司癸卯,邵現(xiàn)田,王楊煦,陳 哲,徐 欣

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室, 西安 710064)

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港珠澳大橋軌道安裝車結(jié)構(gòu)設(shè)計與模態(tài)分析

司癸卯,邵現(xiàn)田,王楊煦,陳 哲,徐 欣

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室, 西安 710064)

提出了一種專門用于港珠澳大橋在淺水區(qū)非通航孔橋進行軌道安裝的安裝車,利用SolidWorks建立了安裝車的三維模型,并且用ANSYS Workbench對下桁架分別進行了有預(yù)應(yīng)力和無預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析,得到了前6階的固有頻率及其主振型.通過與激振源的頻率進行比較,結(jié)果表明,在正常工作時,下桁架不會發(fā)生共振.

軌道安裝車; 結(jié)構(gòu)設(shè)計; 模態(tài)分析

珠澳大橋是目前國內(nèi)橋梁設(shè)計使用年限最長的大橋,其使用壽命可達120年.港珠澳大橋全橋主梁設(shè)置有專項檢查車,分為梁外檢查車與梁內(nèi)檢查車.梁外檢查車在鋼箱梁外依靠梁外軌道系統(tǒng)行走,不影響行車通行,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的檢測作業(yè),如圖1所示.梁外檢查車的軌道有一部分已在地面上完成安裝,但是由于鋼箱梁的運輸及架設(shè)的需要,有一部分的軌道需要在鋼箱梁架設(shè)完成之后在海面上完成安裝[1].由于作業(yè)對象是跨海大橋,涉及高空作業(yè)、臨水作業(yè)等危險環(huán)境,施工環(huán)境復(fù)雜,而傳統(tǒng)的作業(yè)方式由于其自身特點的限制而無法完成軌道安裝作業(yè),所以設(shè)計了一種專門用于安裝這類軌道的平臺結(jié)構(gòu)——軌道安裝車.

圖1 港珠澳大橋梁外檢查車

1 作業(yè)對象橋梁的結(jié)構(gòu)型式

港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋上部結(jié)構(gòu)采用的是跨徑為85 m等跨徑等截面組合連續(xù)梁,整墩分幅布置(見圖2),橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面寬度為33.1 m,單幅橋?qū)?6.3 m,兩幅橋梁之間有0.5 m間隔[2].在設(shè)計軌道安裝車時,考慮到橋面標(biāo)準(zhǔn)橫截面寬度達33.1 m,如果按照這個尺寸設(shè)計會使得軌道安裝車的整體結(jié)構(gòu)過于龐大,對整個結(jié)構(gòu)的制造、運輸、安裝等都帶來一定的難度,所以按照單幅鋼箱梁的尺寸參數(shù)來設(shè)計.

圖2 橋梁截面布置圖

2 軌道安裝車結(jié)構(gòu)設(shè)計

軌道安裝車采用在移動車體上安裝桁架式工作裝置的結(jié)構(gòu)型式.桁架體由上桁架、支撐架、下桁架、立柱支架、支架座組成,桁架與桁架之間主要采用高強度螺栓鋼板來進行連接.根據(jù)軌道安裝車的工作要求與橋梁的結(jié)構(gòu)特點與尺寸,設(shè)計好結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),利用SolidWorks建立模型,如圖3所示.

圖3 軌道安裝車整體結(jié)構(gòu)

軌道安裝車在作業(yè)過程中,需要頻繁地進行繞墩的操作,所以支撐架與下桁架之間采用回轉(zhuǎn)機構(gòu)來連接.在作業(yè)時,下桁架伸展到橋底提供一個工作人員可以行走的作業(yè)平臺,對鋼箱梁左右兩側(cè)的軌道進行安裝操作.為了平衡下桁架的自重,在平臺的另一端放置配重塊進行穩(wěn)定性平衡.在工作中,下桁架所受彎矩比較大.利用兩橋體主梁之間的間距,用鋼索把下桁架端部吊起連接到上部的立柱支架上,以保證作業(yè)平臺工作時的受載平衡性及平穩(wěn)性.軌道在橋底兩側(cè)對稱分布,安裝時需要在鋼箱梁底部左右兩側(cè)分別安裝,因此,在作業(yè)平臺上設(shè)計有運送小車把軌道移動到安裝位置再進行安裝.

3 軌道安裝車的工作模式

在開始安裝工作前,作業(yè)平臺伸展到橋下,連接好鋼索(見圖4),通過推動小車把兩根軌道運送到安裝位置.首先安裝內(nèi)側(cè)的軌道(見圖5),即靠近回轉(zhuǎn)中心這一側(cè)的軌道,安裝完畢,繼續(xù)推動小車將另一根軌道移動至外側(cè)的安裝位置,即遠離回轉(zhuǎn)中心這一側(cè)(見圖6).軌道安裝完畢,在進行繞過橋墩操作時,把小車推回到靠近回轉(zhuǎn)中心處,解開鋼索,電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn),帶動下桁架旋轉(zhuǎn),卡車行走,帶動整個桁架體行走,從而實現(xiàn)繞墩操作(見圖7).

