郝宇飛，江明坤，胡元倫

MSS60三主梁移動(dòng)模架力學(xué)性能仿真分析

郝宇飛1，江明坤2，胡元倫2

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.山東恒堃機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

以MSS60三主梁協(xié)同受力移動(dòng)模架系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用ANSYS有限元分析軟件，結(jié)合實(shí)際工況對(duì)該移動(dòng)模架系統(tǒng)建立有限元模型，對(duì)施工過程中該系統(tǒng)的澆筑工況進(jìn)行有限元仿真。經(jīng)過模擬仿真計(jì)算，得出移動(dòng)模架系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況和變形情況，校核移動(dòng)模架系統(tǒng)在最大受力狀態(tài)下其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及屈曲穩(wěn)定性，計(jì)算出澆筑工況下主梁產(chǎn)生的撓度并制作撓度曲線，為模架預(yù)拱度調(diào)整提供數(shù)據(jù)。有限元分析計(jì)算表明，該模架系統(tǒng)在最大受力狀態(tài)下，強(qiáng)度、剛度及屈曲穩(wěn)定性均滿足要求。

移動(dòng)模架；三主梁；力學(xué)性能；仿真模擬

移動(dòng)模架造橋機(jī)是一種利用橋梁自帶移動(dòng)模板，以承臺(tái)或橋梁墩柱移動(dòng)模架作為橋梁支撐，對(duì)承臺(tái)或橋梁主體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑的一種施工機(jī)械。其主要的特點(diǎn)是：施工材料質(zhì)量好，施工過程操作簡(jiǎn)便，成本低廉。在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于大型公路橋、鐵路橋的連續(xù)梁施工中，是較為先進(jìn)的連續(xù)梁施工設(shè)備和方法。國(guó)內(nèi)已逐步開始在高速公路、鐵路以及客運(yùn)專線上推廣使用[1]。

移動(dòng)模架造橋機(jī)主要由主梁、鼻梁、橫梁、牛腿、臺(tái)車、內(nèi)外模板、液壓機(jī)電等系統(tǒng)零部件組成，可輕松完成從移動(dòng)支架造橋到澆筑成型等一系列的施工。較原設(shè)計(jì)方案的投入小、施工操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化管理程度高、成橋質(zhì)量好[2]，因此在橋梁施工中越來越廣泛地應(yīng)用移動(dòng)模架。傳統(tǒng)的移動(dòng)模架是采用雙主梁方式，而當(dāng)所需澆筑的混凝土箱梁屬于超寬規(guī)格時(shí)，移動(dòng)模架造橋機(jī)就需使用三主梁結(jié)構(gòu)。

本文研究的MSS60下行式滑移模架系統(tǒng)，是一種新型的采用三主梁協(xié)同受力體系的移動(dòng)模架系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全性能高。由于施工橋面寬度大，故在中間位置增加一根主梁協(xié)同受力。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多種不同跨徑下的橋梁澆筑施工，主梁前后通過轉(zhuǎn)鉸連接鼻梁，鼻梁作為模架縱移過孔時(shí)提供導(dǎo)向和支撐作用，可以適應(yīng)不同平曲線半徑的橋梁施工，方便實(shí)現(xiàn)整機(jī)縱移。同時(shí)配有液壓小車，方便主要承重部位主梁在澆筑完成后前往下一施工跨段。

移動(dòng)模架在澆筑和縱移過程中，受力狀態(tài)復(fù)雜，為了確保模架的正常施工，應(yīng)對(duì)模架澆筑和縱移工況進(jìn)行受力分析。本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該MSS60下行式移動(dòng)模架系統(tǒng)在澆筑工況下的受力、變形及屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性能否滿足施工要求，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

本文介紹的移動(dòng)模架設(shè)備相比于傳統(tǒng)的雙主梁移動(dòng)模架施工，在兩側(cè)主梁中間增加一根主梁，構(gòu)成三主梁協(xié)同受力，共同支撐整個(gè)移動(dòng)模架施工，如圖1所示。中間主梁下端安裝于移動(dòng)模架的縱移小車上，上端的左右兩側(cè)分別水平安裝有橫梁，橫梁位于兩個(gè)橋墩之間。兩個(gè)側(cè)主梁上端的左右兩側(cè)分別水平安裝有橫梁，位于內(nèi)側(cè)端的橫梁與同側(cè)對(duì)應(yīng)的橫梁之間通過螺栓連接固定。小車通過移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于牛腿上，可沿牛腿的左右方向滑動(dòng)，側(cè)主梁的下端固定于同側(cè)對(duì)應(yīng)的小車上。

