張緒進(jìn) 張 祎

（重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所1） 重慶 400016）

（中國地震局地震研究所2） 武漢 430071） （武漢地震工程研究院3） 武漢 430071）

向家壩重大件碼頭所設(shè)計(jì)的鋼桁架平臺(tái)車架體是由縱、橫向工字大梁以及縱向小梁構(gòu)成的體系，各節(jié)段在現(xiàn)場焊接拼裝而成．鋼桁架平臺(tái)車主要由車體、車輪、跳板、牽引機(jī)構(gòu)、卷揚(yáng)機(jī)、托繩輥等組成．車長36 m，前高1．13 m，后高3．5 m．車體鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345低合金材料，車輪材料為45Mn，滑輪材料為HT200，車體和跳板為全焊接鋼結(jié)構(gòu)．國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼桁架體系的有限元分析已有較深入的研究［1－4］，而重大件碼頭所用的鋼桁架平臺(tái)車因其用途特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及受力情況隨采用的卸船工藝不同存在較大差異等，實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度驗(yàn)算通常將其荷載進(jìn)行簡化，從平面問題考慮進(jìn)行單根主梁的強(qiáng)度驗(yàn)算．本文為保證鋼桁架平臺(tái)車在轉(zhuǎn)運(yùn)重大件時(shí)的安全以及建造的經(jīng)濟(jì)合理性，進(jìn)行不同荷載工況下全結(jié)構(gòu)的空間受力分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化探討．

1 有限元模型

1．1 本構(gòu)關(guān)系

首先確定鋼桁架的比例極限fp、彈性模量E和泊松比μ．對(duì)于向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺(tái)車所用梁截面為工字型鋼，假設(shè)各梁在彈性階段工作．彎曲梁問題的基本方程如下．

式中：κ為梁中面變形后的曲率；M，Q分別為截面上的彎矩和剪力；I為截面抗彎慣矩分別為在端部給定的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力，當(dāng)它們等于零時(shí)，以上3個(gè)端部條件分別對(duì)應(yīng)于固定端、鉸接端和自由端．

1．2 模型參數(shù)

向家壩鋼桁架平臺(tái)車車體結(jié)構(gòu)均采用Q345低合金材料，其材料參數(shù)見表1．

表1 車體鋼結(jié)構(gòu)（Q345）材料參數(shù)［5］

鋼桁架平臺(tái)車計(jì)算所采用的荷載主要根據(jù)向家壩水電站、溪洛渡水電站的超重超限設(shè)備所確定，各工況下的設(shè)計(jì)荷載擬定如表2所列．

表2 向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺(tái)車設(shè)計(jì)荷載

1．3 簡化與假設(shè)

在盡可能反映平臺(tái)車真實(shí)受力的情況下，以不影響各根主梁計(jì)算結(jié)果為原則，有限元模型作如下簡化與假設(shè)：（1）根據(jù)鋼桁架平臺(tái)車結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，僅需建立1／2模型即可，其對(duì)稱平面施加對(duì)稱約束；（2）模型中不考慮跳板、架體首部的箱形梁等附屬構(gòu)件；僅計(jì)算橫向加勁板作用，不考慮縱向加勁板；（3）由于本模型旨在分析平臺(tái)車的受力，故模型不包括車輪，車輪梁底板用固結(jié)邊界予以約束；（4）假定材料、焊縫及其他連接處無構(gòu)造缺陷，平臺(tái)車為理想彈性體，焊縫處為理想的剛性連接；（5）荷載只考慮恒載效應(yīng)，不計(jì)活載、風(fēng)載及溫度效應(yīng)．

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2．1 工況一

到達(dá)船型為滾裝船，船舶行至向家壩重大件碼頭區(qū)，頂靠在碼頭斜坡道適當(dāng)位置后拋錨定位，從斜坡道上放下鋼桁架平臺(tái)車至滾裝船前緣，完成車、船搭接后，重大件用平板車自鋼桁架平臺(tái)車端部進(jìn)入．

工況一載荷下，由于加勁板的作用，跨中梁段的撓度得到有效控制，加勁板不僅減小了撓度值，還使得各根橫梁上的跨中撓度分布均勻，見圖1；對(duì)于橫梁端部，由于重大件位于鋼桁架平臺(tái)車中部，使得橫梁端部發(fā)生向上的“翹曲”，且最大值超過規(guī)范允許，加勁板有效控制了這種不利變形，見圖2．

2．2 工況二

到達(dá)船型為駁船，船舶進(jìn)行重大件碼頭區(qū)后，順靠碼頭，做好船、車之間的搭接工作后，由鋼桁架平臺(tái)車旁邊進(jìn)入．

圖1 工況一 車輪梁間跨中撓度曲線

圖2 工況一 橫向大梁端部撓度曲線

工況二載荷下，重大件位于車輪梁中部，加勁板使得跨中梁段的撓度減小了50%，見圖3；對(duì)于橫梁端部的撓度，加勁板不僅減小了其撓度值，還有效控制了兩端橫梁的“翹曲”，見圖4．

圖3 工況二 車輪梁間跨中撓度曲線

圖4 工況二 橫向大梁端部撓度曲線

2．3 工況三

到達(dá)船型為駁船，當(dāng)條件允許且大件設(shè)備單重小于吊車起吊能力時(shí)，吊裝是推薦采用的卸船工藝．駁船順靠碼頭，做好船、車的固定后，汽車吊（或履帶吊）進(jìn)入指定位置進(jìn)行吊裝．

工況三載荷下，加勁板不僅使跨中梁段的撓度減小，而且使變形沿縱向“傳播”，更多的橫梁共同承擔(dān)變形，圖5表明：跨中梁段撓度在設(shè)置加勁板后趨于均勻．加勁板還使主要受荷的橫梁端部撓度減小了87．5%，見圖6．

