造橋機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析

張建超， 王 軍， 劉 濤， 路永婕

（1. 石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；

3. 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074）

造橋機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析

張建超1， 王 軍2， 劉 濤3， 路永婕2

（1. 石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；

3. 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074）

為了研究造橋機(jī)的靜力學(xué)性能，利用ANSYS有限元軟件對造橋機(jī)進(jìn)行有限元分析，并對造橋機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)。首先介紹了造橋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，然后建立造橋機(jī)的有限元模型，接下來對造橋機(jī)的移機(jī)就位、制梁前、制梁和調(diào)移下導(dǎo)梁等具有代表性的工況進(jìn)行靜力學(xué)性能仿真分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的論述。最后，對造橋機(jī)進(jìn)行一系列靜力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：利用ANSYS對造橋機(jī)進(jìn)行的靜力學(xué)性能分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，對造橋機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有積極的指導(dǎo)意義。

造橋機(jī)；有限元；ANSYS；仿真分析

造橋機(jī)是對混凝土PC梁進(jìn)行逐孔現(xiàn)場澆注的施工機(jī)械設(shè)備，它利用鋼桁梁或鋼箱梁作為臨時(shí)支撐梁，可一次完成一跨梁體混凝土的澆注，并可在橋位逐跨現(xiàn)澆梁體混凝土后，能順橋軸線縱向移動(dòng)，也稱為移動(dòng)模架系統(tǒng)（Movable Support System，簡寫MSS），具有性能穩(wěn)定、安全可靠、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)自動(dòng)化程度高、防護(hù)措施完善等特點(diǎn)，在鐵路和公路橋梁的施工中得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1,2]。系統(tǒng)地研究造橋機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度對確保施工安全、造橋機(jī)的有效利用都有著重要的理論與實(shí)踐意義。

在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用的方法大多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和簡化計(jì)算做出初步的設(shè)計(jì)，由此制造出樣機(jī)再進(jìn)行改進(jìn)，這種用樣品試驗(yàn)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)的方法存在諸多的局限性。本文利用大型有限元計(jì)算軟件ANSYS為分析計(jì)算工具，并根據(jù)造橋機(jī)的結(jié)構(gòu)和施工原理，建立了造橋機(jī)三維有限元分析模型，詳細(xì)分析了造橋機(jī)在制梁和移行過程中多種工況的載荷，主要針對造橋機(jī)的主梁等部件進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度的計(jì)算，給出了計(jì)算結(jié)果，并對其主要性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，完成了應(yīng)力測試，獲得了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，其測試值與有限元計(jì)算值吻合的較好，這表明測試和有限元分析法是可靠的[3]。

圖1 造橋機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡圖

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本文所研究的上行式雙導(dǎo)梁造橋機(jī)結(jié)構(gòu)由主梁、下導(dǎo)梁、懸臂梁、外掛架、支腿（包括前、后支腿、輔助支腿）、跨內(nèi)小車、懸臂梁小車、底側(cè)模、內(nèi)模以及液壓電器系統(tǒng)等部分組成。造橋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示，整體結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。

表1 造橋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

造橋機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，使用工況也很復(fù)雜，但可以按照造橋機(jī)的工作原理將其使用工況進(jìn)行簡化。本文主要考慮以下具有代表性的4種工況：

1） 移機(jī)就位工況：主機(jī)前移到首跨（下一跨）位置，主梁前支腿支撐于橋墩墊石上，跨內(nèi)小車吊起下導(dǎo)梁，準(zhǔn)備前移下導(dǎo)梁；

2） 制梁前工況：下導(dǎo)梁前移，將梁前支腿支撐于橋墩上，后支腿支撐于橋臺上，合攏外掛架，放下吊桿，調(diào)整標(biāo)高，裝端模；

3） 制梁工況：完成澆筑混凝土，搗固，養(yǎng)護(hù)，拆端模、脫側(cè)模。初張拉后脫底模；

4） 調(diào)移下導(dǎo)梁工況：解開外掛架中部聯(lián)接，張開外掛架，主機(jī)前移到下一跨的位置。

2 造橋機(jī)的ANSYS建模

2.1 幾何建模

根據(jù)造橋機(jī)的特定結(jié)構(gòu)，特別是主梁內(nèi)部還設(shè)有多排聯(lián)接桿件，經(jīng)過多次分析、計(jì)算，確定對造橋機(jī)各個(gè)零部件分別采用梁和殼等ANSYS單元類型進(jìn)行幾何建模。梁和殼單元不僅可以模擬彈性和小變形的線性行為，而且可以模擬各種材料非線性（超彈性、塑性、蠕變等）、幾何非線性（大變形、應(yīng)力剛化等）和動(dòng)力學(xué)行為[4]。造橋機(jī)的ANSYS幾何建模單元類型，如表2所示。