圖1 MSS60下行式移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)圖

1 有限元模型建立

該MSS60三主梁移動(dòng)模架系統(tǒng)主要構(gòu)件包括三根主梁、鼻梁、橫梁、牛腿、內(nèi)外模板。移動(dòng)模架總長(zhǎng)為118.366 m，鼻梁為鋼桁架結(jié)構(gòu)，安裝在主梁前后，分為前鼻梁和后鼻梁，長(zhǎng)36 m。主梁為鋼型箱梁，其中，中間主梁長(zhǎng)82.12 m、高3.75 m、寬2.2 m；兩外側(cè)主梁分別長(zhǎng)76.1 m、高3.403 m、寬2.2 m。主梁采用Q345B，主梁腹板處設(shè)有開孔，在減少重量的同時(shí)，提高了主梁的采光效果，并且從開孔位置能夠進(jìn)入橫梁內(nèi)。主梁腹部?jī)?nèi)側(cè)安裝有法蘭座，以安裝橫梁。模板橫梁采用工字梁結(jié)構(gòu)，焊接制作，截面尺寸1720 mm×220 mm，最大間距4.3 m，共有15組。為了使移動(dòng)模架在過孔工況下模板橫梁與墩身不產(chǎn)生干涉，模板橫梁分為6個(gè)單節(jié)，最重的為1.6t；橫梁之間通過高螺栓連接，中間連接設(shè)置有導(dǎo)向裝置。橫梁上設(shè)有支撐式螺旋頂，以安裝模板的橫梁及外模支架。模板橫梁采用機(jī)械支持系統(tǒng)對(duì)豎向、橫向進(jìn)行調(diào)整。移動(dòng)模架系統(tǒng)的鼻梁截面尺寸為3000 mm×2200 mm，為移動(dòng)模架過孔的移動(dòng)提供引導(dǎo)和支持。鼻梁?jiǎn)喂?jié)最重可達(dá)20 t。主梁與鼻梁之間采用螺栓連接。外模板系統(tǒng)采用液壓支撐桿安裝在主梁上，用于調(diào)節(jié)模板，將模板所受壓力傳遞給主架結(jié)構(gòu)。在有限元建模過程中，外模板的自重和澆筑混凝土的重量都以集中載荷的形式加載在主梁和橫梁的相應(yīng)位置。

1.1 ANSYS有限元模型建立

有限元模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在有限元建模時(shí)，將主梁、鼻梁、橫梁作為模型組進(jìn)行建模。將混凝土箱梁和模板對(duì)主梁的作用力轉(zhuǎn)化為螺旋頂和外模支撐桿位置的集中力求解。主梁和鼻梁采用板殼單元BEAM188模擬，內(nèi)側(cè)橫梁采用空間梁?jiǎn)卧猄HELL63進(jìn)行模擬。在ANSYS中建立主梁和橫梁的模型，在滿足精確性的情況下，對(duì)主梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)作出必要簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，建立一個(gè)滿足有限元分析的幾何實(shí)體模型，從而節(jié)省了計(jì)算機(jī)的資源，提高了計(jì)算效率。例如，該模架主梁分為6節(jié)，每?jī)晒?jié)之間都有節(jié)板，并通過高強(qiáng)的螺栓連接，當(dāng)施加較大的預(yù)緊力時(shí)，可以近似地認(rèn)為，節(jié)點(diǎn)板和主梁的上下翼緣板沒有相對(duì)滑動(dòng)，連接得很緊，并且能夠傳遞力和力矩，所以在有限元建模時(shí)，可以直接將主梁結(jié)構(gòu)建成一體。主梁是由上下翼緣板、腹板組成，并且腹板有開孔，內(nèi)外側(cè)還需與橫梁連接，對(duì)于板與板、板與梁之間的焊縫，在建模過程中可以近似認(rèn)為焊接附近處的材料一致，忽略材料之間的焊縫影響。

MSS60三主梁下行式移動(dòng)模架系統(tǒng)的主鼻梁和橫梁有限元計(jì)算模型如圖2所示，共劃分單元309142個(gè)、節(jié)點(diǎn)223996個(gè)，其中板殼單元296040個(gè)，梁?jiǎn)卧?3102個(gè)。

圖2 移動(dòng)模架有限元計(jì)算模型

1.2 載荷計(jì)算

MSS60三主梁下行式移動(dòng)模架主要由主梁、鼻梁、橫梁、牛腿、牛腿支腿、小車、液壓千斤頂、內(nèi)外模板等組成。由于主梁所受載荷經(jīng)由千斤頂向牛腿傳遞，故將整個(gè)結(jié)構(gòu)分為上部支架和下部牛腿分別進(jìn)行有限元計(jì)算。

移動(dòng)模架在澆筑工況下的載荷主要有設(shè)備自重（包括主梁、鼻梁、內(nèi)外模板、橫梁、液壓系統(tǒng)等）、混凝土砼載荷、風(fēng)載荷、小型機(jī)具以及人群載荷。

