李 遠(yuǎn)

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 甘肅 蘭州 730050）

架橋機(jī)是利用自身起吊裝置將預(yù)制的鋼筋混凝土制成的梁段依次架設(shè)在橋墩上的大型起重運(yùn)輸裝備。由于它必須受到現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)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(jī)在設(shè)計(jì)和施工上的安全問(wèn)題一直是研究者致力改進(jìn)的[1-2]。

架橋機(jī)在工程應(yīng)用中廣泛應(yīng)用也促使其不斷改進(jìn)，現(xiàn)在已完全滿足四通八達(dá)的橋梁施工的需求。侯杰[3]設(shè)計(jì)了一臺(tái)多工況的雙梁架橋機(jī)，對(duì)雙梁架橋機(jī)性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。并采用有限元軟件對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)與模態(tài)分析，利用MOGA 與Screening 兩種算法對(duì)主梁進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。熊國(guó)輝[4]設(shè)計(jì)了可進(jìn)行不對(duì)稱箱梁的吊裝及橋上掉頭作業(yè)的JQ850型雙向步履架橋機(jī)，為國(guó)內(nèi)高速公路中需要大型分幅預(yù)制箱梁架設(shè)提供了理論支持。魏岳峰等[5]對(duì)SLJ900流動(dòng)式架橋機(jī)主支腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)改進(jìn)，通過(guò)ANSYS 建模研究架橋機(jī)主支腿在不同工況下的受力的特點(diǎn)。陳士通[6]利用撓度影響基于虛功原理構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)損傷工況架橋機(jī)的主梁損傷識(shí)別及損傷量化方法。黃玉鑫[7]對(duì)LG40 架橋機(jī)主桁架在典型工況下進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化和改進(jìn)對(duì)架橋機(jī)在縱向移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的最大懸臂工況，并對(duì)其進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

本研究基于理論與仿真模擬理論，對(duì)450 t級(jí)架橋機(jī)在吊梁起升、吊梁運(yùn)行、橫向位置調(diào)整、落梁四種危險(xiǎn)工況進(jìn)行有限元建模并模擬仿真，選取結(jié)構(gòu)受力和變形最大的工況，對(duì)模型進(jìn)行了靜力分析，得到了等效應(yīng)力圖、位移圖。找出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)域和位移最大位置，然后對(duì)比理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，驗(yàn)證是否達(dá)到許用標(biāo)準(zhǔn)和安全范圍。

1 架橋機(jī)建模及網(wǎng)格劃分

架橋機(jī)如圖1 與圖2，其中1 為雙導(dǎo)梁（機(jī)架），2是橫梁，3 是起重及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，4 為中間梁，5 為后支腿，6 是前支腿。通過(guò)ANSYS 對(duì)重要組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模及仿真，選取結(jié)構(gòu)受力和變形最大的工況，對(duì)模型進(jìn)行了靜力分析。其中，對(duì)于主梁的導(dǎo)軌、后支腿、前支腿與角鋼等部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)載荷施加和網(wǎng)格劃分，靜力分析得到架橋機(jī)整體結(jié)構(gòu)在工作的四個(gè)階段的應(yīng)力圖、位移圖。

圖1 架橋機(jī)二維示意圖

圖2 架橋機(jī)三維示意圖

選取材料為Q345，屈服極限345 MPa，許用應(yīng)力259 MPa。設(shè)置單元，材料彈性模量為2.1×108MPa，泊松比0.3，密度設(shè)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(duì)架橋機(jī)不同構(gòu)件劃分設(shè)置好對(duì)應(yīng)屬性，設(shè)置整體單元大小為0.4 cm。網(wǎng)格劃分如圖3。施加載荷，區(qū)分集中力和面力大小，在導(dǎo)軌上指定位置添加相應(yīng)荷載。添加固定約束，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，施加為對(duì)稱約束。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 不同工況下有限元分析

架橋機(jī)架梁時(shí)要完成吊梁起升、吊梁運(yùn)行、橫向位置調(diào)整、落梁四種危險(xiǎn)工況。則利用有限元主要分析的內(nèi)容包括：