表2 造橋機(jī)的ANSYS幾何建模單元類型

同時(shí)，為簡化計(jì)算，在幾何建模時(shí)對造橋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，如：不考慮焊接處材料變化；主梁與橫梁的螺栓聯(lián)接簡化為glue命令粘接；忽略一些圓孔、倒角等細(xì)節(jié)特征；省略混凝土梁以及內(nèi)模等結(jié)構(gòu)模型的建立，而將其計(jì)算后的載荷直接施加在外掛架的相應(yīng)部位。

2.2 確定約束條件

在計(jì)算模型施加約束條件時(shí)要考慮多方面因素，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文在造橋機(jī)的約束條件上主要進(jìn)行以下兩方面處理：

1） 對主梁模型約束時(shí)須保證結(jié)構(gòu)受力與實(shí)際工況相同，并盡量避免局部應(yīng)力集中。由此，在約束時(shí)做如下處理：主梁與后支腿間的螺栓結(jié)構(gòu)采用剛性連接；主梁與前支腿的銷連接處理為銷軸鉸接；前、后支腿與橋臺的支撐座在建模時(shí)確定為球鉸連接。

2） 在對造橋機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析前，必須消除結(jié)構(gòu)中的剛體位移，以保證結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣非奇異。而外掛架與主梁之間為銷連接，致使外掛架出現(xiàn)橫向位移，因此，在建模時(shí)將此處的相應(yīng)自由度進(jìn)行約束。

造橋機(jī)的ANSYS有限元模型，如圖2所示。

圖2 造橋機(jī)的ANSYS幾何模型

2.3 荷載的處理

對于造橋機(jī)所受外載荷的處理，是將作用在造橋機(jī)上的載荷簡化為等效載荷加到相應(yīng)部位上。

1） 造橋機(jī)的自重：在前處理程序中輸入材料的密度，在求解程序中輸入重力加速度，程序便根據(jù)所輸入的單元截面形狀、實(shí)常數(shù)等信息，自動(dòng)將其處理為分布載荷加載到結(jié)構(gòu)上。

2） 混凝土梁以及內(nèi)模等重量：將其簡化為集中載荷和均布荷載，通過計(jì)算后直接施加在外掛架的相應(yīng)部位上。

3） 風(fēng)載：考慮風(fēng)引起的附加橫向力的影響，將計(jì)算后得到的作用在主梁、掛架、外模（混凝土梁片）以及懸臂梁等部件上的風(fēng)載，施加到相應(yīng)的位置。

3 性能仿真分析

3.1 移機(jī)就位工況

造橋機(jī)移機(jī)就位，橫向掛架上僅安裝有底側(cè)模，而內(nèi)模、混凝土梁的底腹板及頂板鋼筋籠沒有安裝。在移機(jī)就位工況中，模型載荷僅考慮造橋機(jī)主梁部分（包括前后支腿與懸臂梁）、前后支腿、外掛架、底側(cè)模自重。由于在建模時(shí)沒有底側(cè)模，因此，在加載時(shí)對底側(cè)模板做如下處理：側(cè)模板的重量直接以均布荷載的方式加載到側(cè)模支架上。造橋機(jī)移機(jī)就位工況應(yīng)力圖，如圖3所示。

圖3 造橋機(jī)移機(jī)就位工況應(yīng)力圖

由仿真結(jié)果可知，主梁在跨中上桁架支點(diǎn)位置出現(xiàn)最大應(yīng)力值 105.4MPa，主梁垂向最大位移值為 19.2mm；主梁后支腿與主梁聯(lián)結(jié)部位、后支腿局部拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到 183.6 MPa；掛架系統(tǒng)最大拉應(yīng)力為63.2MPa,出現(xiàn)在外掛架的拉桿上。

3.2 制梁前工況

圖4 造橋機(jī)制梁前工況力學(xué)仿真結(jié)果

造橋機(jī)在制梁前，將兩側(cè)掛架（包括底側(cè)模）連接為一體，混凝土梁的底腹板及頂板鋼筋籠捆扎完畢，并且內(nèi)模已安裝就位，吊桿尚未安裝。在載荷分析時(shí)對單片掛架受力作出以下處理：側(cè)模板的重量直接以均布荷載加載到側(cè)模支架；單根掛架分擔(dān)的底腹板鋼筋籠重量以均布荷載方式加載到外掛架水平梁中間段；上頂板鋼筋籠以集中荷載的方式作用于外掛架水平梁上。

