邵雨虹，王斌華，蘆 強(qiáng)

（1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.中航工業(yè)蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，蘭州 730070）

0 引言

移動(dòng)模架是一種支撐在兩座橋墩之間的支架系統(tǒng)，完成混凝土橋梁現(xiàn)澆施工的大型制梁設(shè)備，具有較高的機(jī)械化程度，較快的施工速度，利用橋墩為支撐基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)備施工時(shí)不占用橋下凈空，施工的安全性得以保障，并保護(hù)了橋下環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此移動(dòng)模架已成為現(xiàn)代連續(xù)澆筑橋梁的主要施工技術(shù)之一[1～3]。

移動(dòng)模架一般由主梁、導(dǎo)梁、支撐架、橫梁、模板等主要結(jié)構(gòu)件組成，其中導(dǎo)梁是輔助移動(dòng)模架在橋墩之間移動(dòng)的重要機(jī)構(gòu)，影響著設(shè)備運(yùn)行安全和施工進(jìn)度。為了降低鋼材用量，并減小設(shè)備風(fēng)阻，導(dǎo)梁一般采用桁架型式，并且為了便于運(yùn)輸，導(dǎo)梁由多節(jié)段組成，在施工現(xiàn)場通過摩擦型高強(qiáng)螺栓群連接，因此螺栓連接的可靠性對(duì)導(dǎo)梁安全具有重要意義[4,5]。針對(duì)螺栓群連接構(gòu)造的力學(xué)分析，已有大量學(xué)者開展了研究，文獻(xiàn)[5]對(duì)鋼桁橋長列高強(qiáng)螺栓群布置進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)軸力主要是通過兩端的螺栓來傳遞，中間各排螺栓幾乎不傳力，并對(duì)螺栓布置進(jìn)行優(yōu)選。文獻(xiàn)[6]通過有限元分析了連接板厚度對(duì)高強(qiáng)螺栓群的受力影響，結(jié)果表明薄板與厚板的應(yīng)力分布規(guī)律一致，但厚板的應(yīng)力過度平滑且較小。文獻(xiàn)[6]利用有限元分析研究了預(yù)緊力和螺栓位置對(duì)螺栓連接構(gòu)件的影響，指出靠近底板端部螺栓承載較大，應(yīng)增加螺栓數(shù)量降低應(yīng)力峰值。文獻(xiàn)[7]針對(duì)港珠澳大橋橋塔與吊具連接高強(qiáng)螺栓群進(jìn)行了受力分析，仿真結(jié)果確定了采用高強(qiáng)度鋼拉桿替換部分受力過大的高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)方案，并已得到成功應(yīng)用。由上述文獻(xiàn)可知，由于實(shí)際工程中較難通過直接測試獲得螺栓群中各螺栓的承載力，因此學(xué)者們進(jìn)行了大量仿真分析，并得到了實(shí)際驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明螺栓群承載時(shí)，各螺栓承載力存在顯著的非均勻傳力的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)螺栓群設(shè)計(jì)時(shí)采用均勻承載的假定存在較大的差異性[6]，且承載力受連接板厚度等因素影響，因此螺栓群連接構(gòu)造的有限元分析具有重要的工程意義。

本文以應(yīng)用于海口鋪前大橋的下行式移動(dòng)模架為例，利用大型有限元分析軟件ANSYS建立了移動(dòng)模架開模過孔狀態(tài)時(shí)的空間有限元模型，使用約束方程模擬螺栓群構(gòu)造，通過改變約束位置模擬設(shè)備在橋墩之間移動(dòng)的過程，分析得到了移動(dòng)模架導(dǎo)梁過孔狀態(tài)的各螺栓的載荷歷程，評(píng)估了桁架導(dǎo)梁螺栓群的安全性。

