呂彭民，楊龍飛，王斌華

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

變幅寬移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)的有限元分析與試驗(yàn)研究

呂彭民，楊龍飛，王斌華

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

摘要：以MSS50-38000型變幅寬式移動(dòng)模架為研究對(duì)象，利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)最大澆筑工況下移動(dòng)模架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度進(jìn)行了校核，并得出了移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和撓度曲線.依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)移動(dòng)模架的11處較大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行了澆筑過(guò)程的全程監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致,研究成果可為移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)與安全施工提供參考.

關(guān)鍵詞：移動(dòng)模架；滑移支架系統(tǒng)；變幅寬；有限元分析

0引言

移動(dòng)模架造橋機(jī)，又稱滑移支架系統(tǒng)，是現(xiàn)代橋梁施工技術(shù)中的先進(jìn)設(shè)備[1].移動(dòng)模架造橋機(jī)因不需要預(yù)制梁場(chǎng)、地基處理、封閉交通，澆注的橋梁整體剛度好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路和城市高架橋建設(shè).移動(dòng)模架造橋機(jī)屬大型非標(biāo)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)安全性要求很高[2-4].一般架橋機(jī)只能進(jìn)行等幅寬橋梁建設(shè)，在設(shè)計(jì)有匝道的變幅寬橋梁難以施工.MSS50-38000型變幅寬移動(dòng)模造橋機(jī)是為滿足變截面施工工況而設(shè)計(jì)，橋面施工寬度由17 m漸變至28.5 m，混凝土澆筑方量可達(dá)1 448 m3，最大載荷高達(dá)38 000 kN.設(shè)備總長(zhǎng)度62.3 m，整套設(shè)備自重達(dá)到3 400 kN.該變幅寬式移動(dòng)模架造橋機(jī)主要由箱梁主梁、主梁橫梁、平衡梁、鼻梁、牛腿、外模以及內(nèi)模等部分組成.目前，移動(dòng)模架設(shè)計(jì)尚未制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),為確保造橋機(jī)達(dá)到施工要求和結(jié)構(gòu)安全可靠,有必要對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，為此,筆者利用大型有限元計(jì)算分析軟件ANSYS,在澆筑工況下,對(duì)MSS50-38000型變幅寬式移動(dòng)模架造橋機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)其關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,同時(shí)對(duì)關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行了全程監(jiān)控，從而保證了移動(dòng)模架的施工安全.

1移動(dòng)模架有限元模型的建立

MSS50-38000變幅寬式移動(dòng)模架造橋機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示.由于主梁通過(guò)液壓自鎖千斤頂向小車、牛腿傳遞載荷，故在有限元計(jì)算時(shí)將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為上部支架和下部牛腿分別進(jìn)行計(jì)算[5-6].施工過(guò)程中混凝土澆筑方向如圖1所示，移動(dòng)模架變幅前支點(diǎn)處是關(guān)鍵的承壓部位之一，因此試驗(yàn)中對(duì)該處附近布監(jiān)控點(diǎn)最多.

1.1上部支架有限元模型的建立

MSS50移動(dòng)模架造橋機(jī)上部支架部分由內(nèi)外模板、主梁、鼻梁、模板橫梁和螺旋頂?shù)冉M成.有限元建模時(shí)，由于模板橫梁與主梁通過(guò)螺旋千斤頂連成一體且通過(guò)螺旋頂將內(nèi)外模板及混凝土載荷傳遞至該連接體，因此上部支架有限元計(jì)算模型的標(biāo)準(zhǔn)載荷為：混凝土自重、內(nèi)外模板自重、螺旋頂自重、人行道及輔助設(shè)備的重量.主梁用板殼單元來(lái)模擬，主梁為簡(jiǎn)支梁支撐方式，即主梁后端與右側(cè)后牛腿支撐處約束UX、UY、UZ，左側(cè)后牛腿支撐處約束UY、UZ；主梁前端與右側(cè)前牛腿支撐處約束UX、UY，左側(cè)前牛腿支撐處約束UY；鼻梁、模板橫梁以及橫梁和主梁之間的墊梁均采用空間梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，用自由劃分網(wǎng)格方法劃分實(shí)體單元133 817個(gè)，板殼單元99 635個(gè)，梁?jiǎn)卧?2 721個(gè)，節(jié)點(diǎn)139 950個(gè)，有限元模型見(jiàn)圖3.

1.2牛腿梁有限元模型的建立

該變幅寬移動(dòng)模架中共有牛腿3組6片12榀，根據(jù)實(shí)際工況可知，移動(dòng)模架在澆筑49#～50#橋墩時(shí)，前支點(diǎn)處(50#橋墩)牛腿受力最大，因此選擇此工況為牛腿結(jié)構(gòu)的校核工況.牛腿通過(guò)墊梁和牛腿之間的穩(wěn)定架固定在橋墩的預(yù)留孔里，為準(zhǔn)確模擬牛腿及其墊梁之間的受力情況，同時(shí)準(zhǔn)確對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，將牛腿及墊梁一同建模.根據(jù)實(shí)際工況，牛腿依靠所承重力載荷壓在牛腿墊梁上，借助橋墩，約束牛腿移動(dòng)，因此在牛腿和墊梁之間用接觸單元來(lái)模擬牛腿和墊梁之間的傳力情況，墊梁底板與混凝土支撐處為UX、UY、UZ全約束.其中牛腿和墊梁均采用三維板殼單元進(jìn)行模擬，以自由劃分網(wǎng)格方法劃分單元74 190個(gè)，節(jié)點(diǎn)72 352個(gè).整個(gè)模型共加載24 160 kN，其中設(shè)備自重790 kN，其有限元模型見(jiàn)圖4.

