造橋機過孔狀態(tài)下桁架導梁螺栓群的分析研究

邵雨虹，王斌華，蘆 強

（1.長安大學 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，西安 710064；2.中航工業(yè)蘭州萬里航空機電有限責任公司，蘭州 730070）

0 引言

移動模架是一種支撐在兩座橋墩之間的支架系統(tǒng)，完成混凝土橋梁現(xiàn)澆施工的大型制梁設(shè)備，具有較高的機械化程度，較快的施工速度，利用橋墩為支撐基礎(chǔ)實現(xiàn)設(shè)備施工時不占用橋下凈空，施工的安全性得以保障，并保護了橋下環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，因此移動模架已成為現(xiàn)代連續(xù)澆筑橋梁的主要施工技術(shù)之一[1～3]。

移動模架一般由主梁、導梁、支撐架、橫梁、模板等主要結(jié)構(gòu)件組成，其中導梁是輔助移動模架在橋墩之間移動的重要機構(gòu)，影響著設(shè)備運行安全和施工進度。為了降低鋼材用量，并減小設(shè)備風阻，導梁一般采用桁架型式，并且為了便于運輸，導梁由多節(jié)段組成，在施工現(xiàn)場通過摩擦型高強螺栓群連接，因此螺栓連接的可靠性對導梁安全具有重要意義[4,5]。針對螺栓群連接構(gòu)造的力學分析，已有大量學者開展了研究，文獻[5]對鋼桁橋長列高強螺栓群布置進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)軸力主要是通過兩端的螺栓來傳遞，中間各排螺栓幾乎不傳力，并對螺栓布置進行優(yōu)選。文獻[6]通過有限元分析了連接板厚度對高強螺栓群的受力影響，結(jié)果表明薄板與厚板的應(yīng)力分布規(guī)律一致，但厚板的應(yīng)力過度平滑且較小。文獻[6]利用有限元分析研究了預緊力和螺栓位置對螺栓連接構(gòu)件的影響，指出靠近底板端部螺栓承載較大，應(yīng)增加螺栓數(shù)量降低應(yīng)力峰值。文獻[7]針對港珠澳大橋橋塔與吊具連接高強螺栓群進行了受力分析，仿真結(jié)果確定了采用高強度鋼拉桿替換部分受力過大的高強螺栓的設(shè)計方案，并已得到成功應(yīng)用。由上述文獻可知，由于實際工程中較難通過直接測試獲得螺栓群中各螺栓的承載力，因此學者們進行了大量仿真分析，并得到了實際驗證，仿真結(jié)果表明螺栓群承載時，各螺栓承載力存在顯著的非均勻傳力的特點，與傳統(tǒng)螺栓群設(shè)計時采用均勻承載的假定存在較大的差異性[6]，且承載力受連接板厚度等因素影響，因此螺栓群連接構(gòu)造的有限元分析具有重要的工程意義。

本文以應(yīng)用于?？阡伹按髽虻南滦惺揭苿幽＜転槔?，利用大型有限元分析軟件ANSYS建立了移動模架開模過孔狀態(tài)時的空間有限元模型，使用約束方程模擬螺栓群構(gòu)造，通過改變約束位置模擬設(shè)備在橋墩之間移動的過程，分析得到了移動模架導梁過孔狀態(tài)的各螺栓的載荷歷程，評估了桁架導梁螺栓群的安全性。

1 移動模架結(jié)構(gòu)形式和工作原理

本文研究對象為50m跨移動模架，設(shè)備照片及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其導梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，在橋墩上移動的施工示意圖如圖3所示，其工作原理是利用牛腿作為移動模架的支撐機構(gòu)，移動模架按照圖3中箭頭方向縱移，移動模架縱移過孔時，外模板、橫梁、主梁等結(jié)構(gòu)件在頂升油缸作用下整體下落后，在橫移油缸驅(qū)動下橫向移動至橋墩兩側(cè)，再通過縱移油缸驅(qū)動使主梁與外模系統(tǒng)縱移運行至下一橋墩，完成設(shè)備過跨。該移動模架設(shè)備自重355t，主梁長度62.2m，導梁長度為55.4m，x為移動模架縱移距離，取圖2中x=0為模架過孔時的縱移起點。

圖1 移動模架橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 移動模架導梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 移動模架過孔階段示意圖

2 移動模架有限元模型的建立

圖4 移動模架空間有限元模型

移動模架開模過孔時上部支架部分由外模板、主梁、前導梁、后導梁和橫梁等組成，如圖1(c)所示，橫梁在中間處分離，導梁為桁架結(jié)構(gòu)，因此在有限元建模時，只需要建立移動模架的單邊結(jié)構(gòu)。主梁和橫梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，因此采用板殼單元模擬，桁架結(jié)構(gòu)的前、后導梁采用空間梁單元模擬，通過板殼單元建立螺栓群連接構(gòu)造局部模型，利用約束方程耦合各螺栓位置結(jié)點的X、Y和Z向位移自由度模擬螺栓連接，梁單元與螺栓群連接構(gòu)造端部采用全約束耦合的方式實現(xiàn)載荷傳遞，共劃分板殼單元130245，梁單元9997個，結(jié)點74325個，外模板自重通過均布荷載施加在支撐桿與主梁連接處，以及橫梁螺旋頂位置上，設(shè)備自重通過有限元程序自動施加，通過改變約束位置模擬移動模架過孔過程，以設(shè)備每縱移前進2m為一個分析工況，開?？v移時移動模架有限元模型如圖4所示，列舉某一處導梁弦桿處螺栓群連接構(gòu)造有限元局部模型，如圖4(c)所示。