1 移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)形式和工作原理

本文研究對(duì)象為50m跨移動(dòng)模架，設(shè)備照片及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，在橋墩上移動(dòng)的施工示意圖如圖3所示，其工作原理是利用牛腿作為移動(dòng)模架的支撐機(jī)構(gòu)，移動(dòng)模架按照?qǐng)D3中箭頭方向縱移，移動(dòng)模架縱移過孔時(shí)，外模板、橫梁、主梁等結(jié)構(gòu)件在頂升油缸作用下整體下落后，在橫移油缸驅(qū)動(dòng)下橫向移動(dòng)至橋墩兩側(cè)，再通過縱移油缸驅(qū)動(dòng)使主梁與外模系統(tǒng)縱移運(yùn)行至下一橋墩，完成設(shè)備過跨。該移動(dòng)模架設(shè)備自重355t，主梁長度62.2m，導(dǎo)梁長度為55.4m，x為移動(dòng)模架縱移距離，取圖2中x=0為模架過孔時(shí)的縱移起點(diǎn)。

圖1 移動(dòng)模架橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 移動(dòng)模架導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 移動(dòng)模架過孔階段示意圖

2 移動(dòng)模架有限元模型的建立

圖4 移動(dòng)模架空間有限元模型

移動(dòng)模架開模過孔時(shí)上部支架部分由外模板、主梁、前導(dǎo)梁、后導(dǎo)梁和橫梁等組成，如圖1(c)所示，橫梁在中間處分離，導(dǎo)梁為桁架結(jié)構(gòu)，因此在有限元建模時(shí)，只需要建立移動(dòng)模架的單邊結(jié)構(gòu)。主梁和橫梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，因此采用板殼單元模擬，桁架結(jié)構(gòu)的前、后導(dǎo)梁采用空間梁單元模擬，通過板殼單元建立螺栓群連接構(gòu)造局部模型，利用約束方程耦合各螺栓位置結(jié)點(diǎn)的X、Y和Z向位移自由度模擬螺栓連接，梁單元與螺栓群連接構(gòu)造端部采用全約束耦合的方式實(shí)現(xiàn)載荷傳遞，共劃分板殼單元130245，梁單元9997個(gè)，結(jié)點(diǎn)74325個(gè)，外模板自重通過均布荷載施加在支撐桿與主梁連接處，以及橫梁螺旋頂位置上，設(shè)備自重通過有限元程序自動(dòng)施加，通過改變約束位置模擬移動(dòng)模架過孔過程，以設(shè)備每縱移前進(jìn)2m為一個(gè)分析工況，開模縱移時(shí)移動(dòng)模架有限元模型如圖4所示，列舉某一處導(dǎo)梁弦桿處螺栓群連接構(gòu)造有限元局部模型，如圖4(c)所示。

3 移動(dòng)模架開模過孔有限元分析

由圖1(c)所示，移動(dòng)模架開模后，設(shè)備重心偏向橫梁側(cè)，因此導(dǎo)梁的內(nèi)側(cè)弦桿受力較外側(cè)受力大，選取內(nèi)側(cè)弦桿上的螺栓群進(jìn)行承載力分析。另外，由于螺栓數(shù)量眾多，分析所有螺栓在移動(dòng)模架過孔時(shí)的承載力歷程的工作量較大，通過分析可知，對(duì)于每一塊連接板上各螺栓承載力大小分布規(guī)律是不受導(dǎo)梁縱移位置影響，因此首先通過分析確定導(dǎo)梁最大懸臂狀態(tài)時(shí)各連接板上承載力最大的螺栓位置，再分析極值力螺栓在移動(dòng)模架過孔時(shí)的載荷歷程，評(píng)估導(dǎo)梁連接截面處螺栓群的設(shè)計(jì)安全性。限于篇幅，列舉2#螺栓連接截面處的螺栓群為例進(jìn)行說明，各螺栓位置編號(hào)如圖5所示。

圖5 2#螺栓連接截面各螺栓位置編號(hào)

2#螺栓連接截面有限元分析模型如圖6所示，導(dǎo)梁大懸臂時(shí)螺栓連接板von Mises應(yīng)力云圖如圖7所示，連接板最大von Mises應(yīng)力為σ=148MPa，小于Q345材料的許用應(yīng)力[σ]=345/n=345/1.5=230MPa，其中n為安全系數(shù)，因此連接板滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。各螺栓承載力分析結(jié)果如表1所示，由表可知，極值力螺栓位置均位于螺栓群端部，該螺栓力分布規(guī)律與文獻(xiàn)[4]分析一致。

