鄧年春，羅 珊，劉顯暉，伍柳毅

(1.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545005;2.廣西工學(xué)院，廣西柳州545006)

1 工程及施工概況

青草背長江大橋位于重慶三環(huán)高速公路南川至涪陵段K48+657～K50+376處，全橋長1 719 m。主橋?yàn)?88 m單跨連續(xù)懸索橋，成橋狀態(tài)中部主纜設(shè)計(jì)垂跨比為1/10。全橋共設(shè)兩根主纜，間距 28.7 m，每根主纜由 88股(每股由1275.2鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成)預(yù)制平行鋼絲索股組成。主橋加勁梁采用正交異性板流線型扁平鋼箱梁，梁高3.5 m，寬(含風(fēng)嘴)30.7 m;鋼箱梁與吊索的連接采用銷接式錨板。主橋加勁梁根據(jù)制造時(shí)劃分的梁段數(shù)劃分成50個(gè)吊裝段，即跨中吊裝段2個(gè)、標(biāo)準(zhǔn)吊裝段44個(gè)、端部吊裝段2個(gè)、合龍段2個(gè)。其中標(biāo)準(zhǔn)吊裝段長度為16m，跨中吊裝段長度16.6 m，合龍段為標(biāo)準(zhǔn)段長度16 m，端部吊裝段長8.32 m。最大吊裝重量為241 t(跨中吊裝段)。

鋼箱加勁梁的架設(shè)擬采用300 t步履式纜載吊機(jī)，其吊裝模擬見圖1。纜載吊機(jī)的行走機(jī)構(gòu)直接與主纜接觸，以主纜作為支撐，傳遞吊機(jī)自身重量和吊裝重量，在吊機(jī)移位和定位吊裝的過程中發(fā)揮重要作用。在行走過程中，纜載吊機(jī)需要跨越已安裝好的主纜索夾。為了實(shí)現(xiàn)吊裝、移位和跨越索夾的功能，滾輪、行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體、牽引千斤頂、荷載轉(zhuǎn)換千斤頂和液壓馬達(dá)等組成了行走機(jī)構(gòu)的主要部分。行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體為長十幾米、高一米多的箱形結(jié)構(gòu)，是各種機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的骨架，其上安裝有行走輪組、抱箍裝置、工作靴裝置等，其結(jié)構(gòu)的安全性極其重要。本文擬采用ANSYS有限元軟件，對(duì)其在各種施工工況下的受力性能進(jìn)行分析，為纜載機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體有限元分析

2.1 分析模型與有限元單元選擇

纜載吊機(jī)的行走工況和吊裝工況不是同時(shí)進(jìn)行的。在移動(dòng)而未吊裝時(shí)，通過四個(gè)行走輪組騎在主纜上，行走輪組最終與鋼結(jié)構(gòu)主體接觸的面上的壓強(qiáng)需滿足設(shè)計(jì)要求;吊裝時(shí)，主體下的三個(gè)工作靴騎跨在主纜上，其接觸面的壓強(qiáng)同樣需要滿足設(shè)計(jì)要求。行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體通過銷軸與主桁架相連，主桁架上的力通過銷軸傳給行走機(jī)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)主體為寬度方向?qū)ΨQ的箱形結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件分析時(shí)，建立二分之一分析模型。

圖1 纜載吊機(jī)吊裝鋼箱梁模擬圖

鋼結(jié)構(gòu)主體實(shí)體模型，總長度超過11 m，高度超過1 m，箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部較復(fù)雜。ANSYS分析時(shí)，單元的選擇，從分析有效性考慮，對(duì)大部分簡(jiǎn)單區(qū)域采用solid185單元，對(duì)復(fù)雜區(qū)域采用solid92單元。鋼結(jié)構(gòu)主體與主桁架通過銷軸連接，分析過程中，采用接觸單元。本模型中，將銷軸的下半面和鋼結(jié)構(gòu)主體圓孔的下半面作面—面接觸。將銷軸下半面視作剛性“目標(biāo)”面，用targe170單元來模擬此3－D“目標(biāo)”面，將鋼結(jié)構(gòu)主體圓孔的下半面視作柔性“接觸”面，用conta174單元模擬此“接觸”面，建立一個(gè)“接觸對(duì)”。

