伸縮型鋁合金桁架檢修車力學(xué)性能分析

周揚(yáng) 袁志煬 儲(chǔ)海峰 陳東

摘要：橋梁檢測(cè)（修）作業(yè)車（Bridge Inspecting Vehicle，BIV）作為一種橋梁使用過(guò)程中的檢修以及生命檢測(cè)的重要設(shè)備，已經(jīng)成為橋梁建設(shè)領(lǐng)域和生命周期保養(yǎng)領(lǐng)域中不可缺少的作業(yè)設(shè)備.本文提出一種伸縮型鋁合金桁架檢修車，通過(guò)有限元分析軟件Spa2000對(duì)該檢查車實(shí)際最不利位置工作狀態(tài)下支座節(jié)點(diǎn)反力、節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力比以及桁架桿件軸力進(jìn)行力學(xué)性能分析.研究結(jié)果表明：檢查車的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都在安全控制范圍內(nèi)，具有足夠的安全系數(shù)，分析的結(jié)果將為檢查車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)際生產(chǎn)以及運(yùn)維階段提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

關(guān)鍵詞：橋梁檢測(cè)作業(yè)車;有限元分析;sap2000;理論依據(jù);技術(shù)支撐

中圖分類號(hào)：TB12;O241? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）08-0072-03

1 引言

橋梁工程是關(guān)系社會(huì)和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)良好發(fā)展的生命通道，是當(dāng)今世界各國(guó)國(guó)家的重要基礎(chǔ)建設(shè)之一.隨著社會(huì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)橋梁的投入資金占比越來(lái)越大，使得人們對(duì)橋梁的安全、穩(wěn)定性、耐久性越來(lái)越重視.但是，當(dāng)前世界橋梁界都共同面臨一個(gè)棘手的問(wèn)題——相當(dāng)多的橋梁已經(jīng)進(jìn)入了“老齡”階段，出現(xiàn)各種“病害”，甚至常年帶“病”運(yùn)營(yíng)，潛伏著巨大的安全隱患[1].為了提高橋梁使用安全性，必須定期和不定期對(duì)橋梁進(jìn)行“檢查身體”，為養(yǎng)護(hù)管理提供直接的數(shù)據(jù)和依據(jù).但是考慮到其工作面廣且多，技術(shù)復(fù)雜，難度系數(shù)較高，以及目前橋梁設(shè)計(jì)時(shí)就同時(shí)考慮到檢修和養(yǎng)護(hù)的需要，所以，提出必須采用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，這樣才能一方面快速的提高檢測(cè)速度，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，另外一方面必須有高精度，給橋梁的養(yǎng)護(hù)和加固提高精確的數(shù)據(jù)支持.本文提出了一種伸縮型鋁合金桁架檢修車，能夠很好的滿足精度要求和安全要求.為進(jìn)一步確保該檢查車能夠在實(shí)際工作狀態(tài)下的安全使用，對(duì)該檢查車進(jìn)行有限元模擬，分析其在荷載作用下，檢查車支座節(jié)點(diǎn)反力、節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力比以及桁架桿件軸力等是否滿足要求.本文的研究成果可為橋梁檢查車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

2 工程概況

該項(xiàng)目是上海某市政道路鋼箱梁立交橋，設(shè)計(jì)車速為50km/h橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度42m，荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用城-A級(jí).本橋的鋼箱梁梁外檢查車主要由主桁架、伸縮桁架、軌道系統(tǒng)組成，桁架總高約為1.25米，跨度約為20.4米，整體采用鋁合金方管材料，方管100x6mm和方管50x5mm.工程中采用懸掛式吊車方案，即驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)鋼輪懸掛于工字鋼軌道上，桁架梁與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)龍門(mén)架連接在一起，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行.檢車車不使用時(shí)?？坑谶^(guò)渡墩旁，臨時(shí)?？繒r(shí)應(yīng)采用專業(yè)工具使檢修車與軌道固定，避免滑移.該檢查車能夠滿足橋體鋼箱梁外側(cè)全方位、全立體的檢測(cè)與維護(hù)要求.

3 SAP2000有限元分析計(jì)算

3.1 有限元模型的建立

鋼桁架檢查車有限元模型的建立將是后期進(jìn)行有限元分析的一切基礎(chǔ)，建立模型與實(shí)際是否擬合是后續(xù)計(jì)算分析結(jié)果可信度和分析效率的有效保證.因此，進(jìn)行有限元分析中尋求高質(zhì)量、快速的有限元模型建立方法有著重要意義.由于桁架構(gòu)件多、連接節(jié)點(diǎn)較多，為了簡(jiǎn)化模型，此次采用如下步驟：

一、用CAD按照不同圖層將線單元和不同截面進(jìn)行分類建立檢查車三維模型，然后用dxf格式的文件輸出，再導(dǎo)入到sap2000軟件中，即可完成有限元模型的初步建立工作[2].

二、利用sap2000進(jìn)行材料屬性（即鋁合金材料：如圖2所示）[3]、截面形式（主橫桿：如圖3，腹桿：如圖4）、約束條件的設(shè)定等細(xì)節(jié)處理，完成模型的最終建立（圖5和圖6所示）.