圖6 2#螺栓截面有限元模型圖

圖7 2#螺栓截面von Mises應(yīng)力云圖

表1 2#螺栓截面上、下弦桿的螺栓承載力（導(dǎo)梁最大懸臂工況，單位：N）

表1（續(xù)）

由最大懸臂狀態(tài)螺栓承載力分析可得到每個(gè)螺栓截面處上、下弦桿上、下翼板和上、下弦桿腹板承載最大螺栓，因此，取每個(gè)螺栓連接截面處極值力螺栓為研究對(duì)象進(jìn)行螺栓承載力過孔時(shí)的動(dòng)態(tài)歷程分析。由表1分析結(jié)果可知，上弦桿上翼板螺栓所受承載力要較大于上弦桿下翼板螺栓承載力，因此上弦桿翼板螺栓取上翼板極值力螺栓為研究對(duì)象進(jìn)行承載力分析，以下簡稱上弦桿翼板；下弦桿下翼板沒有連接螺栓，所以只分析下弦桿上翼板的極值力螺栓，以下簡稱下弦桿翼板。另外還包括上弦桿腹板、下弦桿腹板處極值力螺栓為研究對(duì)象進(jìn)行過孔工況時(shí)的動(dòng)態(tài)歷程分析，其中下弦桿翼板螺栓承載力曲線用右側(cè)的次坐標(biāo)表示，因此，4個(gè)導(dǎo)梁螺栓連接截面的極值力螺栓承載力曲線如圖8所示。

由于導(dǎo)梁使用的摩擦型高強(qiáng)度螺栓抗剪承載力為：

式中，η為傳力摩擦面數(shù)目；μ為摩擦系數(shù)；P為單個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力；m為螺栓數(shù)目。

該移動(dòng)模架導(dǎo)梁使用了M27高強(qiáng)螺栓，其性能等級(jí)為10.9s，螺栓預(yù)緊力P=290000N，鋼材噴砂處理后鋼材摩擦面的抗滑系數(shù)μ=0.5，采用雙連接板的連接形式[10]，因此傳力摩擦面為η=2，計(jì)算得到單個(gè)螺栓許用承載力為[F]=290000N。因此，根據(jù)圖8計(jì)算結(jié)果，可以評(píng)估移動(dòng)模架過孔工況時(shí)，各螺栓連接截面內(nèi)的螺栓承載力均小于許用承載力，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

移動(dòng)模架是用于現(xiàn)場澆筑橋梁的大型施工機(jī)械，結(jié)構(gòu)可靠是設(shè)備運(yùn)行安全性的關(guān)鍵，較多學(xué)者進(jìn)行了橋梁澆筑時(shí)移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究和理論分析，確保了結(jié)構(gòu)安全性，本文以應(yīng)用于?？阡伹按髽虻南滦惺揭苿?dòng)模架為分析對(duì)象，研究了開模過孔工況時(shí)桁架導(dǎo)梁節(jié)段間螺栓群的承載力歷程，對(duì)螺栓群設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行評(píng)估，主要結(jié)論如下：

圖8 移動(dòng)模架過孔時(shí)極值力螺栓承載力歷程（下弦桿翼板螺栓承載力曲線用右側(cè)的次坐標(biāo)表示）

1）建立了移動(dòng)模架空間有限元整體模型，利用板殼單元和約束方程聯(lián)合模擬螺栓群構(gòu)造，通過改變支撐約束位置，有效分析了移動(dòng)模架過孔工況，并獲得各螺栓承載力變化歷程；

2）螺栓群中各螺栓承載力存在非均勻承載現(xiàn)象，端部區(qū)域的螺栓受力顯著高于中間區(qū)域的螺栓，因此進(jìn)行導(dǎo)梁螺栓群設(shè)計(jì)時(shí)有必要進(jìn)行有限元模擬評(píng)估螺栓極限載荷，為設(shè)計(jì)提供參考；

3）通過移動(dòng)模架過孔狀態(tài)的有限元分析，該設(shè)備的導(dǎo)梁螺栓群設(shè)置合理，滿足螺栓承載力設(shè)計(jì)要求。