張吉慶， 葉智威， 王 媛

(深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518024)

基于FEA的鋼箱梁吊裝施工吊耳有限元分析

張吉慶， 葉智威， 王 媛

(深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518024)

吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響鋼箱梁在吊裝施工過程中的可靠性和安全性，但是吊耳作為局部受力構(gòu)件，其受力狀態(tài)復(fù)雜，吊耳板孔在吊軸擠壓作用下或吊耳與鋼箱梁表面焊接強(qiáng)度不足均易導(dǎo)致吊耳失效。通過對比分析板式吊耳和帶加勁板吊耳的受力情況，提出了吊耳結(jié)構(gòu)相的改進(jìn)措施；通過對比有限元分析與理論公式計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論公式在計(jì)算吊耳孔壁局部擠壓應(yīng)力的適用范圍，可為類似工程提供參考依據(jù)。

人行橋； 鋼箱梁； 吊耳； 有限元； 焊縫

鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工，需要進(jìn)行橫向分塊、縱向分段，預(yù)制完成后再運(yùn)輸至現(xiàn)場吊裝拼接，各預(yù)制構(gòu)件上設(shè)有多個(gè)吊耳，吊裝完成后將吊耳拆除。吊耳在吊裝過程作為局部受力構(gòu)件，受到復(fù)雜的應(yīng)力作用，因此吊耳的設(shè)計(jì)會影響整個(gè)施工過程，若處理不當(dāng)則會產(chǎn)生安全事故，因此對吊耳進(jìn)行強(qiáng)度校核是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)[1]。

吊耳的強(qiáng)度計(jì)算目前并沒有特別規(guī)范的方法，一般采用理論方法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式校核，主要包括：吊耳孔與插銷擠壓強(qiáng)度、吊耳各危險(xiǎn)截面強(qiáng)度校核、焊縫強(qiáng)度校核等3個(gè)方面，錢亞臣[2]提出了在機(jī)械設(shè)備上設(shè)置吊耳的主要設(shè)計(jì)原則；萬進(jìn)[3]通過分析耳板式吊耳的受力情況和設(shè)計(jì)原理，結(jié)合實(shí)際情況指出在實(shí)際工程應(yīng)用中的不足和失誤；韋東辰[4]根據(jù)設(shè)備本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 外形尺寸和受力分析，設(shè)計(jì)計(jì)算出結(jié)構(gòu)合理、利于操作、安全可靠的吊耳。

隨著有限元分析技術(shù)在吊耳強(qiáng)度分析中廣泛運(yùn)用。劉玉貴[1]借助ABAQUS軟件對吊耳結(jié)構(gòu)的接觸強(qiáng)度進(jìn)行研究，對比分析普通板式吊耳和帶加強(qiáng)板吊耳的受力情況，依據(jù)鋼箱梁外形 特點(diǎn)及受力情況，提出了吊耳結(jié)構(gòu)相應(yīng)的改進(jìn)措施。肖文勇[5]提出了幾種簡化處理方法來模擬插銷與吊耳的接觸。通過有限元計(jì)算結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)提出的簡化處理方法與接觸算法計(jì)算結(jié)果接近，且耗時(shí)少、操作簡單，可以將這些簡化處理方法廣泛應(yīng)用于吊耳的有限元強(qiáng)度校核。

本文結(jié)合深圳市某人行天橋鋼箱梁工程成功設(shè)計(jì)與安裝的實(shí)例，說明吊耳的設(shè)計(jì)和分析方法，并對比分析傳統(tǒng)的算法與有限元數(shù)值模擬技術(shù)兩者之間的差別。

1 工程實(shí)例

天橋鋼箱梁共分為3個(gè)預(yù)制段，最大跨度24.5 m，全長51.8 m，橋?qū)捥?.3 m，總用鋼量102.7 t。鋼箱梁截面形式如圖1所示。每個(gè)塊體上分布4個(gè)吊耳，吊耳焊接在鋼箱梁橋面上，吊點(diǎn)設(shè)置具體分布如圖2所示。

圖1 鋼箱梁橫截面布置圖(單位： cm)

圖2 吊點(diǎn)布置橫斷面示意圖

2 鋼箱梁吊耳設(shè)計(jì)

吊耳尺寸選取一般依據(jù)鋼箱梁外形尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力分布、起吊重量等，本工程所用吊耳采用自行設(shè)計(jì)、現(xiàn)場焊接施工方法，每個(gè)節(jié)段用4個(gè)板式吊耳，吊耳按橫橋向及縱橋向?qū)ΨQ布置，縱橋位于節(jié)段四分點(diǎn)處，橫橋向位置位于箱梁兩側(cè)腹板位置，吊耳焊接在主梁頂板上，誤差不得超過10 mm，以避免箱梁傾斜，吊裝完成后切除吊耳。