鋼結(jié)構(gòu)主體采用Q345鋼材，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為325 MPa;銷軸采用合金結(jié)構(gòu)鋼40 Cr，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為785 MPa。

2.2 建模及網(wǎng)格劃分

ANSYS中的模型應(yīng)簡(jiǎn)潔，且在關(guān)鍵受力部位能反映出實(shí)體的真實(shí)情況，經(jīng)反復(fù)試算，此鋼結(jié)構(gòu)主體的建模過程為:從solidworks中導(dǎo)入二分之一實(shí)體模型后，保留中間較復(fù)雜且受力比較大的一部分，將這部分進(jìn)行布爾運(yùn)算，盡量地切割出規(guī)則的六面體，以方便后續(xù)的網(wǎng)格劃分;將左右兩邊模型刪除，在ANSYS中采用自頂向下的建模方式自行建模，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，這樣在建模過程中實(shí)際上也在進(jìn)行布爾運(yùn)算;最后使用glue操作將全部模型搭接在一起。

模型在進(jìn)行了布爾運(yùn)算之后就可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用前述的solid185單元和solid92單元對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主體劃分網(wǎng)格，并對(duì)銷軸和圓孔的下半面作面—面接觸，建立一個(gè)“接觸對(duì)”。鋼結(jié)構(gòu)主體有限元網(wǎng)格模型參見圖2，其中 solid185單元8 954個(gè)，solid92單元10 307個(gè)，targe170單元602個(gè)，conta174單元58個(gè)，總的單元數(shù)為19 921個(gè)，總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 949個(gè)，比單獨(dú)采用solid92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)大大減少。

圖2 行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體有限元網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件、荷載及工況的選擇

由于鋼結(jié)構(gòu)主體采用的是二分之一對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在對(duì)稱面上作對(duì)稱約束，在與主纜有接觸的支撐部位作全約束。

吊車行走和吊裝情況下的荷載是不同的，對(duì)這兩種情況下的模型施加面荷載。鋼結(jié)構(gòu)主體圓孔的厚度為0.07 m，銷軸的直徑為0.14 m。一臺(tái)纜載吊機(jī)有兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體，一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)主體有兩個(gè)面與銷軸接觸，因此共有四個(gè)面與銷軸接觸。行走、無負(fù)重時(shí)，只考慮行走機(jī)構(gòu)自重和主桁架及附屬設(shè)備自重120 t，故對(duì)受荷面所施加的均布力為30.6 MPa;固定在主纜吊裝時(shí)，根據(jù)提供的纜載吊機(jī)設(shè)計(jì)要求，取額定起重量為330 t，故對(duì)受荷面所施加的均布力為84.2 MPa。

不同施工工況下的支座約束不同。纜載吊機(jī)在主纜行走、無負(fù)重時(shí)，考慮兩類工況進(jìn)行計(jì)算。一類是纜載吊機(jī)處于水平位置，另一類是處于主纜傾斜30°的位置。當(dāng)纜載吊機(jī)在主纜水平位置行走時(shí)，四個(gè)行走輪組編號(hào)參見圖3。纜載吊機(jī)在行走過程中，當(dāng)行走輪①跨越主纜索夾時(shí)，①不再與主纜接觸，此時(shí)只有行走輪②、③、④與主纜接觸;由于主纜的彎曲，此時(shí)行走輪③可能不在主纜上，只有②、④與主纜接觸;當(dāng)行走輪②跨越索夾時(shí)，①已經(jīng)重新與主纜接觸，②脫離主纜，此時(shí)只有行走輪①、③、④在主纜上;由于主纜彎曲，沒有呈一條直線，行走輪③可能脫離主纜，只有①、④與主纜接觸;纜載吊機(jī)在主纜傾斜30°位置無負(fù)重行走時(shí)的工況與其在主纜水平位置行走時(shí)相同。

