吳恒

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

橋梁施工吊架屬于大型桁架結(jié)構(gòu)，基于貝雷架結(jié)構(gòu)的吊架自重大、制造成本高、施工費時。本文采用了一種新型的桁架結(jié)構(gòu)，該施工吊架，由作業(yè)平臺，吊索鋼絲繩和吊索錨固點三部分組成。其實物圖如圖1所示，作業(yè)平臺直接承受作業(yè)人員、材料及輔助工具荷載；作業(yè)平臺由八根吊索鋼絲繩懸吊于主梁下方，中央分隔帶側(cè)和橋梁外側(cè)各四根（其中兩根為主吊索，另兩根為保險吊索）；中央分隔帶側(cè)吊索由龍門吊機牽引，橋梁外側(cè)吊索由固定于鋼管架上的電動葫蘆牽引。施工人員在作業(yè)平臺上可以完成橋梁底部、橋墩、腹板、翼緣板的涂裝作業(yè)。施工吊架的安全性必須予以高度重視，如果出現(xiàn)強度、剛度不足，易引發(fā)施工人員安全事故?；谟邢拊椒ㄓ嬎汨旒苣塬@得很好的計算精度，本文建立了有限元分析模型對采用的施工吊架進行強度、剛度校核計算，以保證其施工安全。

圖1 施工吊架實物圖

1 施工吊架的結(jié)構(gòu)

施工作業(yè)平臺骨架外形主視圖如圖2所示，沿著長度方向分成5個模塊，其中6m長度模塊數(shù)量為4個，中間有一個4m長度的模塊。作業(yè)平臺總長度28m，高度為1.2m，寬度0.9m。圖3所示為吊架平臺外形俯視圖。每個模塊采用四種型鋼焊接而成，模塊之間采用螺紋連接成。四種型鋼分別為6.3號槽鋼，10號工字鋼，1寸無縫鋼管（壁厚2.5mm），等邊角鋼（寬60mm，厚6mm）。主要承力件為底部為工字鋼，上部為槽鋼，側(cè)面、地面布置多個等邊角鋼和無縫鋼管以提高側(cè)向穩(wěn)定性和整體剛度。骨架組裝好后，在其上牢固安裝厚度5cm的竹膠板形成作業(yè)平臺。

圖2 吊架平臺外形主視圖

圖3 吊架平臺外形俯視圖

施工作業(yè)平臺施工時承載主要包括自重，施工人員重量，機具、材料等施工荷載。實際作業(yè)人員不超過6人。計算中除了吊架自重，按照8000N載荷加載，方向與重力方向相同。

2 有限元分析模型

為了對結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進行分析，采用大型通用有限元ANSYS軟件進行分析，按照結(jié)構(gòu)的實際結(jié)構(gòu)、型材，建立了有限元分析模型。如圖4所示。

圖4 施工吊架有限元分析模型

材料參數(shù)按以下取值：鋼材密度為7850kg/m3，鋼結(jié)構(gòu)型材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取0.3。

該模型采用了四種截面形狀梁單元，共建立206個節(jié)點、423個梁。網(wǎng)格劃分共846個單元。在兩端四個節(jié)點上進行了約束。

加載8000N的載荷按照兩種情況進行加載。第一種情況是按照正常作業(yè)時采取均布加載，將載荷均勻加載到平臺底面的節(jié)點上，如圖5所示為建立的均布加載8000N載荷有限元模型；第二種情況是按照極端工況，當(dāng)加載8000N載荷集中在平臺中間位置為最危險情況。

圖5 均布加載8000N載荷有限元模型

3 計算結(jié)果與討論

3.1 按照正常作業(yè)時采取均布加載

加載重力與均勻加載8000N載荷后的變形圖如圖6所示，根據(jù)仿真結(jié)果，最大變形量27.7mm，小于容許撓度值77.8mm，驗算滿足要求，安全系數(shù)K=2.8。

圖6 均勻加載8000N載荷后的變形總位移圖

采取均布加載當(dāng)量應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示，最危險截面的最大當(dāng)量應(yīng)力為66.3MPa，取碳鋼抗拉強度為235MPa，則安全系數(shù)K=3.5，滿足安全要求。

圖7 均勻加載8000N載荷后當(dāng)量應(yīng)力圖

根據(jù)有限元反力計算結(jié)果：四根鋼絲繩在垂直方向受載較均勻，每根鋼絲繩受載在5582～5604N。

3.2 按照極端情況時采取集中加載

加載重力與集中加載8000N載荷（集中施加在結(jié)構(gòu)的中間位置）后的變形圖如圖8所示，最大變形量為33.7mm，小于容許撓度值77.8mm，驗算滿足要求，安全系數(shù)K=2.3。

圖8 集中加載8000N載荷后的變形總位移圖

采取集中加載當(dāng)量應(yīng)力計算結(jié)果如圖9所示，最不利截面最大應(yīng)力為69.1MPa，按照碳鋼抗拉強度為235MPa，則安全系數(shù)K=3.4，滿足安全要求。

圖9 集中加載8000N載荷后當(dāng)量應(yīng)力圖

根據(jù)有限元反力計算結(jié)果，四根鋼絲繩在垂直方向受載較均勻，每根在5581～5605N。

綜上所述，該吊架平臺結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語

（1）對于本次分析的施工吊架，采用有限元中的梁單元可以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)組成部件的實際受力特征，按照實際結(jié)構(gòu)組成的尺寸，部件布置安裝的方位，約束、受載所采用的有限元法能很準(zhǔn)確地分析施工吊架的強度、剛度及穩(wěn)定性問題。

（2）采用有限元法建立了大型鋼結(jié)構(gòu)施工吊架的力學(xué)分析模型，按照兩種工況進行了強度、剛度、穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果表明，所采用的結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求。即使在最危險的條件下當(dāng)量應(yīng)力安全系數(shù)達到3.4，結(jié)構(gòu)安全。

（3）該型吊架降低了吊架的重量，施工安全方便、制造經(jīng)濟，并可節(jié)約工程工期。