蔡思文,王斌華,秘嘉川

(1.長(zhǎng)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,陜西 西安 710064;2.山東恒堃機(jī)械有限公司,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

移動(dòng)模架造橋機(jī)是一種利用墩柱或承臺(tái)為支承,逐跨完成混凝土箱梁澆筑的專(zhuān)業(yè)制梁平臺(tái)設(shè)備,具有機(jī)械化程度高、跨越能力強(qiáng)、施工周期短、不影響橋下交通等特點(diǎn)[1]。移動(dòng)模架造橋機(jī)易于控制澆筑工況下混凝土箱梁的線性變形,保障了施工過(guò)程的質(zhì)量和安全性,因而在公路、鐵路及城市高架橋建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

移動(dòng)模架造橋機(jī)屬于大型非標(biāo)設(shè)備,對(duì)其結(jié)構(gòu)的安全性要求高[3]。目前有很多關(guān)于移動(dòng)模架施工安全的分析研究,但由于其結(jié)構(gòu)龐大,施工狀態(tài)下整體受力較為復(fù)雜,移動(dòng)模架造橋機(jī)發(fā)生事故的情況也時(shí)有發(fā)生[4-6]。因此,有必要在投入使用前對(duì)移動(dòng)模架造橋機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析,以確保施工質(zhì)量和人員安全。

1 移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)組成及作用

MSS50上行式移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,主要包括主梁系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及移位調(diào)整系統(tǒng)五大部分,其中,吊掛系統(tǒng)主要由上橫梁、下掛梁、橫移機(jī)構(gòu)及鎖定機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。

圖1 上行式移動(dòng)模架縱向視圖

在移動(dòng)模架合模澆筑工況下(圖2(a)),混凝土梁,內(nèi)、外模板以及風(fēng)壓、人群、振搗力和機(jī)具自重等載荷通過(guò)下掛梁和吊桿傳遞至上橫梁,再由主梁通過(guò)支腿傳遞到已制成箱梁和橋墩墩頂。在開(kāi)模過(guò)孔工況下(圖2(b)),移動(dòng)模架下落開(kāi)模,下掛梁支撐外模板,上橫梁上的橫移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下掛梁及外模板橫向開(kāi)啟到指定位置,使其可以通過(guò)橋墩并縱移過(guò)孔至下一施工位。由上橫梁和下掛梁等結(jié)構(gòu)組成的吊掛系統(tǒng)不僅是在移動(dòng)模架合模澆筑工況下將混凝土載荷傳遞至主梁的重要傳力系統(tǒng),也是在開(kāi)模過(guò)孔工況下支撐外模板過(guò)孔行走的關(guān)鍵撐持系統(tǒng)。因此,有必要對(duì)移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真分析,以校核其結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。

圖2 上行式移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)示意圖

2 移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)有限元模型建立

2.1 ANSYS有限元模型建立

如圖2所示,為了方便運(yùn)輸和安裝,移動(dòng)模架的下掛梁一般會(huì)采取分段處理,安裝時(shí)采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接,掛梁各部分連接處不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),在有限元模型建立時(shí)可將其整體建模,實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化。該移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)的主要構(gòu)件包括上橫梁、下掛梁、上橫梁滑座、吊桿及精軋螺紋吊梁等。由于移動(dòng)模架主要是鋼板焊接組成的箱梁結(jié)構(gòu),有限元模型中的上橫梁、下掛梁、上橫梁滑座及精軋螺紋吊梁采用板殼單元SHELL181模擬,能夠保證有限元分析結(jié)果的精確性及可靠性。油缸、螺旋頂旋桿及吊桿采用梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬,連接上橫梁與下掛梁的銷(xiāo)軸采用實(shí)體單元SOLID185進(jìn)行模擬。

移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)合模工況有限元模型如圖3(a)所示,共劃分板殼單元115884個(gè),梁?jiǎn)卧?82個(gè),實(shí)體單元1794個(gè)。吊掛系統(tǒng)開(kāi)模工況有限元模型如圖3(b)所示,共劃分板殼單元114589個(gè),梁?jiǎn)卧?2個(gè),實(shí)體單元1560個(gè)。

圖3 移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)有限元模型

2.2 載荷施加形式

移動(dòng)模架施工階段橋梁首跨、標(biāo)準(zhǔn)跨及尾跨的跨度不同,混凝土箱梁也是變截面結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)選取吊掛系統(tǒng)承載最大工況進(jìn)行有限元分析。該上行式移動(dòng)模架選取標(biāo)準(zhǔn)跨50.55 m混凝土箱梁澆筑時(shí)縱橋向第10根下掛梁為分析對(duì)象,進(jìn)行吊掛系統(tǒng)合模和開(kāi)模工況下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析。

吊掛系統(tǒng)有限元模型自重可通過(guò)ANSYS軟件自動(dòng)計(jì)算,合模澆筑工況下,鋼筋混凝土箱梁,內(nèi)、外模板以及風(fēng)壓、人群、振搗力和機(jī)具自重等以外載荷的形式施加到有限元模型上。由于混凝土澆筑時(shí)為流體,會(huì)對(duì)外模板側(cè)模產(chǎn)生側(cè)向壓力并通過(guò)撐桿傳遞到下掛梁,因此以梯度載荷的形式模擬流態(tài)混凝土對(duì)外模板側(cè)模壓力并等效為橫向和豎向載荷,以集中載荷的形式施加到有限元模型上,外模板底模與下掛梁接觸位置的受力以均布載荷形式施加到有限元模型上[7],如圖3所示。