由于施工段橋梁跨度不同、箱梁截面不同，選取受力最大工況進(jìn)行分析。本文取首跨澆筑工況，對(duì)該下行式移動(dòng)模架進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。該澆筑工況下混凝土澆筑長(zhǎng)度為48.5 m，混凝土約重3290 t。上部框架澆筑工況施工載荷包括混凝土箱梁、內(nèi)外模板、輔助機(jī)械的自重載荷，這些載荷以集中力的形式加載到每組橫梁的螺旋頂位置和外模支撐桿位置。

橫梁共18組，沿施工方向依次編號(hào)為1～18。每組橫梁載荷由兩部分組成：①混凝土箱梁自重載荷；②內(nèi)外模板及輔助機(jī)械的自重載荷。兩部分載荷都按不同的橫梁間距，以每組橫梁間中心線為界進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算出每根橫梁對(duì)應(yīng)混凝土載荷、內(nèi)外模板及輔助機(jī)械載荷，再根據(jù)相應(yīng)的比例關(guān)系求出每組橫梁的螺旋頂位置和外模支撐桿位置所承擔(dān)的載荷，然后對(duì)每一組橫梁進(jìn)行左右對(duì)稱加載，進(jìn)行有限元計(jì)算。

1.3 約束條件

有限元的主梁約束以主梁和千斤頂支撐的位置為主。為了保證主梁結(jié)構(gòu)在混凝土施工過程中的支撐位置能夠適當(dāng)?shù)刈冃?，以達(dá)到釋放局部大應(yīng)力的目的，可耦合千斤頂頂面與主梁連接面上所有的節(jié)點(diǎn)，并限制千斤頂?shù)酌娴娜课灰谱杂啥龋?、、），釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（、、）[3-4]。在主梁整體結(jié)構(gòu)的有限元模型中，主梁和其他橫梁之間接觸位置的自由度也有必要實(shí)現(xiàn)耦合。

2 有限元計(jì)算結(jié)果

2.1 主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

該工況該橋混凝土施工長(zhǎng)度48.5 m，混凝土約為3290 t。移動(dòng)模架校核廣泛采用強(qiáng)度計(jì)算許用應(yīng)力法，塑性材料的計(jì)算應(yīng)力為[5]：

≤[]＝σ/

式中：σ為考慮了零部件尺寸，熱處理，載荷特性的材料屈服極限，MPa；為塑性材料零件的安全系數(shù)；[]為許用應(yīng)力，MPa。

在橋梁澆筑工況下，移動(dòng)模架系統(tǒng)不僅要在澆筑過程中最危險(xiǎn)工況下滿足強(qiáng)度要求，而且成型的混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的變形也要滿足一定的線型要求。因此還需分析主梁的凈變形，設(shè)為結(jié)構(gòu)凈跨度，通常要求移動(dòng)模架施工主梁最大凈撓度小于/500。

移動(dòng)模架強(qiáng)度與剛度有限元計(jì)算模型如圖2所示。主梁在設(shè)備自重和澆注混凝土共同作用下的總變形云圖如圖3所示，僅在澆注混凝土作用下的凈變形云圖如圖4所示。主梁最大總撓度51.846 mm，主梁最大凈撓度46.945 mm。主梁在設(shè)備自重和混凝共同作用下的von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。主梁最大應(yīng)力max＝220 MPa。主梁采用Q345B焊接而成，其材料的許用應(yīng)力[]＝230 MPa，故滿足強(qiáng)度要求。

圖3 主梁總變形云圖

圖4 主梁凈變形云圖

圖5 主梁von Mises應(yīng)力云圖

由分析可知主梁結(jié)構(gòu)豎向最大凈變形為：

＝-46.945 mm

最大豎向凈變形位于主梁跨中間位置、主梁的內(nèi)側(cè)腹板偏上部位。主梁撓跨比為[6-9]：

＝/＝=1/1033＜1/500

式中：為主梁最大凈撓度，mm；為橋梁施工長(zhǎng)度，m。

故主梁滿足剛度要求。

各橫梁位置處的主梁豎向凈變形具體數(shù)值如表1所示。根據(jù)表1制定主梁凈變形的曲線圖，為主梁的預(yù)拱度提供依據(jù)。通過預(yù)拱度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)三根主梁協(xié)調(diào)工作。

表1 主梁凈變形數(shù)值表

圖6 主梁凈撓度變形值曲線

2.2 主梁屈曲穩(wěn)定性計(jì)算

在靜力荷載作用下，需要對(duì)移動(dòng)模架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定分析，即需要計(jì)算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的臨界荷載[9]。移動(dòng)模架的主要承重部分主梁是由鋼板焊接而成，當(dāng)應(yīng)力接近臨界值時(shí)，主梁可能出現(xiàn)垂直于中面的變形，即屈曲失穩(wěn)，因此對(duì)移動(dòng)模架系統(tǒng)的屈曲穩(wěn)定分析尤為重要。此跨是移動(dòng)模架施工的最大受力狀態(tài)，因此選擇該工況對(duì)模架系統(tǒng)施工進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析。在ANSYS中，有指定的屈曲穩(wěn)定性計(jì)算模塊，為減少計(jì)算機(jī)資源消耗，計(jì)算時(shí)不考慮主梁前后鼻梁與內(nèi)側(cè)的橫梁，只對(duì)主梁和外側(cè)橫梁進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析。