3 移動模架開模過孔有限元分析

由圖1(c)所示，移動模架開模后，設(shè)備重心偏向橫梁側(cè)，因此導梁的內(nèi)側(cè)弦桿受力較外側(cè)受力大，選取內(nèi)側(cè)弦桿上的螺栓群進行承載力分析。另外，由于螺栓數(shù)量眾多，分析所有螺栓在移動模架過孔時的承載力歷程的工作量較大，通過分析可知，對于每一塊連接板上各螺栓承載力大小分布規(guī)律是不受導梁縱移位置影響，因此首先通過分析確定導梁最大懸臂狀態(tài)時各連接板上承載力最大的螺栓位置，再分析極值力螺栓在移動模架過孔時的載荷歷程，評估導梁連接截面處螺栓群的設(shè)計安全性。限于篇幅，列舉2#螺栓連接截面處的螺栓群為例進行說明，各螺栓位置編號如圖5所示。

圖5 2#螺栓連接截面各螺栓位置編號

2#螺栓連接截面有限元分析模型如圖6所示，導梁大懸臂時螺栓連接板von Mises應(yīng)力云圖如圖7所示，連接板最大von Mises應(yīng)力為σ=148MPa，小于Q345材料的許用應(yīng)力[σ]=345/n=345/1.5=230MPa，其中n為安全系數(shù)，因此連接板滿足結(jié)構(gòu)強度要求。各螺栓承載力分析結(jié)果如表1所示，由表可知，極值力螺栓位置均位于螺栓群端部，該螺栓力分布規(guī)律與文獻[4]分析一致。

圖6 2#螺栓截面有限元模型圖

圖7 2#螺栓截面von Mises應(yīng)力云圖

表1 2#螺栓截面上、下弦桿的螺栓承載力（導梁最大懸臂工況，單位：N）

表1（續(xù)）

由最大懸臂狀態(tài)螺栓承載力分析可得到每個螺栓截面處上、下弦桿上、下翼板和上、下弦桿腹板承載最大螺栓，因此，取每個螺栓連接截面處極值力螺栓為研究對象進行螺栓承載力過孔時的動態(tài)歷程分析。由表1分析結(jié)果可知，上弦桿上翼板螺栓所受承載力要較大于上弦桿下翼板螺栓承載力，因此上弦桿翼板螺栓取上翼板極值力螺栓為研究對象進行承載力分析，以下簡稱上弦桿翼板；下弦桿下翼板沒有連接螺栓，所以只分析下弦桿上翼板的極值力螺栓，以下簡稱下弦桿翼板。另外還包括上弦桿腹板、下弦桿腹板處極值力螺栓為研究對象進行過孔工況時的動態(tài)歷程分析，其中下弦桿翼板螺栓承載力曲線用右側(cè)的次坐標表示，因此，4個導梁螺栓連接截面的極值力螺栓承載力曲線如圖8所示。

由于導梁使用的摩擦型高強度螺栓抗剪承載力為：

式中，η為傳力摩擦面數(shù)目；μ為摩擦系數(shù)；P為單個高強度螺栓的預緊力；m為螺栓數(shù)目。

該移動模架導梁使用了M27高強螺栓，其性能等級為10.9s，螺栓預緊力P=290000N，鋼材噴砂處理后鋼材摩擦面的抗滑系數(shù)μ=0.5，采用雙連接板的連接形式[10]，因此傳力摩擦面為η=2，計算得到單個螺栓許用承載力為[F]=290000N。因此，根據(jù)圖8計算結(jié)果，可以評估移動模架過孔工況時，各螺栓連接截面內(nèi)的螺栓承載力均小于許用承載力，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

移動模架是用于現(xiàn)場澆筑橋梁的大型施工機械，結(jié)構(gòu)可靠是設(shè)備運行安全性的關(guān)鍵，較多學者進行了橋梁澆筑時移動模架結(jié)構(gòu)強度的試驗研究和理論分析，確保了結(jié)構(gòu)安全性，本文以應(yīng)用于?？阡伹按髽虻南滦惺揭苿幽＜転榉治鰧ο?，研究了開模過孔工況時桁架導梁節(jié)段間螺栓群的承載力歷程，對螺栓群設(shè)計的安全性進行評估，主要結(jié)論如下：

圖8 移動模架過孔時極值力螺栓承載力歷程（下弦桿翼板螺栓承載力曲線用右側(cè)的次坐標表示）

1）建立了移動模架空間有限元整體模型，利用板殼單元和約束方程聯(lián)合模擬螺栓群構(gòu)造，通過改變支撐約束位置，有效分析了移動模架過孔工況，并獲得各螺栓承載力變化歷程；

2）螺栓群中各螺栓承載力存在非均勻承載現(xiàn)象，端部區(qū)域的螺栓受力顯著高于中間區(qū)域的螺栓，因此進行導梁螺栓群設(shè)計時有必要進行有限元模擬評估螺栓極限載荷，為設(shè)計提供參考；

3）通過移動模架過孔狀態(tài)的有限元分析，該設(shè)備的導梁螺栓群設(shè)置合理，滿足螺栓承載力設(shè)計要求。