2.3 約束條件

該移動(dòng)模架主梁通過(guò)橫梁螺旋頂支撐著上橫梁,且螺旋頂與主梁和上橫梁接觸位置都采用螺栓連接。有限元模型中在對(duì)應(yīng)位置可采用板殼單元建立橫梁螺旋頂模型,有限元模型中螺旋頂頂面與上橫梁連接面對(duì)應(yīng)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合,螺旋頂?shù)鬃M(jìn)行位移和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的全約束(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ),約束條件下的有限元模型如圖3所示。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 吊掛系統(tǒng)合模工況強(qiáng)度與剛度計(jì)算

移動(dòng)模架校核普遍采用許用應(yīng)力法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[8-10],因其主要為塑性材料,應(yīng)力計(jì)算公式為:

式中:σ為計(jì)算應(yīng)力;[σ]為許用應(yīng)力;σS為材料屈服極限;n為安全系數(shù)。

移動(dòng)模架合模工況吊掛系統(tǒng)有限元模型VonMises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4,模型最大應(yīng)力為:σmax=204 MPa,位于上橫梁與右側(cè)橫梁螺旋頂接觸位置的內(nèi)側(cè)筋板。吊掛系統(tǒng)模型最大豎向變形為:UY=33.922 mm,位于下掛梁最底端中部,豎向變形云圖見(jiàn)圖5。

圖4 合模工況VonMises應(yīng)力云圖

圖5 合模工況豎向變形云圖

移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)主要采用材料為Q355B的鋼板焊接而成,其材料許用應(yīng)力為:[σ]=235 MPa,故吊掛系統(tǒng)滿(mǎn)足合模工況強(qiáng)度要求。在橋梁混凝土箱梁澆筑過(guò)程中,移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)對(duì)最危險(xiǎn)工況下的強(qiáng)度限制有其要求,對(duì)澆筑工況下的最大豎向變形量也有嚴(yán)格的限制。工程項(xiàng)目一般要求對(duì)混凝土澆筑工況下的橫梁撓跨比小于1/400,即吊掛系統(tǒng)受載時(shí)其撓度容許值應(yīng)小于L/400=59 mm。如圖5所示,合模澆筑工況下吊掛系統(tǒng)最大豎向變形為33.922 mm,故吊掛系統(tǒng)最大豎向變形滿(mǎn)足合模工況剛度要求。吊掛系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)較多,限于篇幅不再逐一展示,其有限元模型各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形如表1所示。

表1 合模工況各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形

3.2 吊掛系統(tǒng)開(kāi)模工況強(qiáng)度與剛度計(jì)算

移動(dòng)模架開(kāi)模工況吊掛系統(tǒng)有限元模型VonMises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6,模型最大應(yīng)力為:σmax=197 MPa,位于上橫梁與左側(cè)橫梁螺旋頂接觸位置的外側(cè)腹板。吊掛系統(tǒng)開(kāi)模工況最大豎向變形為:UY=55.03 mm,位于下掛梁最底端,豎向變形云圖見(jiàn)圖7。計(jì)算結(jié)果表明吊掛系統(tǒng)在開(kāi)模工況下滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求。

圖6 開(kāi)模工況VonMises應(yīng)力云圖

圖7 開(kāi)模工況豎向變形云圖

移動(dòng)模架開(kāi)模工況下吊掛系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形如表2所示。

表2 開(kāi)模工況各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形

3.3 吊掛系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算

移動(dòng)模架的吊掛系統(tǒng)主要由鋼板焊接而成,當(dāng)應(yīng)力接近臨界值時(shí),上橫梁及下掛梁容易出現(xiàn)垂直于中面的變形,在靜力荷載作用下會(huì)有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),因此有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,即計(jì)算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況下的臨界載荷?？梢圆捎肁NSYS軟件自帶的屈曲穩(wěn)定性計(jì)算模塊進(jìn)行移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算。

如圖8(a)所示,移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)合模工況一階失穩(wěn)變形發(fā)生在下掛梁底端的右側(cè)腹板位置,一階屈曲特征值為7.378>1.5,故合模工況下吊掛系統(tǒng)滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。開(kāi)模工況下一階失穩(wěn)發(fā)生在上橫梁右側(cè)腹板位置,一階屈曲特征值為11.011,滿(mǎn)足開(kāi)模工況穩(wěn)定性要求,如圖8(b)所示。

圖8 吊掛系統(tǒng)一階失穩(wěn)變形云圖

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)ANSYS軟件建立移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)合模和開(kāi)模工況下的有限元模型,分析其在不同工況下的應(yīng)力分布及變形,計(jì)算結(jié)果表明移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求。

2)對(duì)移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)兩種工況進(jìn)行了屈曲穩(wěn)定性分析,得到吊掛系統(tǒng)不同工況下最先發(fā)生失穩(wěn)的位置,由一階屈曲特征值表明移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

3)利用ANSYS軟件對(duì)移動(dòng)模架吊掛系統(tǒng)進(jìn)行的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析,可為后續(xù)其他模架設(shè)計(jì)及施工提供參考。