鋼箱梁在起吊的過程中，吊耳孔處由于受到拉應(yīng)力的作用，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。在起吊較重的重物時(shí)，焊縫的焊接質(zhì)量無法得到可靠的保證。實(shí)際施工時(shí)通常會在兩側(cè)安裝加強(qiáng)板以提高吊耳板的安全系數(shù)，這樣能達(dá)到應(yīng)力分散的目的，同時(shí)提高吊耳的穩(wěn)定性。

本工程吊裝采用臨時(shí)板式吊耳，吊耳材質(zhì)為Q235，板厚為28 mm，耳孔附近焊接16 mm的鋼板加強(qiáng)。臨時(shí)板式吊耳與鋼箱梁頂板連接采用雙面坡口全熔透焊接，板式吊耳大樣如圖3所示。

圖3 吊耳大樣圖(單位： mm)

2.1 吊耳孔壁擠壓應(yīng)力驗(yàn)算

吊耳強(qiáng)度驗(yàn)算荷載按照最大節(jié)段自重荷載計(jì)算，每個(gè)吊耳受到荷載值N=48.711 kN×10/4=121.78 kN?？紤]到起重加速度、主梁晃動及不均勻荷載影響，吊耳安全系數(shù)K取1.5。

當(dāng)?shù)醵妆谂c吊軸間的間隙較小時(shí)，一般使用拉曼公式計(jì)算吊耳孔壁的擠壓應(yīng)力，如式(1)所示：

(1)

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到吊耳孔壁擠壓應(yīng)力：

拉曼公式一般僅適用于吊軸與吊耳孔徑相差不大的情形，一般要求，Δ=d-d1≤0.02d，但是在實(shí)際施工中，為方便吊軸安裝與拔出，通常不能滿足Δ≤0.02d要求，因此在實(shí)際驗(yàn)算中，應(yīng)當(dāng)慎重選用該公式計(jì)算孔壁擠壓應(yīng)力。本文將在后續(xù)內(nèi)容中討論此項(xiàng)內(nèi)容。

2.2 吊耳抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算

取1-1截面進(jìn)行抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算，吊耳受到荷載N=121.78 kN，吊耳安全系數(shù)K取1.5。

1-1斷面扣除空洞后總長度L1=0.124 m，吊耳孔板厚度δ=0.028 m，拉應(yīng)力：

2.3 吊耳抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

選取2-2截面作為抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算截面，吊耳受到荷載N=121.78 kN，吊耳安全系數(shù)K取1.5。

2-2截面長度為L2=0.058 m，吊耳孔板厚度δ=0.028 m，拉應(yīng)力：

2.4 吊耳焊縫驗(yàn)算

吊耳孔板采用雙面坡口焊，焊縫長度Lf=0.29 m，焊縫兩端各扣除δ作為有限焊縫長度，吊耳與箱梁頂板要求雙面坡口全熔透焊接，角焊縫有效厚度折減系數(shù)為0.7，焊縫受到拉應(yīng)力：

39.8 MPa

3 鋼箱梁吊耳有限元分析

3.1 鋼箱梁吊耳有限元模型建立

利用專業(yè)有限元分析軟件MIDAS/FEA進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為了對比吊耳在施加加勁板前后的受力差異，分別建立了有加勁板和無加勁板的吊耳模型，為模擬吊耳實(shí)際受力情況，增加了焊縫模型及鋼箱梁面板模型。鋼箱梁每個(gè)分段共4個(gè)吊耳，材質(zhì)采用Q235鋼。焊縫與吊耳、焊縫與鋼箱梁頂板采用剛性連接。

參照文獻(xiàn)[5]研究結(jié)果，從工程計(jì)算角度，可使用徑向正弦加載算法替代接觸算法以減少非線性分析耗時(shí)，因此本文中有限元分析中荷載采用徑向正弦加載算法。圖4和圖5分別為無加勁板吊耳及有加勁板吊耳有限元模型。

圖4 無加勁板吊耳模型

圖5 有加勁板吊耳模型

3.2 結(jié)果分析

無加勁板情況下，吊耳焊縫Von mises應(yīng)力值如圖6所示，吊耳位移如圖7所示；施加加勁板后，焊縫應(yīng)力分布如圖8所示，吊耳位移如圖9所示；不施加加勁板的情況下，在焊縫邊緣部位出現(xiàn)了部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，無加勁板焊縫應(yīng)力介于23～114 MPa之間，最大豎向位移0.055 mm；施加加勁板后，焊縫應(yīng)力介于11～59 MPa之間，最大豎向位移0.002 mm；可見由于采用了加勁板，帶加強(qiáng)板的吊耳達(dá)到了減小應(yīng)力增加穩(wěn)定性的目的。

