ANSYS在貝雷梁施工支架檢算及變形量預(yù)測中的應(yīng)用研究

符 強(qiáng)，李延強(qiáng)

(石家莊鐵道大學(xué)工程力學(xué)系，河北石家莊 050043)

ANSYS在貝雷梁施工支架檢算及變形量預(yù)測中的應(yīng)用研究

符 強(qiáng)，李延強(qiáng)

(石家莊鐵道大學(xué)工程力學(xué)系，河北石家莊 050043)

以漳衛(wèi)新河大橋槽形梁貝雷支架為工程背景，基于有限元分析原理，采用ANSYS建立了貝雷梁支架的空間有限元模型，對其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行了檢算;并利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時，將優(yōu)化設(shè)計(jì)的變形計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場支架預(yù)壓的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:采用空間分析模型，較好地反映了貝雷梁支架實(shí)際的受力情況，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，有效地改善了支架結(jié)構(gòu)受力，降低了工程成本，加快了工程進(jìn)度;優(yōu)化后的支架模型，理論計(jì)算值與實(shí)測值吻合程度良好，為結(jié)構(gòu)預(yù)拱度的計(jì)算提供了良好的理論基礎(chǔ)。本文的研究可為同類工程參考。

有限元 貝雷梁 優(yōu)化設(shè)計(jì) 變形預(yù)測

貝雷梁支架由于結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能穩(wěn)定，施工簡便，安全可靠，可重復(fù)利用等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。貝雷梁支架設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到混凝土澆筑過程的安全及澆筑成型后的梁能否符合設(shè)計(jì)要求。因此，施工前對支架的驗(yàn)算及預(yù)拱度設(shè)置極為重要。目前對貝雷梁支架的檢算大多簡化成一個平面問題來計(jì)算，簡化后會出現(xiàn)幾個問題:①不能考慮縱向貝雷梁之間的相互影響;②一排貝雷梁內(nèi)部各個桿件的受力情況不明確，需要額外的計(jì)算分析;③適用于簡單的、力傳遞明確的工程，當(dāng)遇到復(fù)雜的、力傳遞情況不明確的工程時，由于上部荷載的分配及貝雷梁之間的相互影響，平面計(jì)算就不足以保證施工的安全了。有鑒于此，本文結(jié)合漳衛(wèi)新河大橋槽形梁工程支架專項(xiàng)方案，采用ANSYS軟件建立了該橋貝雷支架的空間模型，對其進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度檢算;在此基礎(chǔ)上對支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對優(yōu)化后的變形計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場預(yù)壓變形測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 工程概況

漳衛(wèi)新河大橋全長338.555延米。0#臺至6#墩間的孔跨布置1×32 m+2×24 m+3×32 m槽形梁。32 m及24 m預(yù)應(yīng)力槽形梁跨中梁高均為3.2 m，支點(diǎn)梁高均為3.7 m，上翼緣板均為1.2 m，梁頂寬度均為8.96 m，梁底寬均為8.16 m;槽形梁施工采用鋼管立柱貝雷支架原位現(xiàn)澆施工，雙層貝雷梁作支架。支架體系結(jié)構(gòu)自下而上由基座、φ1 000 mm×12 mm鋼管立柱(每排4根)、分配梁(雙I40)、落模砂箱、貝雷梁、墊梁(單I40)及底模、支撐等構(gòu)成。32 m及24 m現(xiàn)澆梁均采用2排鋼管立柱設(shè)置在承臺頂，布置形式如圖1所示。

圖1 支架結(jié)構(gòu)形式布置示意(單位:mm)

2 貝雷梁支架檢算

32 m槽形連續(xù)梁支架采用雙層加強(qiáng)貝雷架，上下弦桿加強(qiáng)，豎桿整體采用[14槽鋼加強(qiáng)，每側(cè)腹板下設(shè)置13排貝雷梁間距200 mm(如圖2所示);底板區(qū)設(shè)置7排貝雷梁，間距為600 mm。貝雷架連接桿件均采用∠110×110×10的角鋼連接，連桿的連接方式如圖2所示。兩層貝雷梁間利用U型螺栓連接牢固。貝雷梁橫向采用聯(lián)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行聯(lián)結(jié)，在貝雷梁的接頭處設(shè)置。在上層貝雷梁頂部設(shè)置墊梁，采用單根I40工字鋼，位于貝雷梁的豎桿上方。

圖2 貝雷梁支架布置示意(單位:mm)

2.1 有限元分析模型[1]

根據(jù)支架設(shè)計(jì)情況，采用ANSYS分析軟件，建立支架結(jié)構(gòu)的空間有限元模型。貝雷架和其連接桿件均采用空間梁單元(beam44)模擬。單元的每個節(jié)點(diǎn)包括3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。各構(gòu)件(弦桿、腹桿、豎桿以及各榀貝雷梁支架的連接構(gòu)件)的截面特性采用讀入截面的形式定義，貝雷梁兩個基本構(gòu)件之間的連接按鉸接處理。