圖5 工況三 車輪梁間跨中撓度曲線

圖6 工況三 橫向大梁端部撓度曲線

應(yīng)力和變形的計(jì)算結(jié)果表明工況三為3個(gè)工況中應(yīng)力最大的工況，故將其確定為鋼桁架平臺(tái)車的最不利工況．

3 加勁板的優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)及使用要求，鋼桁架平臺(tái)車只允許其在彈性范圍內(nèi)工作，不存在屈曲情況發(fā)生．結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［6］，確定布置在車輪梁上的加勁板布置間距在0．5h0到2h0之間（h0為腹板高度，由于車輪梁為斜工字梁，故將h0指定為1＃橫梁所對(duì)應(yīng)處的腹板高度）．

為說明優(yōu)化方案的可行性，選取最不利荷載（即工況三）情況進(jìn)行建模和分析．

優(yōu)化方案在工況三載荷下，由于荷載作用位置的影響，間隔設(shè)置加勁板后對(duì)車輪梁間的跨中撓度影響較?。▓D7）；對(duì)于橫梁端部的撓度，間隔設(shè)置的加勁板雖較連續(xù)設(shè)置時(shí)撓度有所增大，但仍較好的控制了撓度的大小及分布，并使其在規(guī)范允許的范圍內(nèi)（圖8），計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了加勁板的間隔設(shè)置的可行性．

圖7 工況三 車輪梁間跨中撓度曲線對(duì)比圖

4 加勁板高度的討論

圖8 工況三 橫向大梁端部撓度曲線對(duì)比圖

各荷載工況下，加勁板高度與橫梁撓度間應(yīng)存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系．應(yīng)用已有結(jié)果，提取不同加勁板高度對(duì)應(yīng)下的橫梁撓度進(jìn)行擬合，通過擬合得到一個(gè)有效的數(shù)學(xué)表達(dá)式來反映這種定量關(guān)系．

擬合關(guān)系式：

相關(guān)系數(shù) R2＝0．999 9，R＝0．999 9

擬合關(guān)系式：

相關(guān)系數(shù) R2＝0．996 5，R＝0．998 2

在工況三參與受力的各根橫梁分布載荷形式、大小相同的前提下，得到加勁板高度－橫梁撓度的擬合關(guān)系曲線，見圖9～圖10．這種非線性關(guān)系本質(zhì)是截面的抗彎慣矩為高次表達(dá)式，從而導(dǎo)致不同的板高所發(fā)揮的“支撐”作用具有的非線性．這種非線性關(guān)系總體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著加勁板高度的增加，撓度有所降低．說明板高的增加，加勁板對(duì)橫梁的支撐作用亦有所增強(qiáng)，提高了截面抗彎慣矩，減小了截面上的應(yīng)力分布．

圖9 工況三 橫梁跨中板高－撓度曲線

圖10 工況三 橫梁端部板高－撓度曲線

5 結(jié)論及建議

1）有限元方法是對(duì)向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺(tái)進(jìn)行整體受力、變形最有效的途徑，通過ANSYS的數(shù)值計(jì)算可以方便的確定最不利荷載及最危險(xiǎn)部位．

2）針對(duì)3種不同的卸船方式確定了平臺(tái)車3個(gè)荷載工況，分別進(jìn)行了應(yīng)力和變形計(jì)算，并確定工況三為最不利荷載工況．通過是否設(shè)置加勁板的對(duì)比分析，得出加勁板對(duì)于提高結(jié)構(gòu)整體剛度、減小受力和控制變形起到了極為有效的作用．

3）有限元計(jì)算結(jié)果表明向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺(tái)車的構(gòu)件截面和節(jié)點(diǎn)形式合理，傳力直接、可靠，應(yīng)力集中程度較低．

4）提出加勁板間隔布置的優(yōu)化方案，通過建立優(yōu)化模型和計(jì)算分析，表明加勁板間隔設(shè)置滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求，其應(yīng)力和變形均在規(guī)范允許值范圍內(nèi)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性．

5）在加勁板與車輪梁底板連接處通常出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，將其定義為最危險(xiǎn)部位．在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制最危險(xiǎn)部位的焊縫質(zhì)量，并對(duì)這些部位采取構(gòu)造措施予以補(bǔ)強(qiáng)，防止出現(xiàn)疲勞破壞而影響整車的安全性．

6）重視鋼桁架平臺(tái)車的防腐蝕工作，尤其嚴(yán)格控制焊縫部位的預(yù)處理質(zhì)量，保證平臺(tái)車的安全性和耐久性．

［1］Yang Y B，Lin T J，Leu L J，et al．Inelastic postbuckling response of steel trusses under thermal loadings［J］．Journal of Constructional Steel Research，2008，64（12）：1 394－1 407．

［2］Kazuya T，Shigeru N，Masaki S，et，al．Identification of Causes of fatigue damage in connections between stringers and floorbeams in steel railway trusses［J］．Doboku Gakkai Ronbunshu A／JSCE Journal of Structural and Earthquake Engineering，2008，64（2）：235－247．

［3］Albrecht P，Asce M，Lenwari A．Design of prestressing tendons for strengthening steel truss bridges［J］．J．Bridge Engrg，2008，13（5）：449－454．

［4］He Xuhui，Yu Zhiwu，Chen Zhengqing．Finite element model updating of existing steel bridge based on structural health monitoring［J］．Journal of Central South University of Technology，2008，15（3）：399－403．

［5］李守巨．鋼結(jié)構(gòu)工程常用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［6］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)．GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2003．