此種工況下，中間的吊桿還沒有安裝，混凝土梁的底腹板及頂板鋼筋籠和內(nèi)模的自重完全由外掛架來承擔(dān)，對于外掛架部分桿件來說，有可能出現(xiàn)最大應(yīng)力。造橋機(jī)制梁前工況力學(xué)仿真結(jié)果，如圖4所示。

造橋機(jī)主梁下?lián)隙仁且粋€(gè)重要數(shù)據(jù)：其一，是作為主梁剛度設(shè)計(jì)方面的必要參數(shù)，同時(shí)也是必要檢算；其二，為保證制造的混凝土梁滿足工藝的變形要求，需要在制梁前調(diào)整底側(cè)模板的標(biāo)高，主梁的下?lián)隙仁潜ＷC實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要依據(jù)。經(jīng)分析計(jì)算可知，主梁部分垂向下?lián)狭繛?0.3mm。

3.3 制梁工況

在該工況下澆注梁體混凝土，全部混凝土及鋼筋籠重量由外掛架和吊桿承擔(dān)。對單片掛架受力作出以下處理：側(cè)模上部混凝土的重量直接以均布荷載的方式加載到側(cè)模支架上；底模頂部的混凝土以均布荷載的方式加載到外掛架水平梁中間段上；內(nèi)模頂部混凝土重量以集中載荷加載到外掛架水平梁上。

造橋機(jī)制梁工況力學(xué)仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 造橋機(jī)制梁工況力學(xué)仿真結(jié)果

由分析計(jì)算結(jié)果可知，主梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中的下翼緣板和上翼緣板，均小于218.5 MPa，在允許應(yīng)力范圍內(nèi)。并且可知，制梁工況主梁下?lián)狭繛?3.1 mm，而制梁前工況的主梁下?lián)狭繛?0.3 mm，那么，在制梁工況時(shí)，混凝土自重使主梁產(chǎn)生的垂直靜撓度f與主梁跨度L的關(guān)系為

前后支腿應(yīng)力最大值分別為 197.7 MPa、183MPa，外掛架最大拉應(yīng)力發(fā)生在吊桿上，為255.7 MPa，均在允許范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求[5]。

圖 6 造橋機(jī)調(diào)移下導(dǎo)梁工況計(jì)算模型和仿真結(jié)果

3.4 調(diào)移下導(dǎo)梁工況

制梁結(jié)束后，造橋機(jī)前移到下一跨前，需要調(diào)移下導(dǎo)梁，此時(shí)懸臂梁小車吊起下導(dǎo)梁，走至懸臂梁末端，即將放于橋臺。與前3個(gè)工況不同的是，此工況中研究的主體是懸臂梁，因此將載荷直接加載到懸臂梁的側(cè)架關(guān)鍵點(diǎn)上。造橋機(jī)調(diào)移下導(dǎo)梁工況計(jì)算模型和仿真結(jié)果，如圖6所示。

由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力發(fā)生在懸臂根部，值為217.2 MPa，在應(yīng)力范圍內(nèi)。懸臂梁最大變形量為89.8 mm，為懸臂梁受彎的下?lián)狭?、前后支腿以及主梁及掛架系統(tǒng)自重引起的翹度等多個(gè)因素的總和，滿足要求[6]。

