移動(dòng)模架不同形式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

肖勇剛,彭文盈

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004)

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移動(dòng)模架不同形式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

肖勇剛,彭文盈

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004)

摘要:移動(dòng)模架施工方法廣泛用于中國(guó)橋梁施工中,在高墩情形下需對(duì)模架進(jìn)行整體提升,吊點(diǎn)處受力較大。文中以MSS55移動(dòng)模架整體提升為背景,運(yùn)用MIDAS FEA軟件對(duì)2種不同形式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,針對(duì)受力不利位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。研究表明,2種形式吊點(diǎn)最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊點(diǎn)下板與主梁底板相連的圈筋處,增加圈筋的厚度和寬度可改善圈筋部位受力狀況,改變豎向加強(qiáng)筋板的數(shù)量和位置可使結(jié)構(gòu)受力更為合理。

關(guān)鍵詞:橋梁;移動(dòng)模架;整體提升;有限元建模;吊點(diǎn)形式

移動(dòng)模架施工技術(shù)施工周期短,適用范圍廣,在橋梁施工中應(yīng)用廣泛,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)移動(dòng)模架作了許多研究。Povoas A.A.、Pedro Pacheco等針對(duì)移動(dòng)模架系統(tǒng)應(yīng)用于大跨度情形進(jìn)行了研究;景強(qiáng)、王立超、章征宇等通過(guò)有限元建模分析了移動(dòng)模架在不同工況下的受力,結(jié)果表明其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足使用要求;程曄等對(duì)移動(dòng)模架高空拼裝技術(shù)進(jìn)行了研究;潘大鵬、姚應(yīng)洪等研究了移動(dòng)模架的整體提升技術(shù),并與實(shí)際工程進(jìn)行結(jié)合,將移動(dòng)模架應(yīng)用于高墩情形;盛英全等對(duì)高墩情形下移動(dòng)模架提升過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力分析,研究了千斤頂不同步和風(fēng)荷載作用對(duì)移動(dòng)模架提升的影響;周清長(zhǎng)、李海青等研究了移動(dòng)模架行走過(guò)程對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的影響,提出了在施工過(guò)程中對(duì)橋墩的應(yīng)力和變形加以監(jiān)測(cè)的建議。移動(dòng)模架整體提升是其應(yīng)用于高墩情形時(shí)的一個(gè)重要工序,在整體提升過(guò)程中吊點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)需承受極大的拉力,對(duì)該局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究很有必要,對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用也有指導(dǎo)意義。該文運(yùn)用MIDAS FEA建立有限元模型,對(duì)移動(dòng)模架不同形式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 有限元模型的建立

在建某橋梁采用MSS55移動(dòng)模架施工,橋墩高度大于35 m,采用整體提升的方法將模架一次提升到位。該工程有2種不同的吊點(diǎn)形式:一種采用吊耳形式(稱為吊點(diǎn)形式1,如圖1所示),另一種采用鋼絞線直接錨固于移動(dòng)模架主梁的形式(稱為吊點(diǎn)形式2,如圖2所示)。

運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS FEA對(duì)該結(jié)構(gòu)中2種不同形式的吊點(diǎn)進(jìn)行建模,研究其在相同吊點(diǎn)拉力作用下的受力。

圖1 吊點(diǎn)形式1示意圖(單位:mm)

圖2 吊點(diǎn)形式2示意圖(單位:mm)

建模中采用實(shí)體單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,吊點(diǎn)形式1模型中建立單元38 835個(gè)、節(jié)點(diǎn)12 017個(gè);吊點(diǎn)形式2模型中建立單元41 414個(gè)、節(jié)點(diǎn)13 017個(gè)。材料為Q345,彈性模量取206 GPa,泊松比取0.3,密度取7 850 kg/m3。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,建模中僅取吊點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行研究。模型如圖3和圖4所示。

