徐格寧,焦國(guó)敏,顧紅澤,辛運(yùn)勝

(1.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024; 2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心,太原 030024)

架橋機(jī)是一種將預(yù)制梁片架設(shè)到預(yù)制橋墩上的大型起重設(shè)備.新規(guī)劃的鐵路線路將經(jīng)過(guò)大量橋梁和隧道路段,架橋機(jī)需要經(jīng)過(guò)隧道進(jìn)出口架梁.隧道的設(shè)計(jì)要求為250 km/h和350 km/h斷面,現(xiàn)根據(jù)要求設(shè)計(jì)新型架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu).新梁片主要參數(shù)為長(zhǎng)40 m、寬12.6 m、高3.2 m、質(zhì)量950 t.通過(guò)對(duì)現(xiàn)有鐵路、公路架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要機(jī)型分析研究[1-2],提出一種新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.采用大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS對(duì)主梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析,并與結(jié)構(gòu)理論方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析,相互驗(yàn)證.

1 新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)

新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The main technical parameters of the new rack integrated bridge machine

新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括主梁、前車、后車、主支腿、輔支腿、吊梁天車等(見(jiàn)圖1),通過(guò)隧道進(jìn)出口斷面(見(jiàn)圖2).該機(jī)型主梁采用上、下導(dǎo)梁拴結(jié)而成,前半段的下導(dǎo)梁加勁肋在導(dǎo)梁外側(cè),主支腿可以在下導(dǎo)梁前段通過(guò)定扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車輪組沿軌道行走.主支腿通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓缸垂直升降,為防止整機(jī)傾覆,主支腿設(shè)置前后反滾輪,相比現(xiàn)有運(yùn)架一起式架橋機(jī)[3]在架梁作業(yè)流程上操作更加簡(jiǎn)潔和經(jīng)濟(jì).

圖1 運(yùn)架一體式架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)Fig.1 Carriage integrated bridge machine metal structure

新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)架梁流程(見(jiàn)圖3):① 運(yùn)梁至梁片末端,主支腿就位橋墩上方;② 主支腿支撐,前車懸空;③ 主梁前移,輔支腿到達(dá)梁片末端;④ 輔支腿支撐,前車懸空;⑤ 主支腿前移,主支腿行走到橋墩上方;⑥ 主支腿支撐,輔支腿懸空;⑦ 主梁繼前移,梁片就位,落梁.

圖2 運(yùn)架一體式架橋機(jī)進(jìn)出隧道口斷面Fig.2 Carriage one bridge machine out of the tunnel cross-section

圖3 運(yùn)架一體式架橋機(jī)架梁流程圖Fig.3 Framed one-way bridge rack frame flow chart

2 主梁結(jié)構(gòu)理論靜態(tài)分析

主梁靜態(tài)分析結(jié)構(gòu)理論計(jì)算采用許用應(yīng)力法.許用應(yīng)力法是載荷在結(jié)構(gòu)及連接接頭中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形,不超出在結(jié)構(gòu)及連接接頭的承載能力的設(shè)計(jì)方法[4].其典型流程如圖4所示.

圖4 許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法的典型流程圖Fig.4 A typical flow chart of permissible stress design method

架橋機(jī)在整個(gè)架梁周期中,提取最危險(xiǎn)工況:① 大跨度工況;② 大懸臂工況.由大跨度工況至大懸臂工況是架梁流程中的第⑥步到第⑦步,這一過(guò)程中架橋機(jī)主梁下蓋板最大拉應(yīng)力、跨中最大撓度和前端最大撓度都出現(xiàn)在此過(guò)程中.架橋機(jī)主梁在前移的過(guò)程中,以每5 m為一個(gè)工位計(jì)算對(duì)應(yīng)架橋機(jī)主梁下蓋板最大拉應(yīng)力、主梁簡(jiǎn)支段最大撓度和架橋機(jī)前懸臂最大撓度3項(xiàng)指標(biāo),并對(duì)其計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖5～圖7).

圖5 架橋機(jī)主梁下蓋板最大拉應(yīng)力與位移關(guān)系Fig.5 The relationship between the maximum tensile stress and displacement of the underlaying girder of bridge girder

圖6 架橋機(jī)主梁簡(jiǎn)支段最大撓度與位移關(guān)系Fig.6 The maximum deflection and displacement relationship between the main beam and the main beam of bridge

圖7 架橋機(jī)主梁前懸臂撓度與位移關(guān)系Fig.7 Relationship between deflection and displacement of front cantilever of erecting machine

由圖5可知:隨著架橋機(jī)主梁前移,主梁下蓋板拉應(yīng)力從247 MPa先減小到194 MPa,然后增大227 MPa;在架橋機(jī)位移為0時(shí)即大跨度工況,架橋機(jī)主梁下蓋板拉應(yīng)力達(dá)到最大值247 MPa.

由圖6可知:隨著架橋機(jī)主梁前移,主梁簡(jiǎn)支段撓度從263.6 mm下降到20.4 mm;在架橋機(jī)位移為0時(shí)即大跨度工況,主梁簡(jiǎn)支段撓度達(dá)到最大263.6 mm.

由圖7可知:隨著架橋機(jī)主梁前移,主梁前懸臂撓度從原來(lái)的上翹64.0 mm增加到177.8 mm,然后逐漸下降到水平位置,直至下降到88.6 mm;在架橋機(jī)位移為41.5 m時(shí)即大懸臂工況,架橋機(jī)主梁前懸臂撓度達(dá)到最大值88.6 mm.