為了能更真實(shí)地模擬支架施工時受力狀態(tài)且方便加載，貝雷架上方建立三維結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元(Surf154)模擬(單元質(zhì)量為零，僅起加載作用)，該單元適用于三維結(jié)構(gòu)分析，可覆于任何三維單元表面，并可施加各種荷載和表面效應(yīng)。模型中荷載是直接通過表面效應(yīng)單元以面荷載形式直接施加在支架上。

表面接觸單元與梁單元之間采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方法連接在一起。貝雷梁支架整體按簡支處理，即左端視為固定鉸支座，右端為活動鉸支座。模型總體空間布置見圖3。

2.2 荷載統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[2]可知，驗(yàn)算支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時的荷載組合為:自重+梁重+模板重+施工荷載。

圖3 貝雷梁支架模型ANSYS有限元計(jì)算模型

貝雷架自重由程序自動計(jì)入;混凝土箱梁質(zhì)量取2.6 t/m3;模板(包括底模、箱室內(nèi)模及支撐架)重度為2 kN/m2;施工荷載取用《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[3]中的結(jié)構(gòu)腳手架標(biāo)準(zhǔn)值3 kN/m2。將以上荷載的總和換算為面荷載，即為Surf154單元上所施加的荷載。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算得到貝雷梁的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

表1 貝雷梁應(yīng)力的最大、最小值 MPa

由表1結(jié)果可見:貝雷梁支架各桿件最大壓應(yīng)力149.0 MPa，最大拉應(yīng)力121.0 MPa，小于16 Mnq構(gòu)件的容許應(yīng)力1.3×210=273 MPa，且最大應(yīng)力僅為容許應(yīng)力的54%，遠(yuǎn)小于容許應(yīng)力，這說明支架強(qiáng)度安全儲備較大，材料強(qiáng)度利用不夠充分。

3 貝雷梁支架優(yōu)化

根據(jù)上述預(yù)分析結(jié)果，支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不夠合理，材料利用不充分，為了節(jié)約成本，降低工程造價，需要對支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在滿足貝雷梁支架結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定約束條件下，結(jié)合部位的分散性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等，按照優(yōu)化理論，將結(jié)構(gòu)總質(zhì)量定義為目標(biāo)函數(shù)，桿件的截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，拉桿的拉應(yīng)力、壓桿的壓應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)最大位移定義為狀態(tài)變量，采用ANSYS提供的一階優(yōu)化方法，通過APDL對貝雷梁支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。建立按照重量最小優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為[4-5]

式中，W(A)為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，定義為目標(biāo)函數(shù);ρ為材料密度;Li為第 i桿的長度;A= [A1，A2，…，An]T為桿件截面面積向量，定義為設(shè)計(jì)變量;σi1，[σi1]分別為第i1桿件的拉應(yīng)力和許用拉應(yīng)力。通過有限元分析，分別求出桿件的拉應(yīng)力，該參數(shù)定義為狀態(tài)變量;σi2，[σcr]分別為第i2桿件的壓應(yīng)力和臨界壓應(yīng)力，臨界壓應(yīng)力可根據(jù)桿件的截面尺寸(已定義為設(shè)計(jì)變量)和材料特性求出，壓應(yīng)力可通過有限元分析求出，分別求出桿件的壓應(yīng)力和臨界壓應(yīng)力，該參數(shù)定義為狀態(tài)變量;δj，[δj]分別為第 j節(jié)點(diǎn)的位移和允許位移，節(jié)點(diǎn)的位移可通過有限元分析求出，該參數(shù)定義為狀態(tài)變量;分別為桿件面積Ai的下界與上界，為設(shè)計(jì)變量的上限和下限;n，n1，n2，m分別為結(jié)構(gòu)的桿件總數(shù)、拉桿總數(shù)、壓桿總數(shù)和節(jié)點(diǎn)總數(shù)。此處只對原設(shè)計(jì)中加強(qiáng)豎桿進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化后貝雷梁應(yīng)力的最大最小值 MPa

優(yōu)化結(jié)果為將原設(shè)計(jì)中豎桿整體加強(qiáng)優(yōu)化為只對兩端豎桿進(jìn)行加強(qiáng)。通過優(yōu)化計(jì)算，貝雷梁支架優(yōu)化后節(jié)省鋼材54.2 t。從表2可見:優(yōu)化后貝雷梁支架各桿件的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，弦桿、豎桿受力有所增大，支架結(jié)構(gòu)整體受力合理。優(yōu)化后支架豎向撓度fmax=0.028 8 m＜L/400=0.08 m，因此剛度亦滿足要求，優(yōu)化結(jié)果可靠，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化目的。