圖3 吊點(diǎn)形式1有限元模型

圖4 吊點(diǎn)形式2有限元模型

2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2個(gè)模型的von Mise應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。從中可看出:在相同吊點(diǎn)拉力作用下,主梁受力均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中效應(yīng),吊點(diǎn)部位附近區(qū)域應(yīng)力較大,而遠(yuǎn)離吊點(diǎn)的部位應(yīng)力較小。吊點(diǎn)形式1的最大應(yīng)力為149.281 MPa,吊點(diǎn)形式2的最大應(yīng)力為136.574 MPa,前者較后者增大9.3%,均出現(xiàn)在吊點(diǎn)下板與主梁底板連接的下部圈筋部位;離吊點(diǎn)下板距離近的位置應(yīng)力較大,隨著距離增大應(yīng)力值逐漸變小;吊點(diǎn)形式1的應(yīng)力值大于吊點(diǎn)形式2,在承受相同吊點(diǎn)拉力情況下,吊點(diǎn)形式1中筋板部位受力較為不利。針對(duì)該部位應(yīng)力較大的情況,可通過(guò)增大圈筋厚度或?qū)挾鹊葮?gòu)造措施來(lái)改善。

圖5 吊點(diǎn)形式1應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖6 吊點(diǎn)形式2應(yīng)力云圖(單位:MPa)

吊點(diǎn)下板應(yīng)力較大部位出現(xiàn)在吊點(diǎn)拉力作用區(qū)域附近;頂板上應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在吊點(diǎn)拉力作用區(qū)域上方,在布置有豎向筋板的部位表現(xiàn)得更為明顯,但應(yīng)力值較下板小?？梢?豎向加強(qiáng)筋板的構(gòu)造對(duì)頂板應(yīng)力的分布有著重要影響,在吊點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)調(diào)整豎向加強(qiáng)筋板的構(gòu)造和位置來(lái)實(shí)現(xiàn)頂板應(yīng)力的合理分布。在連接頂板與吊點(diǎn)下板的豎向筋板處,2種形式吊點(diǎn)均出現(xiàn)較大的應(yīng)力,吊點(diǎn)形式2中應(yīng)力值比吊點(diǎn)形式1大。這是由于吊點(diǎn)形式1設(shè)置了更多的豎向筋板,且分散程度更大。在工程應(yīng)用中可通過(guò)增加豎向筋板的布置及對(duì)筋板位置進(jìn)行優(yōu)化來(lái)使結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

3 結(jié)構(gòu)變形分析

吊點(diǎn)下板以上部位發(fā)生向上的撓曲變形,吊點(diǎn)下板以下部位發(fā)生向內(nèi)的撓曲變形。2個(gè)模型的應(yīng)變?cè)茍D如圖7和圖8所示。從中可以看出:2種吊點(diǎn)形式變形較大處均位于吊點(diǎn)下板以上部位,吊點(diǎn)形式1的最大變形量為2.966 49 mm,吊點(diǎn)形式2的最大變形量為2.332 99 mm,前者比后者增加27.2%。從吊點(diǎn)下板以下部位來(lái)看,吊點(diǎn)形式1的變形比吊點(diǎn)形式2的大。

圖7 吊點(diǎn)形式1變形云圖(單位:mm)

圖8 吊點(diǎn)形式2變形云圖(單位:mm)

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2種吊點(diǎn)形式結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊點(diǎn)下板與主梁底板連接的圈筋處,在吊點(diǎn)形式1中表現(xiàn)得更為明顯。

4.1 吊點(diǎn)形式1的優(yōu)化

針對(duì)吊點(diǎn)形式1進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)增大圈筋的厚度或?qū)挾葋?lái)改善該部位結(jié)構(gòu)的受力。優(yōu)化方案一、二為增加該處縱向圈筋的寬度,方案一增加5 cm,方案二增加10 cm;方案三、四為增加該處橫向圈筋的厚度,方案三增加2 mm,方案四增加4 mm。各優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果如表1所示。