纜載吊機(jī)固定在主纜進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，考慮兩類工況進(jìn)行計(jì)算。一類是纜載吊機(jī)處于水平位置，另一類是處于主纜傾斜30°的位置。纜載吊機(jī)固定在主纜水平位置作業(yè)時(shí)，底部3個(gè)工作靴的編號(hào)參見圖3，此時(shí)，行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體底部三個(gè)接觸面⑤、⑥、⑦與主纜接觸;考慮主纜的變形，中間的面⑥可能不與主纜接觸，此時(shí)只考慮⑤、⑦的接觸。纜載吊機(jī)固定在主纜30°位置傾斜作業(yè)時(shí)的工況與其在主纜水平位置時(shí)相同。

綜上所述，行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體需考慮12種不同施工工況進(jìn)行模擬分析。

圖3 行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體支撐面編號(hào)

2.4 不同荷載工況下的有限元計(jì)算結(jié)果及分析

前述的準(zhǔn)備工作過后，ANSYS在計(jì)算階段所需的時(shí)間大為減少。當(dāng)僅采用solid92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將產(chǎn)生100 000個(gè)左右的單元，每種工況下的計(jì)算時(shí)間超過了2 h，而采用本文所述的solid185單元和solid92單元時(shí)，網(wǎng)格劃分完畢后產(chǎn)生的單元總數(shù)大為減少，每種工況下的計(jì)算時(shí)間只需10～20 min，因此節(jié)省了大量時(shí)間，提高了工作效率，保證了工作進(jìn)度。

從ANSYS有限元靜力計(jì)算結(jié)果可以得到，纜載吊機(jī)在主纜行走、無負(fù)重時(shí)，行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體最大應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域均為支撐面附近;纜載吊機(jī)固定在主纜作業(yè)時(shí)，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸附近或耳板截面未平順過渡的區(qū)域。對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)修改和有限元模擬分析后，得出的分析結(jié)果中都未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。具體的計(jì)算結(jié)果參見表1、表2。

表1 行走、無負(fù)重時(shí)各工況下行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體的最大應(yīng)力(單位:MPa)

表2 負(fù)重時(shí)各工況下行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體的最大應(yīng)力(單位:MPa)

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811－2008)的規(guī)定，纜載吊機(jī)在無風(fēng)工作情況下的強(qiáng)度安全系數(shù)為1.48，分析行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體部分時(shí)，其許用應(yīng)力[σ]=325/1.48=220 MPa。從表1、表2的結(jié)果可以看出，各工況下的最大應(yīng)力(von Mises Stress)都未超過許用應(yīng)力，行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖4 行走、無負(fù)重時(shí)的最不利工況下最不利位置等值線

圖5 負(fù)重時(shí)的最不利工況下最不利位置等值線

從表1、表2的數(shù)據(jù)還可以看出，纜載吊機(jī)在主纜行走、無負(fù)重時(shí)鋼結(jié)構(gòu)主體的最不利工況為在水平位置、只有行走輪①、④與主纜接觸;其固定在主纜作業(yè)時(shí)的最不利工況為在水平位置、只有⑤、⑦兩面與主纜接觸。這兩種最不利工況下最不利位置的應(yīng)力等值線圖分別參見圖4、圖5。

3 結(jié)束語

本文采用solid185單元和solid92單元對(duì)300 t步履式行走機(jī)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行有限元分析，比采用單一的solid185單元或solid92單元的分析，在保證計(jì)算精度的情況下，計(jì)算效率更高。通過在不同施工工況下的有限元分析可知，主體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，且經(jīng)過不斷設(shè)計(jì)改進(jìn)之后，有限元分析結(jié)果中未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。但同時(shí)也應(yīng)該看到，部分區(qū)域的應(yīng)力較大，造成這種原因的結(jié)果有兩個(gè)，一是在ANSYS中建模簡(jiǎn)化模型時(shí)，削弱了承載能力，從這點(diǎn)看，算出的最大應(yīng)力實(shí)際上是偏大的;二是少部分區(qū)域的設(shè)計(jì)沒有平滑過渡。解決了這兩個(gè)問題，鋼結(jié)構(gòu)主體的設(shè)計(jì)將更加經(jīng)濟(jì)、合理。

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