肖勇剛,彭文盈

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長沙 410004)

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移動模架不同形式吊點結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

肖勇剛,彭文盈

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長沙 410004)

摘要:移動模架施工方法廣泛用于中國橋梁施工中,在高墩情形下需對模架進(jìn)行整體提升,吊點處受力較大。文中以MSS55移動模架整體提升為背景,運(yùn)用MIDAS FEA軟件對2種不同形式吊點結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,針對受力不利位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。研究表明,2種形式吊點最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊點下板與主梁底板相連的圈筋處,增加圈筋的厚度和寬度可改善圈筋部位受力狀況,改變豎向加強(qiáng)筋板的數(shù)量和位置可使結(jié)構(gòu)受力更為合理。

關(guān)鍵詞:橋梁;移動模架;整體提升;有限元建模;吊點形式

移動模架施工技術(shù)施工周期短,適用范圍廣,在橋梁施工中應(yīng)用廣泛,國內(nèi)外學(xué)者也對移動模架作了許多研究。Povoas A.A.、Pedro Pacheco等針對移動模架系統(tǒng)應(yīng)用于大跨度情形進(jìn)行了研究;景強(qiáng)、王立超、章征宇等通過有限元建模分析了移動模架在不同工況下的受力,結(jié)果表明其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足使用要求;程曄等對移動模架高空拼裝技術(shù)進(jìn)行了研究;潘大鵬、姚應(yīng)洪等研究了移動模架的整體提升技術(shù),并與實際工程進(jìn)行結(jié)合,將移動模架應(yīng)用于高墩情形;盛英全等對高墩情形下移動模架提升過程進(jìn)行了動力分析,研究了千斤頂不同步和風(fēng)荷載作用對移動模架提升的影響;周清長、李海青等研究了移動模架行走過程對橋墩結(jié)構(gòu)的影響,提出了在施工過程中對橋墩的應(yīng)力和變形加以監(jiān)測的建議。移動模架整體提升是其應(yīng)用于高墩情形時的一個重要工序,在整體提升過程中吊點局部結(jié)構(gòu)需承受極大的拉力,對該局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究很有必要,對實際工程應(yīng)用也有指導(dǎo)意義。該文運(yùn)用MIDAS FEA建立有限元模型,對移動模架不同形式吊點結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 有限元模型的建立

在建某橋梁采用MSS55移動模架施工,橋墩高度大于35 m,采用整體提升的方法將模架一次提升到位。該工程有2種不同的吊點形式:一種采用吊耳形式(稱為吊點形式1,如圖1所示),另一種采用鋼絞線直接錨固于移動模架主梁的形式(稱為吊點形式2,如圖2所示)。

運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS FEA對該結(jié)構(gòu)中2種不同形式的吊點進(jìn)行建模,研究其在相同吊點拉力作用下的受力。

圖1 吊點形式1示意圖(單位:mm)

圖2 吊點形式2示意圖(單位:mm)

建模中采用實體單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,吊點形式1模型中建立單元38 835個、節(jié)點12 017個;吊點形式2模型中建立單元41 414個、節(jié)點13 017個。材料為Q345,彈性模量取206 GPa,泊松比取0.3,密度取7 850 kg/m3。由于結(jié)構(gòu)的對稱性,建模中僅取吊點部位結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行研究。模型如圖3和圖4所示。

圖3 吊點形式1有限元模型

圖4 吊點形式2有限元模型

2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2個模型的von Mise應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。從中可看出:在相同吊點拉力作用下,主梁受力均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中效應(yīng),吊點部位附近區(qū)域應(yīng)力較大,而遠(yuǎn)離吊點的部位應(yīng)力較小。吊點形式1的最大應(yīng)力為149.281 MPa,吊點形式2的最大應(yīng)力為136.574 MPa,前者較后者增大9.3%,均出現(xiàn)在吊點下板與主梁底板連接的下部圈筋部位;離吊點下板距離近的位置應(yīng)力較大,隨著距離增大應(yīng)力值逐漸變小;吊點形式1的應(yīng)力值大于吊點形式2,在承受相同吊點拉力情況下,吊點形式1中筋板部位受力較為不利。針對該部位應(yīng)力較大的情況,可通過增大圈筋厚度或?qū)挾鹊葮?gòu)造措施來改善。

圖5 吊點形式1應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖6 吊點形式2應(yīng)力云圖(單位:MPa)

吊點下板應(yīng)力較大部位出現(xiàn)在吊點拉力作用區(qū)域附近;頂板上應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在吊點拉力作用區(qū)域上方,在布置有豎向筋板的部位表現(xiàn)得更為明顯,但應(yīng)力值較下板小。可見,豎向加強(qiáng)筋板的構(gòu)造對頂板應(yīng)力的分布有著重要影響,在吊點設(shè)計時可通過調(diào)整豎向加強(qiáng)筋板的構(gòu)造和位置來實現(xiàn)頂板應(yīng)力的合理分布。在連接頂板與吊點下板的豎向筋板處,2種形式吊點均出現(xiàn)較大的應(yīng)力,吊點形式2中應(yīng)力值比吊點形式1大。這是由于吊點形式1設(shè)置了更多的豎向筋板,且分散程度更大。在工程應(yīng)用中可通過增加豎向筋板的布置及對筋板位置進(jìn)行優(yōu)化來使結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