3 金屬結(jié)構(gòu)主梁有限元靜態(tài)分析

主梁是架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,其質(zhì)量占整機(jī)的60%左右.通過(guò)結(jié)構(gòu)理論計(jì)算與靜力學(xué)有限元仿真[5-7],驗(yàn)證兩者結(jié)果的正確性與合理性.主梁能否承受額定負(fù)載,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否達(dá)到材料許用值要求,剛度是否在許用值范圍內(nèi).

3.1 幾何模型建立及參數(shù)

架橋機(jī)主梁由上、下兩個(gè)導(dǎo)梁栓接而成,其前、后段截面尺寸如圖8和圖9所示.基于有限元大型結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS應(yīng)用APDL語(yǔ)言對(duì)運(yùn)架一體式架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主梁建立三維幾何模型.其中，彈性模量取2.1×105MPa,密度為7.85×103kg/m3,泊松比為0.3.

圖8 主梁后端截面尺寸Fig.8 Back beam cross section size

圖9 主梁前段截面尺寸Fig.9 Front section of the girder section size

3.2 單元類型與網(wǎng)格劃分

主梁由鋼板焊接而成,其結(jié)構(gòu)必須滿足一定的要求,如徑厚的比值較大、材料特性接近和激勵(lì)控制在低頻范圍內(nèi)3個(gè)條件.主梁屬于板殼結(jié)構(gòu),因此，模型采用殼單元shell63[8]更符合實(shí)際情況.shell63是一個(gè)4節(jié)點(diǎn)單元,單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)自由度,分別是沿x,y,z軸方向平動(dòng)和繞x,y,z軸轉(zhuǎn)動(dòng).網(wǎng)格大小為0.05 m,網(wǎng)格類型采用四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格劃分.

3.3 加載與約束

運(yùn)架一體式架橋機(jī)在運(yùn)架梁一個(gè)周期內(nèi),兩個(gè)典型的危險(xiǎn)工況:① 大跨度工況;② 大懸臂工況.兩個(gè)工況的加載與約束受力簡(jiǎn)圖和對(duì)應(yīng)模型圖如圖10和圖11所示.

圖10 大跨度工況約束與加載Fig.10 Long-span condition constraints and loading

圖11 大懸臂工況約束與加載Fig.11 Large cantilever condition constraints and loading

大跨度工況模型前、后支點(diǎn)約束均是面約束,前支點(diǎn)約束y,z軸方向平動(dòng)和x,y,z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng),后支點(diǎn)全約束.除重力外,其余力以線載荷的形式加載在模型對(duì)應(yīng)位置腹板上側(cè).

大懸臂工況模型前、后支點(diǎn)約束均是面約束且為全約束,前支點(diǎn)約束在模型對(duì)應(yīng)位置腹板側(cè)面,后支點(diǎn)約束在模型對(duì)應(yīng)位置下蓋板面.主支腿的重力以面載荷的形式加載,其他力以線載荷的形式加載在模型對(duì)應(yīng)位置腹板上側(cè).

3.4 靜態(tài)分析

主梁的靜強(qiáng)度不足,超過(guò)了材料的許用強(qiáng)度,會(huì)造成局部開(kāi)裂或斷裂.主梁的靜剛度不足,超過(guò)規(guī)定的許用值,會(huì)造成局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn).直接影響架橋機(jī)整機(jī)的安全性、可靠性和有效壽命.通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的有限元靜力分析,可以找出危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力和變形的分布情況，并與許用應(yīng)力法計(jì)算做比對(duì).通過(guò)有限元分析軟件ANSYS求解結(jié)果,如圖12～圖15所示.

圖12 大跨度工況應(yīng)力云圖Fig.12 Long-span condition stress map

圖13 大跨度工況位移云圖Fig.13 Large-span displacement cloud

圖14 大懸臂工況應(yīng)力云圖Fig.14 Large cantilever condition stress map

圖15 大懸臂工況位移云圖Fig.15 Large cantilever operating condition displacement cloud

從大跨度工況應(yīng)力云圖12中看出：越靠近跨中部位的應(yīng)力越大,在吊梁前吊點(diǎn)位置下蓋板拉應(yīng)力達(dá)到最大275 MPa.從大跨度工況位移云圖13中看出：越靠近跨中位置變形越大,主梁吊梁前吊點(diǎn)位置位移變形達(dá)到最大249.1 mm.從大懸臂工況應(yīng)力云圖14中看出：位于輔支腿支撐位置附近處應(yīng)力較大,在下蓋板應(yīng)力達(dá)到最大255 MPa.從大懸臂工況位移云圖15中看出：越靠近導(dǎo)梁前端變形越大,主梁最前端位置位移變形達(dá)到最大95.6 mm.上述兩種工況下的應(yīng)力云圖、位移云圖分布趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)理論計(jì)算結(jié)果吻合.

表2 兩種工況下的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results under two conditions

表3 架橋機(jī)的靜態(tài)剛性要求Tab.3 Bridge machine static stiffness requirements

4 結(jié)論

(1) 由表1可得出,兩種工況的有限元仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)理論計(jì)算結(jié)果比對(duì),誤差均在工程誤差之內(nèi).表明了有限元仿真結(jié)果的有效性和正確性.

(2) 兩種工況的強(qiáng)度和剛度,結(jié)構(gòu)理論計(jì)算結(jié)果和有限元仿真的結(jié)果均在許用值范圍內(nèi).驗(yàn)證了新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主梁的合理性.

(3) 從有限元仿真應(yīng)力和變形云圖中可以看出主梁仍有優(yōu)化的空間.