一種環(huán)抱式橋梁檢測車主桁架的有限元分析

方 杰

（武橋重工集團股份有限公司，湖北 武漢 430052）

0 引言

橋梁建設是國家重要的基礎建設之一，橋梁工程是關系社會和經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展的生命線工程。橋梁建設的發(fā)展，巨大的資金投入，在經(jīng)濟社會中的顯赫作用，使得人們對橋梁的安全性、耐久性越來越重視。與此同時，隨著橋梁服役時間的增加，由于環(huán)境的載荷作用、疲勞效應、腐蝕效應等不利因素對橋梁設施長期影響，橋梁結構將不可避免地產(chǎn)生各種各樣的損傷，這些損傷很容易導致惡性事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此為確保橋梁長期使用過程中的安全可靠，對橋梁設施進行檢測和維護是十分有必要的。

橋梁檢測車就是為了適應社會的發(fā)展和科學的進步，適應當今市場經(jīng)濟和新形勢的新要求而研制的，它為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，裝備有橋梁檢測儀器，用于流動檢測或維修作業(yè)的專用工程車輛。它可以隨時移動位置，能安全、快速、高效地讓檢測人員進入作業(yè)位置進行流動檢測或維修作業(yè)，工作時不影響交通。

橋梁檢測車由主桁架、走行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及安全保護系統(tǒng)等組成，其中主桁架為橋梁檢測車主要承力構件且為檢測人員提供了作業(yè)平臺，是橋梁檢測車的最重要的組成部分。

1 主桁架的有限元分析

主桁架的結構型式一般為桁架式結構，由栓焊結構的組裝式桁架組成以減小檢修設備自重。為便于運輸、安裝，整個主桁架可在工廠分為多段制作，在現(xiàn)場對接成整體。

下面以梅山春曉橋的主桁架為例進行具體的有限元結構分析：

1.1 主桁架結構

該橋檢測車主桁架采用環(huán)抱式結構型式如圖1所示，可以對大橋的外側四周進行全方位的檢測。主桁架總高13050mm，桁架寬1240mm，軌道跨度為20016mm，懸臂端3292mm，走行臺車架截面型式圖2所示。

圖1

圖2

1.2 模型建立

本環(huán)抱式主桁架在ANSYS中采用BEAM188梁單元建立有限元模型，BEAM188單元適用于分析從細長到中等粗短的梁結構；BEAM188是一個二節(jié)點的三維線性梁。BEAM188在每個節(jié)點上有6或7個自由度，（自由度）數(shù)目的變化是由KEYOPT(1)來控制的。當KEYOPT(1)=0時(默認),每節(jié)點有6個自由度。分別是沿X,Y,Z的位移及繞其的轉動。當KEYOPT(1)=1時,會添加第七個自由度(翹曲量)。此元素能很好的應用于線性（分析），大偏轉，大應力的非線性（分析）。計算中根據(jù)不同的型材選用對應的截面。

材料采用Q235的材質，許用應力為156.7MPa，許用擾度為：懸臂端9.4mm，簡支部分26.7mm。

對走行臺車架中的4個約束點進行約束（如圖3所示），其中2個進行全約束，另外兩個釋放Z軸方向自由度（需考慮風載）。

圖3

1.3 分析計算

1）工況一：檢測人員在桁架中部且將風載及重力以加速度形式進行施加，變形圖及應力云圖如圖4所示。

圖4

由圖4可以看出：最大應力處發(fā)生在桁架主弦桿與走行臺車架聯(lián)結位置，最大應力為56.967.1MPa，小于許用應力156.7MPa，最大變形處發(fā)生在桁架中部，最大變形量為2.708mm,小于許用擾度（簡支部分26.7mm），應力及變形滿足設計要求。

2）工況二：檢測人員在桁架中部和桁架上部的端部且將風載及重力以加速度形式進行施加，應力云圖及變形圖如圖5所示。

圖5

圖6

由圖5可以看出：最大應力處發(fā)生在主弦桿與走行臺車架聯(lián)結位置，最大應力為57.712MPa，小于許用應力156.7MPa，最大變形處發(fā)生在桁架中部，最大變形量為2.337mm,小于許用擾度 （簡支部分26.7mm），應力及變形滿足設計要求。

3）工況三：檢測人員在主桁架下部的端部和上部的端部；且將風載及重力以加速度形式進行施加，應力云圖及變形圖如圖6所示。

由圖6可以看出：最大應力處發(fā)生在主弦桿與走行臺車架聯(lián)結位置，最大應力為57.204MPa，小于許用應力156.7MPa，最大變形處發(fā)生在懸臂上側，最大變形量為2.328mm，小于許用擾度 （懸臂部分9.4mm），應力及變形滿足設計要求。

由以上三種工況計算可以得出，最大應力發(fā)生在主弦桿與走行臺車架相交位置，需進行局部補強，最大變形發(fā)生在受力位置處，需提高焊接等級及焊縫高度。

2 結束語

通過ANSYS對一種環(huán)抱式主桁架在不同工況和不同載荷下進行全面的有限元分析，得出應力云圖和變形云圖，能夠較準確的找出不同工況下的桁架結構的最薄弱環(huán)節(jié)并對其進行結構補強和優(yōu)化。使用ANSYS對結構進行有限元受力分析并優(yōu)化在檢測車的設計中起著重要的作用。

［1］藍宇，張連杰,等.大型有限元軟件 ANSYS[J].應用科技，2000.

［2］張俊平，姚玲森.橋梁檢測[M].北京：人民交通出版社，2005.