基于有限元分析的MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)預(yù)壓試驗(yàn)研究

王新剛，李春元，董明明

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

0 引言

移動(dòng)模架造橋機(jī)是一種能夠自動(dòng)行走、自帶模板、利用橋墩及縱梁承重、對混凝土橋梁進(jìn)行現(xiàn)場澆筑的施工機(jī)械。與傳統(tǒng)采用現(xiàn)場預(yù)制吊裝的方法不同，移動(dòng)模架原位制梁在施工場地狹小、運(yùn)梁受限制等情況下具有較大的優(yōu)勢。但由于移動(dòng)模架本身為鋼結(jié)構(gòu)體系，故在使用前必須通過預(yù)壓來初步掌握移動(dòng)模架本身的彈性變形和非彈性變形，從而根據(jù)預(yù)壓數(shù)據(jù)來設(shè)置預(yù)拱度。同時(shí)還能夠?qū)σ苿?dòng)模架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，確保施工安全。

本文結(jié)合廣東省南澳大橋工程，利用有限元軟件ANSYS建立MSS45移動(dòng)模架分析模型，根據(jù)理論分析結(jié)果來確定預(yù)壓試驗(yàn)的應(yīng)力及變形（撓度）測點(diǎn)，并將理論值與實(shí)測進(jìn)行對比，最終確定了移動(dòng)模架的安全儲(chǔ)備。

1 MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)有限元分析

1.1 工程概況

廣東省南澳大橋東引橋跨徑45 m的現(xiàn)澆箱梁施工采用MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)現(xiàn)澆。該移動(dòng)模架系統(tǒng)主要由牛腿、主梁、導(dǎo)梁、橫梁、后吊梁、中吊點(diǎn)橫梁、前支撐橫梁、外模及內(nèi)模組成。MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 南澳大橋MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)各部位有限元分析及應(yīng)力和變形觀測點(diǎn)設(shè)置

1.2.1 主梁

用ANSYS軟件按照造橋機(jī)主梁的實(shí)際尺寸建立有限元計(jì)算模型如圖2所示，本次分析計(jì)算的工況為澆注45 m跨首跨的工況。經(jīng)計(jì)算，主梁在模架自重和45+9 m混凝土共同作用下的Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，主梁的最大應(yīng)力為220 MPa；豎向總變形云圖如圖4所示，主梁45 m跨最大凈撓度為90.7 mm，位于橫梁8作用位置處。

圖2 主梁有限元模型

圖3 主梁Von Mises應(yīng)力云圖

圖4 主梁豎向總變形云圖

根據(jù)主梁應(yīng)力云圖，在兩個(gè)主梁底面沿梁縱向分別在最大撓度處和兩個(gè)L/4處設(shè)置1～6號應(yīng)力測點(diǎn)；在主梁后支點(diǎn)位置的內(nèi)側(cè)靠近下翼緣板的腹板上設(shè)置7號應(yīng)力測點(diǎn)；在主梁后支點(diǎn)附近內(nèi)側(cè)腹板的中部設(shè)置8號應(yīng)力測點(diǎn)；在主梁第一個(gè)開孔拐角處的內(nèi)側(cè)腹板上設(shè)置9、10號應(yīng)力測點(diǎn)。

根據(jù)圖4所示的主梁豎向總變形云圖，每片主梁沿長度方向均布11個(gè)撓度測點(diǎn)。

1.2.2 牛腿

牛腿的分析分為合模澆筑和開模行走兩種工況，按照牛腿的實(shí)際情況，建立有限元模型并分別進(jìn)行分析。最大應(yīng)力分別為224 MPa和226 MPa，開模工況應(yīng)力最大值出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)斜撐上蓋板下部。

根據(jù)牛腿開模工況和合模工況應(yīng)力云圖，在應(yīng)力較為集中的部位設(shè)置應(yīng)力觀測點(diǎn)。牛腿共布置7個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。28號測點(diǎn)位于外側(cè)斜撐上蓋板上、29號測點(diǎn)位于外側(cè)斜撐下蓋板上，距端頭法蘭約50 mm；30號測點(diǎn)位于牛腿軌道梁腹板上，盡量靠近內(nèi)側(cè)斜撐；31號測點(diǎn)位于牛腿內(nèi)側(cè)斜撐下蓋板上、32號測點(diǎn)位于牛腿外側(cè)斜撐上蓋板上，距端頭法蘭約50 mm；33號測點(diǎn)位于牛腿外側(cè)斜撐下部腹板上，盡量靠近牛腿下橫梁；34號測點(diǎn)位于牛腿軌道梁與上橫梁三角連接處的腹板上。

1.2.3 中吊橫梁

中吊橫梁的受力最大工況是在移動(dòng)模架造橋機(jī)在澆注中間跨時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)中吊點(diǎn)橫梁所承擔(dān)的所有載荷約4 900 kN，中吊橫梁Von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示，最大應(yīng)力為217 MPa，位于千斤頂支撐處的腹板上。

圖5 中吊橫梁Von Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)中吊橫梁應(yīng)力云圖，中吊梁在應(yīng)力較為集中的部位共布置4個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，編號分別為39、40、41、42。

1.2.4 前橫梁

前橫梁受力最大工況為移動(dòng)模架造橋機(jī)在牛腿縱移到前橫梁正下方時(shí)，此時(shí)前橫梁所受載荷約1 000 kN。前橫梁Von Mises應(yīng)力云圖如圖6，最大應(yīng)力為128 MPa，位于支腿支撐處的腹板上。

圖6 前橫梁Von Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)前橫梁應(yīng)力云圖，在前橫梁應(yīng)力較為集中的部位共布置4個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，編號分別為35、36、37、38。