3.2 加載形式

檢查車是桁架結(jié)構(gòu)體系，各桿件截面形心軸線將匯交于節(jié)點(diǎn)處.因此，桁架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算通常是按照鉸接約束來(lái)處理，所有荷載都施加在桿件各節(jié)點(diǎn)處[5].驗(yàn)算檢查車是否具有安全性能，只要關(guān)注實(shí)際情況下最不利狀態(tài)的位置.為此，筆者根據(jù)實(shí)際工作的情況以及結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識(shí)，結(jié)合載荷的位置和大小的不同，確定出工作狀態(tài)最危險(xiǎn)下典型工況，分析時(shí)，針對(duì)最不利狀態(tài)下工況對(duì)檢查車進(jìn)行力學(xué)性能方面的分析[4].具體定義如下：

最不利位置：工作狀態(tài)下，伸縮桁架全部伸出來(lái)，且檢查車位于伸縮桁架的最左（右）位置（如下圖所示）.

結(jié)合相關(guān)桁架和檢查車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工作情況下，桁架主體靜強(qiáng)度分析計(jì)算時(shí)需要考慮以下主要荷載：

（1）恒載：主要是主桁架、伸縮桁架自身金屬結(jié)構(gòu)的重量，其分別為：12.593KN、11.970KN.在進(jìn)行有限元分析時(shí)候，sap2000軟件將自動(dòng)添加恒載.

（2）活載：安裝均勻分布荷載，數(shù)值為1KN/m2.

（3）風(fēng)活載：根據(jù)檢查車工作狀態(tài)最大風(fēng)速為6級(jí)大風(fēng)，由《風(fēng)級(jí)、風(fēng)速、風(fēng)壓對(duì)照表》得知：工作狀態(tài)的風(fēng)速為12m/s，根據(jù)風(fēng)速按下式計(jì)算風(fēng)壓：

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣密度約為1.29kg/m3，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得知：92.88N.

用sap200在以上兩種工況下的加載方式如下所示：

（1）伸縮桁架加載方式：恒載采用鋁合金材料自重，sap2000自動(dòng)計(jì)算而來(lái);活載采用均布荷載為1KN/m，桁架38個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均分施加537N;風(fēng)荷載計(jì)算總量為864N，均分在迎風(fēng)面各節(jié)點(diǎn)為23N.

（2）主桁架加載方式：恒載采用主桁架鋁合金材料自重，sap2000自動(dòng)計(jì)算而來(lái)，并且加上伸縮桁架對(duì)主桁架的作用力;活荷載為分布在桁架的42個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)均分施加荷載為733N;風(fēng)荷載為900N，均分在迎風(fēng)面各節(jié)點(diǎn)為15N.

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 節(jié)點(diǎn)反力計(jì)算

檢查車強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求，一個(gè)重要的指標(biāo)就是主桁架與伸縮桁架之間的支座反力有沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)值.由圖7和圖8中伸縮桁架和主桁架的節(jié)點(diǎn)反力最大值分別為：28.91KN，40.91KN，小于該類型的桁架承受的最大值.并且發(fā)現(xiàn)桁架中的弦桿與腹桿的連接焊縫沒(méi)有發(fā)生破壞，表明檢查車在最不利位置中整個(gè)檢查車的支座連接牢固，且螺栓強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求.

3.3.2 位移值計(jì)算

檢查車在人在最左（右）端的時(shí)候?qū)⑹钦麄€(gè)桁架體系變形最大的位置，其主要承受操作技術(shù)工人質(zhì)量、操作平臺(tái)重量以及其他儀器的重量.另外，此時(shí)系統(tǒng)也將承受風(fēng)荷載、活載、安裝的均布荷載作用.所以在分析檢查設(shè)計(jì)是否符合變形設(shè)計(jì)要求必須考慮在檢查車在最左端、最右端的位置處.由圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，伸縮桁架和主桁架的位移最大值分別為：66.48mm，10.35mm.對(duì)比檢車車整體的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求，變形值在安全的范圍區(qū)間，說(shuō)明檢查車具有足夠的剛度，能夠滿足實(shí)際工作的需要.

3.3.3 檢查車桁架桿件應(yīng)力比及軸力計(jì)算

利用sap2000進(jìn)行桁架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度的驗(yàn)算，通過(guò)有限元計(jì)算分析得出檢查車所有桁架桿件應(yīng)力比和軸力圖，匯總最大值如下表所示：

由以上的表格得知：不管是伸縮桁架還是主桁架的最大應(yīng)力比以及軸力都在設(shè)計(jì)的安全范圍內(nèi).由于這是驗(yàn)算在工作狀態(tài)下的最不利位置，所以，整個(gè)桁架的其他工作狀態(tài)下的應(yīng)力比以及軸力比都比表中的數(shù)值小，說(shuō)明了檢查車在正常工作狀態(tài)下桁架都是安全的，所有桁架桿件不會(huì)發(fā)生破壞，即檢查車的桁架設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，可投入實(shí)際工程使用.

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究建立在檢查車工作狀態(tài)下最不利位置的有限元分析模型，分別計(jì)算了在該狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)反力、位移值、應(yīng)力比、軸力值的分布以及變化情況.結(jié)果表明檢查車桁架結(jié)構(gòu)的主桁架以及伸縮桁架的強(qiáng)度、剛度均在安全工作要求范圍內(nèi)，具有足夠的安全系數(shù).分析的結(jié)果為檢查車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用以及運(yùn)維階段提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和指導(dǎo)方法.

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參考文獻(xiàn)：

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〔3〕陳曉霞，李充，魯二敬，郁志凱，范東宇.焊接工藝對(duì)6082-T6鋁合金對(duì)接接頭疲勞性能的影響[J].焊接技術(shù)，2018（12）：22-24+5.

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