（1）架橋機(jī)前天車在起吊混凝土梁，架橋機(jī)后支腿支承與主梁的應(yīng)力和變形；

（2）架橋機(jī)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形；

（3）架橋機(jī)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形；

（4）架橋機(jī)起吊混凝土梁至落梁位置，前支腿和主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。

2.1 架橋機(jī)前天車起吊450t 混凝土箱梁時(shí)的強(qiáng)度分析

此工況是架橋機(jī)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(yīng)力較大，最大應(yīng)力值為185.4 MPa，主梁的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)許用應(yīng)力280 MPa，說(shuō)明主梁的強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)要求。

圖4 前天車起吊箱梁應(yīng)力圖

圖5 架橋機(jī)前天車起吊箱梁位移圖

2.2 架橋機(jī)前天車起吊450 t混凝土箱梁至主梁中部時(shí)的強(qiáng)度分析

此工況是架橋機(jī)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(yīng)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(yīng)力值為230 MPa，小于主梁的許用應(yīng)力，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)工況里此時(shí)主梁的變形達(dá)到了最大極限，但仍小于許用撓度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 前天車起吊箱梁至主梁中部應(yīng)力圖

圖7 前天車起吊箱梁至主梁中部位移圖

2.3 架橋機(jī)在前天車提起混凝土梁、后天車剛提起混凝土梁的強(qiáng)度分析

架橋機(jī)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(shí)的工況。如圖8、圖9 所示此工況是架橋機(jī)后支腿最不利工況，

圖8 后天車起吊箱梁應(yīng)力圖

圖9 后天車起吊箱梁位移圖

2.4 架橋機(jī)起吊450 t混凝土梁至落梁位置時(shí)的強(qiáng)度分析

如圖10、圖11所示此工況是對(duì)架橋機(jī)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(duì)于后支腿較薄弱，此工況下前支腿最大應(yīng)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(qiáng)度與撓度均小于標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)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(yīng)力產(chǎn)生在最支腿與主梁接觸部分，最大應(yīng)力值為196.8 MPa，強(qiáng)度與撓度均小于標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 前后天車行至落梁位置應(yīng)力圖

圖11 前后天車行至落梁位置位移圖

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得安全系數(shù)n=1.33，通過(guò)表1 分析，可知主梁上的所有單元所受應(yīng)力均小于桿件的許用應(yīng)力，故滿足強(qiáng)度要求。架梁狀態(tài)要求主梁最大Y向變形不大于60 mm。在架橋機(jī)前天車在起吊混凝土梁，架橋機(jī)主梁最大位移為59.136 mm，此最大極限狀態(tài)下剛度也滿足使用要求。

表1 有限元最大應(yīng)力與許用應(yīng)力比較 （單位：MPa）

又根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003）的規(guī)定計(jì)算，梁總高h(yuǎn)，b0為兩腹板外側(cè)之間距離。針對(duì)主梁，當(dāng)時(shí)，簡(jiǎn)支的箱體梁的整體的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。本文校核的450 t架橋機(jī)則滿足穩(wěn)定性要求。又由《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB3811-83）規(guī)定計(jì)算，當(dāng)時(shí)，主梁受彎壓力的側(cè)向扭曲穩(wěn)定性也是滿足設(shè)計(jì)要求的。

3 結(jié)論

對(duì)450 t 級(jí)架橋機(jī)在吊梁起升、吊梁運(yùn)行、橫向位置調(diào)整、落梁四種動(dòng)作進(jìn)行有限元建模并模擬仿真，選取結(jié)構(gòu)受力和變形最大的工況，對(duì)模型進(jìn)行了靜力分析，找出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)域和位移最大位置，然后對(duì)比了理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，存在一定的誤差，但在可接受范圍內(nèi)并且滿足許用性和安全性。通過(guò)靜力分析對(duì)架橋機(jī)的研究和改進(jìn)提供了理論依據(jù)，為架橋機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)起理論指導(dǎo)作用。