有限元計(jì)算模型如圖2所示，外模自重和混凝土作為集中外載荷加在主梁上，通過計(jì)算得主梁一階失穩(wěn)變形如圖7所示，失穩(wěn)位于外側(cè)主梁中側(cè)內(nèi)側(cè)腹板處，一階屈曲特征值為1.93，即屈曲穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.93，滿足穩(wěn)定性要求。

圖7 主梁一階失穩(wěn)變形圖

2.3 橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

橫梁分為外側(cè)橫梁和中間橫梁兩部分，外側(cè)橫梁用板殼單元模擬，中間橫梁用梁?jiǎn)卧M，有限元計(jì)算模型如圖2所示。

2.3.1 澆筑位置外側(cè)橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

移動(dòng)模架造橋機(jī)在澆筑過程中，從上述有限元計(jì)算模型中選取受力最大的橫梁進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如下：

外側(cè)橫梁豎向變形云圖如圖8所示，外側(cè)橫梁最大變形發(fā)生在外側(cè)橫梁最外側(cè)為65.089 mm（撓度為主梁和橫梁一起下?lián)希?。橫梁受載后撓度容許值應(yīng)不大于/400＝121.25 mm[10]，故橫梁滿足剛度要求。

圖8 外側(cè)橫梁澆筑狀態(tài)豎向變形云圖

外側(cè)橫梁von Mises應(yīng)力云圖如圖9所示，橫梁選用材料Q345B焊接而成，最大應(yīng)力為184 MPa，材料許用應(yīng)力[]＝230 MPa，故滿足強(qiáng)度要求。

2.3.2 澆筑位置中間橫梁計(jì)算

移動(dòng)模架造橋機(jī)在澆筑過程中，從上述有限元計(jì)算模型中讀取中間橫梁各桿件的軸力，選取不同截面桿件的最大軸力進(jìn)行受力分析。計(jì)算結(jié)果如表2所示，可知＜[]，故中間位置橫梁滿足強(qiáng)度要求。

圖9 外側(cè)橫梁澆筑狀態(tài)應(yīng)力云圖

表2 不同截面桿件穩(wěn)定性計(jì)算

3 結(jié)語

（1）本文采用ANSYS對(duì)MSS60三主梁下行式移動(dòng)模架澆筑工況下主梁、鼻梁以及橫梁進(jìn)行建模，分析其在澆筑工況下的變形及應(yīng)力分布。經(jīng)計(jì)算得知，主梁、橫梁以及鼻梁的變形與應(yīng)力分布符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)還對(duì)該移動(dòng)模架進(jìn)行了屈曲穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果表明，屈曲穩(wěn)定性符合要求。

（2）在有限元分析過程中，通過觀察主梁的變形情況，給出主梁變形數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)的主梁撓度曲線，為模架預(yù)拱度的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

（3）考慮移動(dòng)模架系統(tǒng)的橫梁結(jié)構(gòu)，分別選取澆筑工況下中間橫梁和外側(cè)橫梁進(jìn)行受力分析，計(jì)算結(jié)果表明，內(nèi)外側(cè)橫梁均滿足設(shè)計(jì)要求。

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Simulation Analysis of Mechanical Properties of MSS60 Three Main Girder Movable Scaffolding System

HAO Yufei1，JIANG Mingkun2，HU Yuanlun2

( 1.School of Construction Machinery, Chang′an University,Xi′an710064, China; 2.ShandongHengKun Machinery Co. Ltd.,Ji′nan 250014, China )

An finite element model of the MSS60 movable scaffolding with three main girders is established by using ANSYS based on the actual working conditions, and the finite element simulation of the casting condition of the system during in the construction process is conducted. In the finite element analysis software, the distribution and deformation condition are obtained, and the structural strength, rigidity and buckling stability under maximum stress condition are calculated. In addition, the main girder’s deflection under the casting conditions is calculated and the deflection curve are made to provide data for the adjustment of the precamber of the system. The finite element analysis and calculation show that the stress distribution, rigidity and buckling stability of the MSS60 movable scaffolding system meet the engineering requirements.

movable scaffolding system；three main girder；mechanical property；simulation

U445.36

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.03.011

1006－0316 (2021) 03－0068－06

2020－08－10

郝宇飛（1997－），男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性，E-mail：13753114735@163.com。