各優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果表明:增加縱向圈筋的寬度可有效改善圈筋部位受力,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不再出現(xiàn)在圈筋部位;增加橫向圈筋的厚度對(duì)改善圈筋部位受力效果不那么明顯,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在圈筋部位。針對(duì)圈筋部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用增加縱向圈筋寬度的形式更為有效。

表1 吊點(diǎn)形式1各優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

吊點(diǎn)形式1中吊點(diǎn)下板也出現(xiàn)了局部應(yīng)力較大的情況,優(yōu)化方案五采用在該部位增加一塊加強(qiáng)筋板的方式來(lái)改善。原結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力如圖9所示,采用方案五優(yōu)化后的局部應(yīng)力如圖10所示。從中可看出:采用方案五優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)橫向加筋板局部最大應(yīng)力由原來(lái)的146.456 MPa降低至137.096 MPa,減少6.39%?？梢?增加加強(qiáng)筋板對(duì)吊點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)受力具有明顯的改善作用。

圖9 原結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖10 方案五局部應(yīng)力云圖(單位:MPa)

4.2 吊點(diǎn)形式2的優(yōu)化

吊點(diǎn)形式2中圈筋部位最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱向圈筋處,故對(duì)吊點(diǎn)形式2的優(yōu)化主要是增加縱向圈筋的寬度。優(yōu)化方案一、二、三、四分別為增加圈筋寬度20、50、70、100 mm。各優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 吊點(diǎn)形式2各優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出:當(dāng)縱向圈筋寬度從原結(jié)構(gòu)的100 mm增加至120 mm時(shí),圈筋處應(yīng)力反而從原來(lái)的136.574 MPa增加至164.283 MPa;筋板寬度增至150 mm時(shí),應(yīng)力增至143.794 MPa,但應(yīng)力值較方案一減小;圈筋板寬度在150 mm的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加時(shí),圈筋處應(yīng)力逐漸減小。出現(xiàn)方案一、二結(jié)果的原因是在距結(jié)構(gòu)對(duì)稱面120 mm處,吊點(diǎn)下板以上部位設(shè)置有貫穿主梁橫向的加強(qiáng)筋板,隨著圈筋寬度增大,圈筋邊緣至上部加強(qiáng)筋板距離逐漸變小,圈筋處最大應(yīng)力增大;寬度繼續(xù)增大,圈筋邊緣至加強(qiáng)筋板距離又逐漸增大,圈筋處最大應(yīng)力減小。因此,在工程應(yīng)用中,圈筋邊緣不可與上部加強(qiáng)筋板位置重合,應(yīng)有一定的錯(cuò)開距離。

5 結(jié)論

在移動(dòng)模架整體提升一次到位過(guò)程中,移動(dòng)模架各吊點(diǎn)部位承受很大的吊點(diǎn)拉力。該文通過(guò)有限元建模,研究了不同吊點(diǎn)形式在承受相同吊點(diǎn)拉力情形下的受力,結(jié)論如下:

(1)在相同吊點(diǎn)拉力作用下,2種形式吊點(diǎn)最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊點(diǎn)下板與主梁底板相連的圈筋處,可通過(guò)增大圈筋寬度或厚度的方式對(duì)該部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

(2)對(duì)吊點(diǎn)形式1圈筋進(jìn)行加強(qiáng),增大縱向圈筋寬度比增大橫向圈筋厚度更為有效。

(3)增大圈筋寬度可有效改善吊點(diǎn)形式2的圈筋部位受力,但應(yīng)注意與上部加強(qiáng)筋板位置錯(cuò)開。

(4)豎向加強(qiáng)筋板對(duì)吊點(diǎn)部位應(yīng)力分布有著重要影響,其數(shù)量與布置位置會(huì)影響吊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,在實(shí)際工程應(yīng)用中可對(duì)豎向筋板進(jìn)行設(shè)計(jì)上的優(yōu)化使結(jié)構(gòu)受力更趨合理。

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收稿日期:2016-01-15

中圖分類號(hào):U441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0150-04