2移動(dòng)模架有限元計(jì)算結(jié)果分析

有限元計(jì)算結(jié)果顯示，移動(dòng)模架在澆筑工況下主梁等效應(yīng)力分布如圖5所示，最大主應(yīng)力σmax=136 MPa，發(fā)生在主梁跨中上翼緣板處，該應(yīng)力值小于許用應(yīng)力[σ]=230 MPa，主梁滿足強(qiáng)度要求.主梁凈剛度云圖如圖6所示，主梁垂向最大凈變形為δ=99.25 mm，可得主梁撓跨比為

故主梁滿足剛度要求.

根據(jù)澆筑工況，牛腿梁與其墊梁連接處主要為壓應(yīng)力，圖7為牛腿梁及墊梁第三主應(yīng)力分布云圖，第三主應(yīng)力最大值發(fā)生在牛腿與牛腿墊梁接觸處，其值為114 MPa，可知牛腿梁滿足強(qiáng)度要求.

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知：該變幅寬移動(dòng)模架在最大受力狀態(tài)下滿足強(qiáng)度和剛度要求.

3MSS50-3800型變幅寬式移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)及監(jiān)控

該移動(dòng)模架屬變幅寬式新型造橋機(jī)，為驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和確保移動(dòng)模架施工過(guò)程安全可靠，在福州市漁平高速延伸線T標(biāo)段工地現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試.根據(jù)移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果，在主梁、主梁橫梁、平衡梁、牛腿、墊梁等部位上共布置了6個(gè)應(yīng)變片和7個(gè)應(yīng)變花(單向應(yīng)力狀態(tài)下貼應(yīng)變片，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下貼應(yīng)變花)，共計(jì)27個(gè)測(cè)試通道，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖8.進(jìn)行測(cè)試時(shí)，移動(dòng)模架已安裝完畢，正處在工作位置，設(shè)備因自重已產(chǎn)生應(yīng)變，故所測(cè)得應(yīng)力值不含設(shè)備自重產(chǎn)生的應(yīng)力，僅為混凝土橋面載荷產(chǎn)生的應(yīng)力.為能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，防止移動(dòng)模架危險(xiǎn)位置發(fā)生突發(fā)的應(yīng)力急劇增大超安全值，本次試驗(yàn)采用TDS-530應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)澆筑過(guò)程實(shí)行全程監(jiān)控，每間隔1 h記錄測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值，以確保突發(fā)狀況及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，保障設(shè)備施工安全和人員安全.

施工過(guò)程中，澆筑方向在圖2中已標(biāo)示，從移動(dòng)模架前端到后端澆筑.與后端牛腿相比，前端牛腿正處移動(dòng)模架變幅處，跨度大，承受混凝土的載重更大，產(chǎn)生的應(yīng)變也更大.部分監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9，從圖中應(yīng)力值變化曲線可知，由于澆筑不是整體均勻澆筑，各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力隨時(shí)間波動(dòng)，但基本呈逐漸增大趨勢(shì)，說(shuō)明應(yīng)力變化值與澆筑混凝土的增量基本一致，應(yīng)變片工作狀態(tài)良好.

應(yīng)變花最大、最小主應(yīng)力按下式進(jìn)行計(jì)算[7]

式中:ε0、ε90°、ε45°分別為應(yīng)變花在水平、垂直和45°方向的應(yīng)變值;E和μ分別為材料的彈性模量和泊松比.

主梁最大應(yīng)力點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果與相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,主梁垂向凈變形測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

注：表中有限元計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值均不包括由設(shè)備自重所引起的應(yīng)力.

測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果是可靠的;該移動(dòng)模架最危險(xiǎn)工況可滿足強(qiáng)度和剛度要求.

4結(jié)論

通過(guò)有限元計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，該變幅寬移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求.有限元模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合，證明了用筆者所述方法建立的有限元計(jì)算模型來(lái)模擬變幅寬移動(dòng)模架的工作狀態(tài)是可行的.澆筑過(guò)程中對(duì)移動(dòng)模架危險(xiǎn)部位的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)控是保證設(shè)備施工安全及人員安全的有效措施.

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Finite Element Analysis and Experimental Study on Structure of Overhead Launching Gantry with Variable Width

LV Peng-min， YANG Long-fei， WANG Bin-hua

(Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education， Chang’an University， Xi’an 710064， China)

Abstract:The MSS50-38000 overhead launching gantry is taken as research object. The body’s strength and stiffness under the maximum amount of pouring condition are analyzed with the software ANSYS, the stress distribution and deflection curves of the overhead launching gantry are obtained. Based on the finite element calculations, the 11 high stress points of structure were monitored throughout the pouring process, and the testing results are consistent with the theoretical calculations. The results of this paper will provide some references for the design and safe construction of the overhead launching gantry.

Key words:overhead launching gantry; moving support system; variable width; finite element analysis

中圖分類號(hào)：U445.36

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.010

文章編號(hào):1671-6833(2015)02-0043-04

作者簡(jiǎn)介:呂彭民(1957-)男，陜西渭南人，長(zhǎng)安大學(xué)教授，博士，研究方向：工程機(jī)械和大型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、疲勞壽命預(yù)測(cè)和車-路耦合動(dòng)力學(xué)，E-mail：lpmin@chd.edu.cn.

收稿日期:2014-11-21；

修訂日期：2015-01-10