1.2.5 后吊梁

后吊梁在開模狀態(tài)為受力最大工況，此時(shí)后吊梁Von Mises應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為216 MPa，位于梁跨中下緣板。

根據(jù)后吊梁應(yīng)力云圖，在后吊梁應(yīng)力較為集中的部位共布置5個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，編號分別為16、17、18、19、20。

1.2.6 模板橫梁

根據(jù)第4~11聯(lián)箱梁結(jié)構(gòu)圖建立的箱梁實(shí)體模型，可以計(jì)算出16組橫梁中的最大載荷為1 300 kN。

模板橫梁Von Mises應(yīng)力云圖如圖8所示，最大應(yīng)力為178MPa，位于橫梁中部耳板與下翼緣板接觸位置。

根據(jù)模板橫梁應(yīng)力云圖，在模板橫梁應(yīng)力較為集中的部位共布置5個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，編號分別為11、12、13、14、15。

另外，為了觀測鼻梁與主梁連接部位鼻梁上的應(yīng)力分布情況，在鼻梁端部設(shè)置7個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，編號分別為21、22、23、24、25、26、27。最大應(yīng)力為 218.9 MPa，出現(xiàn)在下弦桿處。

圖7 后吊梁Von Mises應(yīng)力云圖

圖8 模板橫梁Von Mises應(yīng)力云圖

2 移動(dòng)模架預(yù)壓

2.1 加載

因?yàn)橐苿?dòng)模架采用梁式承力結(jié)構(gòu)，并且拼裝完成后結(jié)構(gòu)不再變動(dòng)，故只需在首跨施工前進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。

預(yù)壓試驗(yàn)選用的模擬荷載應(yīng)具備計(jì)量方便、質(zhì)地均勻、方便運(yùn)輸和吊裝、成本低等特點(diǎn)，以及荷載在橫斷面上的分布要盡可能模擬箱梁的實(shí)際荷載分布需要，本試驗(yàn)選擇砂袋和海水作為模擬荷載。加載與卸載均分級進(jìn)行。撓度測量等級按三等水準(zhǔn)測量控制，預(yù)壓重量取梁體+內(nèi)模重量的110%。加載時(shí)分四級加載（0→50%→75%→100%→110%），并分別記錄變形值 H1、H2、H3、H4、H5和應(yīng)力值。加載物的堆放布置嚴(yán)格模擬箱梁的實(shí)際施工狀態(tài)，每級荷載加至預(yù)期噸位，并且變形穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一級加載。

2.2 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

每級荷載加至預(yù)期噸位時(shí)，持荷時(shí)間24～48 h。如果加載至預(yù)期噸位后日變形或沉降量小于2.0 mm時(shí)，表明移動(dòng)模架撓度和彈性變形已基本到位，可進(jìn)行下一級加載。否則，還須持荷繼續(xù)進(jìn)行預(yù)壓，直到各點(diǎn)日變形或沉降量小于2.0 mm為止。

2.3 卸載

如果加載至110%后日變形或沉降量小于2.0 mm時(shí)，表明移動(dòng)模架撓度和彈性變形已基本到位，可進(jìn)行卸載。卸載過程分二級進(jìn)行，即110%→67%→0。觀測卸載后各測量點(diǎn)高程H6和殘余應(yīng)力值。

此時(shí)可以計(jì)算出各觀測點(diǎn)的變形：

1）非彈性變形：f1=H1-H6。通過預(yù)壓后，可認(rèn)為移動(dòng)模架的此變形已經(jīng)消除。

2）彈性變形：f2=H6-H5。根據(jù)彈性變形值，在底模上設(shè)置預(yù)拱度，從而使移動(dòng)模架變形后梁體線形滿足設(shè)計(jì)要求。

3）最大變形：f3=H1-H5。根據(jù)最大變形值，可判斷模架變形是否符合規(guī)范要求。

另外，根據(jù)H2、H3、H4的差值，可以大體看出持續(xù)荷載對移動(dòng)模架變形的影響程度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度分析

本次預(yù)壓試驗(yàn)主梁最大實(shí)測撓度為79.6 mm，在規(guī)范[1]允許的范圍內(nèi)，主梁剛度滿足要求，其它部位最大應(yīng)力理論值與實(shí)測值如表1所列。

表1 移動(dòng)模架系統(tǒng)各部位應(yīng)力值與校驗(yàn)系數(shù)

本次預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測最大應(yīng)力發(fā)生在鼻梁下弦桿處為218.9 MPa，鼻梁材料Q345許用應(yīng)力為230 MPa，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

3.2 結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備分析

為了分析、評定移動(dòng)模架系統(tǒng)的工作狀況，確定系統(tǒng)的安全儲(chǔ)備，對移動(dòng)模架系統(tǒng)各部位的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所列。

從表1中可以看出，移動(dòng)模架系統(tǒng)各部位結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明理論計(jì)算偏于安全[2]，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

通過對南澳大橋MSS45移動(dòng)模架造橋機(jī)的有限元分析，在理論上確定了模架撓度和應(yīng)力的最大值點(diǎn)，并以此為依據(jù)布置了預(yù)壓試驗(yàn)的撓度和應(yīng)力測點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在加載到滿載時(shí)，移動(dòng)模架各部位的實(shí)測應(yīng)力值和主梁實(shí)測撓度值均與理論計(jì)算值較接近，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。

由于移動(dòng)模架的非彈性變形在預(yù)壓試驗(yàn)后基本可以消除，故在以后的梁體施工中，不再需要進(jìn)行預(yù)壓，但由于鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中存在疲勞變形，故在施工過程中還需要對移動(dòng)模架本身的變形進(jìn)行觀測，從而為以后各跨梁的施工提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1]JTJ041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 張宇峰，朱曉文.橋梁工程試驗(yàn)檢測技術(shù)手冊[M].北京:人民交通出版社，2009.