4 貝雷梁支架預(yù)壓變形量對比

為消除支架結(jié)構(gòu)的非彈性變形，在主梁混凝土澆筑前需對支架進(jìn)行滿載預(yù)壓。預(yù)壓重量為設(shè)計(jì)荷載(槽形梁自重、內(nèi)外模板重量及施工荷載之和)的120%。加載時按照設(shè)計(jì)荷載的50%，80%，100%和120%，分4級加載，待支架體系變形穩(wěn)定后進(jìn)行卸載，卸載按120%—100%—80%—50%—0進(jìn)行。觀測斷面布置于底板處順橋向，測點(diǎn)布置位置如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)布置位置示意(單位:m)

根據(jù)支架體系預(yù)壓過程各測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)求出各測點(diǎn)的非彈性變形，非彈性變形為支架預(yù)壓前測點(diǎn)處高程和完全卸載后的測點(diǎn)高程差值。貝雷梁支架體系最大非彈性變形為1 cm，出現(xiàn)在跨中的C2觀測點(diǎn)處。

按照預(yù)壓加載工況，對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測彈性變形進(jìn)行對比。由于篇幅有限，此處只列出100%加載工況和120%工況下各測點(diǎn)實(shí)測彈性變形量與ANSYS計(jì)算彈性變形結(jié)果對比如表3所示。并取C2測點(diǎn)(變形最大測點(diǎn))，作出了各工況下理論值與實(shí)測值的對比曲線如圖5所示。

表3 100%，120%加載工況下各測點(diǎn)實(shí)測彈性變形量與ANSYS計(jì)算結(jié)果對比 m

由表3數(shù)據(jù)可見:貝雷梁支架各測點(diǎn)實(shí)測彈性變形與理論計(jì)算彈性變形吻合程度良好，這表明本文所建立的空間模型能夠較好地反映支架結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，理論計(jì)算的變形值可以用于支架結(jié)構(gòu)實(shí)際預(yù)拱度的設(shè)置。同時從表中還可以看出:理論計(jì)算值普遍較實(shí)測值偏大，這主要是由于建模過程中各構(gòu)件之間的連接設(shè)定為理論連接(絕對光滑、無摩擦)，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的連接存在一定的摩擦，因此剛度較理論計(jì)算偏大，從而造成理論計(jì)算結(jié)果變形偏大。

圖5 各級工況下C2點(diǎn)實(shí)測彈性變形與理論計(jì)算值比較

由圖5可知:隨著荷載增大，C2測點(diǎn)理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果逐漸接近，兩者的差值越來越小。50%加載工況理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值偏差較大，這是由于支架實(shí)際結(jié)構(gòu)和理論模型存在一定的差異，荷載量級較小時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不足以克服連接之間的摩擦，因而測試結(jié)果偏小。

5 結(jié)論

1)采用ANSYS軟件，根據(jù)支架實(shí)際搭設(shè)情況，建立貝雷梁的空間分析有限元計(jì)算模型，較之平面分析計(jì)算模型，能夠更有效地反映貝雷梁支架的實(shí)際受力情況，理論計(jì)算和支架預(yù)壓數(shù)據(jù)吻合良好，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)上，可以為橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)拱度留設(shè)提供理論依據(jù)。

2)利用ANSYS軟件的優(yōu)化功能對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，在有效地降低工程造價的同時，也縮短了工期，提高了效率。

[1]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析[M].北京:人民交通出版社，2007.

[2]中華人民共和國交通部.JTG/T F50—2011 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2011.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 130—2011 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]張文元，吳知豐.遺傳算法在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，1999，32(4):19-23.

[5]嚴(yán)云.基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2004，21(4):52-54.

Application Study of ANSYS Software in Inspecting Calculation and Deformation Prediction for Bailey Beam Supporting Bracket

FU Qiang，LI Yanqiang
(The Department of Engineering Mechanics，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China)

Taking the Bailey beam truss of trough girder in Zhangwei New River as the background，this paper established the space finite element model of the Bailey beam supporting bracket by applying the finite element theory and ANSYS，checked the strength and stiffness of the Bailey structure，and put forward some optimization design for the supporting structure by using the ANSYS optimization function.This paper compared the deformation calculation results of optimization design with the measured data of the site pre-compression experiment.The results showed that the spatial analysis model introduced in this paper can reflect the actual stress condition of the Bailey supporting bracket well，the supporting structure force has been improved by optimum design，the cost of the project has been reduced，the progress has also been speeded up，and the calculation values of the optimized model fit the measured values well，which provides a good theoretical basis for the structure pre-camber calculation and a reference for similar projects.

Finite element;Bailey beam;Optimum design;Deformation prediction

U448.29

A

1003-1995(2012)06-0030-04

2011-07-22;

2012-04-16

符強(qiáng)(1985— )，男，陜西周至人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)