(jié)構(gòu),有限元模型中的上橫梁、下掛梁、上橫梁滑座及精軋螺紋吊梁采用板殼單元SHELL181模擬,能夠保證有限元分析結(jié)果的精確性及可靠性。油缸、螺旋頂旋桿及吊桿采用梁單元BEAM188模擬,連接上橫梁與下掛梁的銷軸采用實體單元SOLID185進(jìn)行模擬。

移動模架吊掛系統(tǒng)合模工況有限元模型如圖3(a)所示,共劃分板殼單元115884個,梁單元982個,實體單元1794個。吊掛系統(tǒng)開模工況有限元模型如圖3(b)所示,共劃分板殼單元114589個,梁單元62個,實體單元1560個。

圖3 移動模架吊掛系統(tǒng)有限元模型

2.2 載荷施加形式

移動模架施工階段橋梁首跨、標(biāo)準(zhǔn)跨及尾跨的跨度不同,混凝土箱梁也是變截面結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)選取吊掛系統(tǒng)承載最大工況進(jìn)行有限元分析。該上行式移動模架選取標(biāo)準(zhǔn)跨50.55 m混凝土箱梁澆筑時縱橋向第10根下掛梁為分析對象,進(jìn)行吊掛系統(tǒng)合模和開模工況下的強度、剛度及穩(wěn)定性分析。

吊掛系統(tǒng)有限元模型自重可通過ANSYS軟件自動計算,合模澆筑工況下,鋼筋混凝土箱梁,內(nèi)、外模板以及風(fēng)壓、人群、振搗力和機具自重等以外載荷的形式施加到有限元模型上。由于混凝土澆筑時為流體,會對外模板側(cè)模產(chǎn)生側(cè)向壓力并通過撐桿傳遞到下掛梁,因此以梯度載荷的形式模擬流態(tài)混凝土對外模板側(cè)模壓力并等效為橫向和豎向載荷,以集中載荷的形式施加到有限元模型上,外模板底模與下掛梁接觸位置的受力以均布載荷形式施加到有限元模型上[7],如圖3所示。

2.3 約束條件

該移動模架主梁通過橫梁螺旋頂支撐著上橫梁,且螺旋頂與主梁和上橫梁接觸位置都采用螺栓連接。有限元模型中在對應(yīng)位置可采用板殼單元建立橫梁螺旋頂模型,有限元模型中螺旋頂頂面與上橫梁連接面對應(yīng)的所有節(jié)點進(jìn)行耦合,螺旋頂?shù)鬃M(jìn)行位移和轉(zhuǎn)動自由度的全約束(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ),約束條件下的有限元模型如圖3所示。

3 有限元計算結(jié)果

3.1 吊掛系統(tǒng)合模工況強度與剛度計算

移動模架校核普遍采用許用應(yīng)力法進(jìn)行強度計算[8-10],因其主要為塑性材料,應(yīng)力計算公式為:

式中:σ為計算應(yīng)力;[σ]為許用應(yīng)力;σS為材料屈服極限;n為安全系數(shù)。

移動模架合模工況吊掛系統(tǒng)有限元模型VonMises應(yīng)力云圖見圖4,模型最大應(yīng)力為:σmax=204 MPa,位于上橫梁與右側(cè)橫梁螺旋頂接觸位置的內(nèi)側(cè)筋板。吊掛系統(tǒng)模型最大豎向變形為:UY=33.922 mm,位于下掛梁最底端中部,豎向變形云圖見圖5。

圖4 合模工況VonMises應(yīng)力云圖

圖5 合模工況豎向變形云圖

移動模架吊掛系統(tǒng)主要采用材料為Q355B的鋼板焊接而成,其材料許用應(yīng)力為:[σ]=235 MPa,故吊掛系統(tǒng)滿足合模工況強度要求。在橋梁混凝土箱梁澆筑過程中,移動模架吊掛系統(tǒng)對最危險工況下的強度限制有其要求,對澆筑工況下的最大豎向變形量也有嚴(yán)格的限制。工程項目一般要求對混凝土澆筑工況下的橫梁撓跨比小于1/400,即吊掛系統(tǒng)受載時其撓度容許值應(yīng)小于L/400=59 mm。如圖5所示,合模澆筑工況下吊掛系統(tǒng)最大豎向變形為33.922 mm,故吊掛系統(tǒng)最大豎向變形滿足合模工況剛度要求。吊掛系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)較多,限于篇幅不再逐一展示,其有限元模型各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形如表1所示。

表1 合模工況各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形

3.2 吊掛系統(tǒng)開模工況強度與剛度計算

移動模架開模工況吊掛系統(tǒng)有限元模型VonMises應(yīng)力云圖見圖6,模型最大應(yīng)力為:σmax=197 MPa,位于上橫梁與左側(cè)橫梁螺旋頂接觸位置的外側(cè)腹板。吊掛系統(tǒng)開模工況最大豎向變形為:UY=55.03 mm,位于下掛梁最底端,豎向變形云圖見圖7。計算結(jié)果表明吊掛系統(tǒng)在開模工況下滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度的要求。

圖6 開模工況VonMises應(yīng)力云圖

圖7 開模工況豎向變形云圖

移動模架開模工況下吊掛系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形如表2所示。

表2 開模工況各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形

3.3 吊掛系統(tǒng)穩(wěn)定性計算

移動模架的吊掛系統(tǒng)主要由鋼板焊接而成,當(dāng)應(yīng)力接近臨界值時,上橫梁及下掛梁容易出現(xiàn)垂直于中面的變形,在靜力荷載作用下會有失穩(wěn)的風(fēng)險,因此有必要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,即計算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況下的臨界載荷。可以采用ANSYS軟件自帶的屈曲穩(wěn)定性計算模塊進(jìn)行移動模架吊掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性計算。

如圖8(a)所示,移動模架吊掛系統(tǒng)合模工況一階失穩(wěn)變形發(fā)生在下掛梁底端的右側(cè)腹板位置,一階屈曲特征值為7.378>1.5,故合模工況下吊掛系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。開模工況下一階失穩(wěn)發(fā)生在上橫梁右側(cè)腹板位置,一階屈曲特征值為11.011,滿足開模工況穩(wěn)定性要求,如圖8(b)所示。

圖8 吊掛系統(tǒng)一階失穩(wěn)變形云圖

4 結(jié)語

1)通過ANSYS軟件建立移動模架吊掛系統(tǒng)合模和開模工況下的有限元模型,分析其在不同工況下的應(yīng)力分布及變形,計算結(jié)果表明移動模架吊掛系統(tǒng)滿足強度和剛度的要求。

2)對移動模架吊掛系統(tǒng)兩種工況進(jìn)行了屈曲穩(wěn)定性分析,得到吊掛系統(tǒng)不同工況下最先發(fā)生失穩(wěn)的位置,由一階屈曲特征值表明移動模架吊掛系統(tǒng)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

3)利用ANSYS軟件對移動模架吊掛系統(tǒng)進(jìn)行的強度、剛度及穩(wěn)定性分析,可為后續(xù)其他模架設(shè)計及施工提供參考。