3 結(jié)構(gòu)變形分析

吊點下板以上部位發(fā)生向上的撓曲變形,吊點下板以下部位發(fā)生向內(nèi)的撓曲變形。2個模型的應(yīng)變云圖如圖7和圖8所示。從中可以看出:2種吊點形式變形較大處均位于吊點下板以上部位,吊點形式1的最大變形量為2.966 49 mm,吊點形式2的最大變形量為2.332 99 mm,前者比后者增加27.2%。從吊點下板以下部位來看,吊點形式1的變形比吊點形式2的大。

圖7 吊點形式1變形云圖(單位:mm)

圖8 吊點形式2變形云圖(單位:mm)

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2種吊點形式結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊點下板與主梁底板連接的圈筋處,在吊點形式1中表現(xiàn)得更為明顯。

4.1 吊點形式1的優(yōu)化

針對吊點形式1進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,通過增大圈筋的厚度或?qū)挾葋砀纳圃摬课唤Y(jié)構(gòu)的受力。優(yōu)化方案一、二為增加該處縱向圈筋的寬度,方案一增加5 cm,方案二增加10 cm;方案三、四為增加該處橫向圈筋的厚度,方案三增加2 mm,方案四增加4 mm。各優(yōu)化方案計算結(jié)果如表1所示。

各優(yōu)化方案的計算結(jié)果表明:增加縱向圈筋的寬度可有效改善圈筋部位受力,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不再出現(xiàn)在圈筋部位;增加橫向圈筋的厚度對改善圈筋部位受力效果不那么明顯,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在圈筋部位。針對圈筋部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用增加縱向圈筋寬度的形式更為有效。

表1 吊點形式1各優(yōu)化方案計算結(jié)果對比

吊點形式1中吊點下板也出現(xiàn)了局部應(yīng)力較大的情況,優(yōu)化方案五采用在該部位增加一塊加強(qiáng)筋板的方式來改善。原結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力如圖9所示,采用方案五優(yōu)化后的局部應(yīng)力如圖10所示。從中可看出:采用方案五優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)橫向加筋板局部最大應(yīng)力由原來的146.456 MPa降低至137.096 MPa,減少6.39%?？梢?增加加強(qiáng)筋板對吊點局部結(jié)構(gòu)受力具有明顯的改善作用。

圖9 原結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖10 方案五局部應(yīng)力云圖(單位:MPa)

4.2 吊點形式2的優(yōu)化

吊點形式2中圈筋部位最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱向圈筋處,故對吊點形式2的優(yōu)化主要是增加縱向圈筋的寬度。優(yōu)化方案一、二、三、四分別為增加圈筋寬度20、50、70、100 mm。各優(yōu)化方案計算結(jié)果如表2所示。

表2 吊點形式2各優(yōu)化方案計算結(jié)果對比

從表2可以看出:當(dāng)縱向圈筋寬度從原結(jié)構(gòu)的100 mm增加至120 mm時,圈筋處應(yīng)力反而從原來的136.574 MPa增加至164.283 MPa;筋板寬度增至150 mm時,應(yīng)力增至143.794 MPa,但應(yīng)力值較方案一減小;圈筋板寬度在150 mm的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加時,圈筋處應(yīng)力逐漸減小。出現(xiàn)方案一、二結(jié)果的原因是在距結(jié)構(gòu)對稱面120 mm處,吊點下板以上部位設(shè)置有貫穿主梁橫向的加強(qiáng)筋板,隨著圈筋寬度增大,圈筋邊緣至上部加強(qiáng)筋板距離逐漸變小,圈筋處最大應(yīng)力增大;寬度繼續(xù)增大,圈筋邊緣至加強(qiáng)筋板距離又逐漸增大,圈筋處最大應(yīng)力減小。因此,在工程應(yīng)用中,圈筋邊緣不可與上部加強(qiáng)筋板位置重合,應(yīng)有一定的錯開距離。

5 結(jié)論

在移動模架整體提升一次到位過程中,移動模架各吊點部位承受很大的吊點拉力。該文通過有限元建模,研究了不同吊點形式在承受相同吊點拉力情形下的受力,結(jié)論如下:

(1)在相同吊點拉力作用下,2種形式吊點最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊點下板與主梁底板相連的圈筋處,可通過增大圈筋寬度或厚度的方式對該部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

(2)對吊點形式1圈筋進(jìn)行加強(qiáng),增大縱向圈筋寬度比增大橫向圈筋厚度更為有效。

(3)增大圈筋寬度可有效改善吊點形式2的圈筋部位受力,但應(yīng)注意與上部加強(qiáng)筋板位置錯開。

(4)豎向加強(qiáng)筋板對吊點部位應(yīng)力分布有著重要影響,其數(shù)量與布置位置會影響吊點處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,在實際工程應(yīng)用中可對豎向筋板進(jìn)行設(shè)計上的優(yōu)化使結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

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收稿日期:2016-01-15

中圖分類號:U441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0150-04