圖6 焊縫Von mises應(yīng)力分布

圖7 吊耳豎向位移

圖8 焊縫Von mises應(yīng)力分布

圖9 吊耳豎向位移

在荷載作用下，吊耳Von mises應(yīng)力分布如圖10所示，在吊耳孔眼處Von mises應(yīng)力最大值為147.8 MPa，通過拉曼公式計(jì)算得到應(yīng)力值為114.15 MPa，二者相差22%，拉曼公式計(jì)算值偏小。

圖10 吊耳Von mises應(yīng)力分布

當(dāng)?shù)踺S直徑d1與吊耳孔眼直徑差值Δ=d-d1在(0.02～0.4)d范圍內(nèi)變化時(shí)，通過有限元計(jì)算結(jié)果得到孔壁擠壓應(yīng)力變化范圍為：23～147 MPa。通過拉曼公式計(jì)算得到孔眼擠壓應(yīng)力變化范圍為：114～190 MPa，二者計(jì)算結(jié)果與Δ值變化趨勢如圖11所示。根據(jù)圖11可知，二者計(jì)算結(jié)果比值如圖12所示，根據(jù)二者比值可知，當(dāng)Δ=d-d1≤0.02d時(shí)，可以使用拉曼公式計(jì)算孔壁擠壓應(yīng)力而不至于產(chǎn)生較大誤差，當(dāng)Δ=d-d1>0.02d時(shí)，拉曼公式不再適用，應(yīng)當(dāng)采取有限元方法，或者其他有效方法計(jì)算吊耳孔壁擠壓應(yīng)力。

圖11 擠壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖12 兩種計(jì)算結(jié)果得到擠壓應(yīng)力比值

箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖13所示，在焊縫頂端位置出現(xiàn)部分應(yīng)力集中，吊裝過程中箱梁頂部鋼板應(yīng)力值介于4.7～18.8 MPa之間，應(yīng)力值較小，因此箱梁頂部鋼板始終處于彈性工作狀態(tài)，受力過程引起的結(jié)構(gòu)變形是可以恢復(fù)的，不會產(chǎn)生永久變形，故此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

圖13 箱梁頂板應(yīng)力分布

4 結(jié)語

本文對鋼箱梁吊耳設(shè)計(jì)過程及理論公式驗(yàn)算和有限元分析過程進(jìn)行了介紹，得出以下結(jié)論：

1) 吊耳施加加勁板后，焊縫應(yīng)力范圍從23～114 MPa降低至11～59 MPa之間，最大豎向位移減小至0.002 mm；可見由于采用了加勁板，帶加強(qiáng)板的吊耳達(dá)到了減小應(yīng)力增加穩(wěn)定性的目的。

2) 根據(jù)有限元計(jì)算吊耳孔壁擠壓應(yīng)力與拉曼公式計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)Δ=d-d1≤0.02d時(shí)，可以使用拉曼公式計(jì)算孔壁擠壓應(yīng)力而不至于產(chǎn)生較大誤差；當(dāng)Δ=d-d1>0.02d時(shí)，拉曼公式不再適用，應(yīng)當(dāng)采取有限元方法，或者其他有效方法計(jì)算吊耳孔壁擠壓應(yīng)力。

3) 通過分析鋼箱梁頂板應(yīng)力狀態(tài)得知，箱梁頂部鋼板在吊裝過程中始終處于彈性工作狀態(tài)，受力過程引起的結(jié)構(gòu)變形是可以恢復(fù)的，不會產(chǎn)生永久變形，故此吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

[1] 劉玉貴，徐書華，汪雪風(fēng)，等.基于ABAQUS軟件的大噸位鋼箱梁施工吊耳的有限元分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015，5(30)：56-59.

[2] 錢亞臣，李毅民.機(jī)械設(shè)備上吊耳的設(shè)計(jì)原則[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2006(12)：37-38.

[3] 萬進(jìn)，楊剛.軍關(guān)于耳板式吊耳設(shè)計(jì)校核的探討[J].石油化工建設(shè)，2010(3)：62-64.

[4] 韋東辰，韋韋.板式吊耳的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].小水電，2013(4)：42-44.

[5] 肖文勇，余凱.吊耳局部有限元建模技術(shù)分析[J].船舶工程，2009，31(4)：94-97.

1008-844X(2016)04-0125-04

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