3.5 凈加載試驗(yàn)工況

圖7 凈加載試驗(yàn)工況仿真結(jié)果

為檢驗(yàn)造橋機(jī)的靜力學(xué)性能，同時(shí)驗(yàn)證ANSYS仿真分析結(jié)果的正確性，對造橋機(jī)進(jìn)行一系列的預(yù)壓靜載試驗(yàn)，但是，前4個(gè)工況的結(jié)果不能直接用于與試驗(yàn)結(jié)果相對比。因?yàn)樵囼?yàn)應(yīng)變片是在造橋機(jī)組裝完畢后貼裝的，不能計(jì)入造橋機(jī)結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。由此，需模擬預(yù)壓試驗(yàn)工況，對主機(jī)加載混凝土梁及內(nèi)模的重量，而不再加載造橋機(jī)自重，并且試驗(yàn)期間無風(fēng)，亦不考慮風(fēng)載。該凈加載試驗(yàn)工況的計(jì)算結(jié)果，如圖7所示，應(yīng)力、變形結(jié)果，如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果的對比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)主要測量內(nèi)容為移動(dòng)模架式造橋機(jī)在各個(gè)載荷下的變形性能及特征截面上板件、桿件的應(yīng)力狀態(tài)。以主機(jī)靜載試驗(yàn)為例，具體的試驗(yàn)步驟如下：（1）進(jìn)行模架開合試驗(yàn)，檢查機(jī)電系統(tǒng)工作情況；（2）外模合攏并連接底模下的掛架系統(tǒng)，測量水平橫梁上5個(gè)位置的標(biāo)高，并調(diào)節(jié)各個(gè)吊點(diǎn)在同一水平面上；（3）分階段加載至 60%、80%、100%和 110%，測量水平橫梁上5個(gè)位置的標(biāo)高和主梁的變形，并檢測主梁、前后支腿、外掛架水平橫梁等重要部位的應(yīng)力情況；（4）分別卸載10%、20%、40%，最后完全卸載，分別測量各階段對應(yīng)的檢測項(xiàng)目。

主梁等各部分變形量可采用水準(zhǔn)儀測量，桿件應(yīng)力的測量則采用應(yīng)力測試技術(shù)，即通過測量應(yīng)變片阻值，來算出鋼材所受力的大小及方向。造橋機(jī)實(shí)物圖，如圖8所示，應(yīng)變儀實(shí)物接線圖，如圖9所示。

圖8 造橋機(jī)實(shí)物圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照如上所述的試驗(yàn)內(nèi)容和步驟，對造橋機(jī)進(jìn)行一系列的靜力學(xué)預(yù)壓試驗(yàn)，測量出相應(yīng)的變形量和應(yīng)力。表3中分別列出了考慮自重、凈加載仿真結(jié)果和預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果，可以看出試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果較為吻合。試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果之間的偏差主要來源是仿真模型材料特性、幾何簡化方法的選擇、數(shù)值計(jì)算本身以及造橋機(jī)大型部件安裝時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力與變形未能完全消除等因素引起的誤差。

5 結(jié) 論

本文利用ANSYS有限元分析軟件，對造橋機(jī)的移機(jī)就位、制梁前、制梁和調(diào)移下導(dǎo)梁等具有代表性的工況進(jìn)行詳細(xì)的靜力學(xué)性能仿真分析，并對造橋機(jī)進(jìn)行一系列靜力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，通過合理設(shè)置計(jì)算參數(shù)，利用 ANSYS有限元分析軟件可以正確的模擬計(jì)算造橋機(jī)在靜力載荷作用下的力學(xué)性能，對造橋機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有積極的指導(dǎo)意義。

[1]劉家鋒, 葉 娟. 我國鐵路客運(yùn)專線橋梁移動(dòng)模架施工方法[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009, (1)：36-40.

[2]王 軍, 張建超, 趙利頗. 我國造橋機(jī)的發(fā)展類型與典型結(jié)構(gòu)[J]. 建筑機(jī)械, 2010, (2)：77-79, 82.

[3]馮桂珍, 王大鳴, 等. 基于VRML的移動(dòng)模架造橋機(jī)的動(dòng)態(tài)模擬[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(2),139-143.

[4]周平槐. 大跨度箱形變截面鋼拱結(jié)構(gòu)的受力性能研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2005.

[5]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]GB/T3811-2008,起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Simulation Analysis of Movable Support System Based on ANSYS

Zhang Jianchao1, Wang Jun2, Liu Tao3, Lu Yongjie2

( 1. Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China;2. School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China;3. Beijing Automatic Control and Equipment Institute, Beijing 100074, China )

To study the static mechanics performance of Movable Support System, the finite element analysis is needed based on ANSYS software and a series of static mechanics tests are completed for it. Firstly, the paper introduces the integral structure and working principle of Movable Support System, establishes its finite element model, then analyzes its static mechanics performance of typical working conditions such as positioning, making beam preparation, making beam and moving guide beam, and the analysis results are discussed in details. Finally, a series of static mechanics tests are completed. Test results and performance analysis results based on ANSYS are found to be consistent. The result demonstrates that the analysis method for the design and production of Movable Support System will exert positive guidance.

movable support system; finite element; ANSYS; simulation analysis

TU 311.3

A

2095-302X (2013)04-0098-07

2012-09-12；定稿日期：2013-01-29

國家自然基金青年基金項(xiàng)目（11102121）；河北省教育廳基金項(xiàng)目（Q2012113）

張建超（1977-），男，河北唐山人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論研究。E-mail：zhangjianchao@yeah.net