黎 崢，王立峰，劉云浩，韓國強，李惠惠

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

結(jié)構(gòu)有限元分析就是根據(jù)外界條件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，對模型進(jìn)行理論性的實驗分析。結(jié)構(gòu)分析需準(zhǔn)確模擬外部環(huán)境和結(jié)構(gòu)剛度，了解實際結(jié)構(gòu)的材料特性，選擇合理的有限元單元。Midas/Civil 是基于對預(yù)應(yīng)力混凝土橋、懸索橋、斜拉橋、水化熱分析等土木建筑的分析中所需要的各種功能進(jìn)行綜合考慮而開發(fā)的最先進(jìn)的土木結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，被越來越多地應(yīng)用于橋梁工程的結(jié)構(gòu)分析中，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計有指導(dǎo)性的意義。文中通過Midas/Civil 建立有限元模型對某橋梁架設(shè)過程中架橋機支架設(shè)計做相關(guān)分析。

1 工程概況

大鄭線K15 +630.92 與既有大鄭線成正交，采用(20 +30 +20)m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其中跨越鐵路部分采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，兩側(cè)各孔采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高1.8 m，邊梁頂板寬2.85 m，底板寬1.0 m，現(xiàn)澆橋面板寬0.5 m，橋跨每孔由2 片梁組成，全橋總計6 片梁。

架橋機架設(shè)支架由六部分組成。最上一層由8 根鋼軌組成，第二層由6 根鋼軌組成，第三層為厚度為2 cm 的鋼板，下面由4 根直徑50 cm、厚度8 mm 的鋼管柱和連接鋼管柱的75 mm×75 mm 的角鋼組成，所用鋼材均為Q235 鋼，基礎(chǔ)由C30混凝土澆筑。支架總高度為9.394 m。

2 建立有限元分析模型

運用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil 建立了某橋梁架設(shè)過程中架橋機支架模型，對鋼管支架各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。支架桿件單元用梁單元來模擬，基礎(chǔ)與鋼管上鋼板用實體單元模擬。基礎(chǔ)下端固結(jié)約束，上部各層支架桿件之間通過彈性連接的剛性連接進(jìn)行連接。建立有限元模型時，以順橋向里程增大方向為X 軸正向，豎直向上為Z 軸正向，Y 軸正向按照右手規(guī)則確定。

3 荷載組合

支架結(jié)構(gòu)的安全性能主要通過結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性等方面進(jìn)行。荷載組合如下:(1)強度驗算荷載組合為1.2 ×恒載+1.4 ×活載;(2)剛度驗算荷載組合為1.0 ×恒載+1.0 ×活載。其中，恒載為支架結(jié)構(gòu)自重;活載為架橋機荷載和架梁梁重的豎向荷載及水平向風(fēng)荷載。因施工過程的需要，架橋機吊梁荷載作用于第一層鋼軌的一側(cè)，并未作用于全部鋼軌。之后分析荷載作用位置按施工過程布載。

4 仿真計算結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力結(jié)果分析

支架分析時，首先要對支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，找到結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布較大區(qū)域，針對支架各部分結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，從而保證結(jié)構(gòu)的強度安全性。支架結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力分布圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，因架梁荷載作用于支架一側(cè)，支架各部分應(yīng)力分布呈不均勻現(xiàn)象，作用荷載一側(cè)應(yīng)力遠(yuǎn)大于為未加載一側(cè)。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第二層鋼軌靠近端部位置，為160.9 MPa，使用的鋼材均為Q235 鋼，允許應(yīng)力值為205 MPa，均達(dá)到強度要求。第一層鋼軌的跨中和支撐位置、第二層鋼軌端部支撐位置、第三層鋼板支撐位置和作用荷載一側(cè)鋼管柱應(yīng)力比較大，在支架安全監(jiān)測過程中應(yīng)得到重視。

圖1 各層結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

4.2 位移結(jié)果分析

為了保證架梁的順利進(jìn)行，支架結(jié)構(gòu)還應(yīng)滿足一定的變形要求，才能使結(jié)構(gòu)能夠正常使用。支架豎向位移圖如圖2所示。

圖2 支架豎向位移

從圖2 可以看出，支架豎向位移最大值發(fā)生在第一層鋼軌的跨中部位，為4.23 mm。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，撓度的允許值為跨度的1/400，為6.25 mm，滿足剛度要求。

4.3 穩(wěn)定性結(jié)果分析

通過特征值分析求得的解有特征值和特征向量，特征值就是臨界荷載，特征向量是對應(yīng)于臨界荷載的屈曲模態(tài)。臨界荷載可以用已知的初始值和臨界荷載的乘積計算得到。臨界荷載和屈曲模態(tài)意味著所輸入的臨界荷載作用到結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)就發(fā)生與屈曲模態(tài)相同形態(tài)的屈曲。由Midas/Civil屈曲分析得到支架的特征值為19.81，當(dāng)荷載作用值為架橋機架梁荷載的19.81 倍時，才發(fā)生失穩(wěn)破壞，鋼管柱屬于小柔度桿僅作強度驗算即可。

5 安全監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在支架受力大的部位粘貼應(yīng)變片，在基礎(chǔ)部位埋設(shè)振弦式應(yīng)變傳感器，支架的豎向位移使用位移計進(jìn)行測試。在架梁過程中時時監(jiān)測支架關(guān)鍵部位的應(yīng)力和撓度情況。將應(yīng)力測試結(jié)果列于表1。

5.1 應(yīng)力分析

將應(yīng)力測試結(jié)果列于表1。

表1 支架各部分應(yīng)力實測值與理論值對比

從表1 可以看出，實測情況均滿足設(shè)計要求，理論值普遍較實測值偏大，主要是因為在支架強度驗算中需要考慮荷載組合中恒載與活載的分項系數(shù)，增強了結(jié)構(gòu)的安全性。Midas/Civil 在進(jìn)行支架驗算中能夠滿足精度要求。

5.2 位移分析

使用位移計在架梁過程測試支架的豎向變形，最大豎向位移為6.10 mm，滿足支架剛度驗算的允許值。實測值較理論值大，主要是因為:(1)在建立有限元模型時，支架底端使用固定約束，未考慮地基的沉降影響;(2)溫度效應(yīng)的影響。

6 結(jié) 論

(1)理論值與實測值吻合很好，滿足結(jié)構(gòu)驗算的精度要求，說明利用Midas/Civil 建立有限元模型的準(zhǔn)確性。

(2)在對支架進(jìn)行有限元分析時，需充分了解實際結(jié)構(gòu)的受力性能，從而選擇正確的單元類型，優(yōu)化邊界條件，才能準(zhǔn)確模擬支架系統(tǒng)的安全性。

(3)基礎(chǔ)應(yīng)力很大，是上部結(jié)構(gòu)的承壓部位，如果基礎(chǔ)處理不當(dāng)易發(fā)生支架倒塌事故，故在施工過程中需加強基礎(chǔ)的抗壓能力。

［1］王有志.橋梁鋼管支架安全評估方法研究［D］.天津大學(xué)，2004.

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