圖4 軌道安裝車連接鋼索

圖5 軌道安裝車安裝內(nèi)側(cè)軌道

圖6 軌道安裝車安裝外側(cè)軌道

圖7 軌道安裝車進行繞墩操作

4 下桁架的模態(tài)分析

在安裝軌道時,工作人員需要在平臺上頻繁移動,來安裝不同位置的軌道,同時下桁架還要不停進行回轉(zhuǎn)繞墩操作,在工作過程中作業(yè)平臺的載荷會一直發(fā)生變化,而且很容易受到不同振型和不同頻率的振動源的影響.作業(yè)過程中,當(dāng)桁架結(jié)構(gòu)的工作頻率和固有頻率比較接近時,使得桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較大的振動,從而引起較大的動應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[3].所以,在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考察桁架結(jié)構(gòu)的振動特性,要對桁架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型進行分析,進而避免在工作中結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的共振現(xiàn)象.

模態(tài)分析過程分為4個步驟:建立模型、定義邊界條件、擴展模態(tài)結(jié)果和后處理[4].在進行網(wǎng)格劃分時需注意,網(wǎng)格劃分的細(xì)致程度與求解階數(shù)有關(guān)系,求解的階數(shù)越高,網(wǎng)格劃分越細(xì).邊界條件會對結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型產(chǎn)生影響,需要對模型進行正確合理的約束.在模態(tài)分析中不存在結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷,但是在求解預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模態(tài)時,需要考慮結(jié)構(gòu)承受的不變載荷,因為它會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的產(chǎn)生[5].

4.1 下桁架無預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果

桁架結(jié)構(gòu)是一個多自由度的振動系統(tǒng),由于低階頻率被激發(fā)的概率很高,所以對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)影響較大,一般前5階是最容易激發(fā)的,較高階的則影響不大.在對下桁架進行分析時提取其前6階的模態(tài)[6].在下桁架結(jié)構(gòu)沒有受預(yù)應(yīng)力時,計算得到的各階固有頻率及其振型,如表1所示.

表1 下桁架無預(yù)應(yīng)力的固有頻率和振型

下桁架結(jié)構(gòu)沒有受預(yù)應(yīng)力時對應(yīng)的前6階的振型圖如圖8～13所示.

圖8 第1階振型圖

圖9 第2階振型圖

圖10 第3階振型圖

圖11 第4階振型圖

圖12 第5階振型圖

圖13 第6階振型圖

4.2 下桁架有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果

桁架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的主要來源是放置于水平工作平臺一端的配重塊,使桁架結(jié)構(gòu)始終處在不變載荷的作用下[7].在本文中配重塊的質(zhì)量m=4 697.3 kg,因此需要探討這一不變載荷是否影響結(jié)構(gòu)的振動特性,有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析的也提取前6階模態(tài),分析的結(jié)果如表2所示.

表2 下桁架有預(yù)應(yīng)力的固有頻率和振型

下桁架結(jié)構(gòu)在受預(yù)應(yīng)力時對應(yīng)的前6階的振型圖如圖14～19所示.

通過對比有預(yù)應(yīng)力作用及無預(yù)應(yīng)力作用時的模態(tài)分析可以得出,下桁架的第1階的固有頻率及振型變化不明顯,而第2～6階的固有頻率與振型有明顯的變化,這是由于配重塊載荷產(chǎn)生的應(yīng)力場對整體剛度產(chǎn)生了影響造成的,所以在進行模態(tài)分析時必須將預(yù)應(yīng)力的影響考慮在內(nèi).

圖14 第1階振型圖

圖15 第2階振型圖

圖16 第3階振型圖

圖17 第4階振型圖

4.3 結(jié)果分析

圖18 第5階振型圖

圖19 第6階振型圖

5 結(jié)論

本文對軌道安裝車進行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,用SolidWorks建立了模型.用ANSYSWorkbench對下桁架分別進行有預(yù)應(yīng)力和無預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析,分析結(jié)果得出,下桁架在正常工作時不會發(fā)生共振的危險.

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Structural design and modal analysis for track installation vehicle of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

SI Guimao,SHAO Xiantian,WANG Yangxu,CHEN Zhe,XU Xin

(Key Laboratory for Highway Construction Technique and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Taking the structures of non-navigable span in shallow water area of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge as reference,we designed a installation vehicle specifically used for installing the tracks of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge.The 3D model of the vehicle was build with SolidWorks and the modal analysis was separately carried on the lower truss with prestress and without prestress by using ANSYS Workbench,obtaining the first sixth orders of inherent frequencies and the principal vibration modes.By comparing the above mentioned frequencies with the working frequencies of main vibration sources.The results show that resonance never occurs under normal working condition.

track installation vehicle; structure design; modal snalysis

司癸卯(1963—),男,副教授,博士.E-mail:smart@chd.edu.cn

TH 12

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1672-5581(2017)02-0136-05