新型鋁合金方管檢查車的力學性能研究

李峰 尹婷婷

摘要：橋梁檢查車作為鋼橋梁檢測、維修工具，其桁架構件強度及整體穩(wěn)定性直接影響到鋼橋梁的正常使用.本文提出一種新型鋁合金方管檢查車，通過運用SAP200有限元軟件對該檢查車的支座內力、端部站人處節(jié)點位移以及桁架桿件軸力進行力學性能研究，研究結果表明：檢查車在實際工程荷載作用下，其支座處最大反力為27.68KN，滿足該處連接螺栓強度要求;檢查車端部站人處節(jié)點最大位移值為1.442mm，低于設計要求位移，檢查車具有良好的穩(wěn)定性;通過驗算檢查車桁架強度，得出桁架桿件最大應力比為0.193，遠小于設計規(guī)范規(guī)定的最大應力，檢查車桁架桿件強度達到實際工程要求.

關鍵詞：橋梁檢查車;整體強度;穩(wěn)定性;SAP200有限元軟件;應力比

中圖分類號：O242.21;O31? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0114-03

1 引言

近年來，隨著鋼橋在我國橋梁建筑中迅速發(fā)展，橋梁檢查車作為橋梁監(jiān)測、維護的重要工具，已成為橋梁維護部門研究的主要對象[1].我國目前鋼結構橋梁在運營過程中常出現螺栓松動、鋼結構腐蝕、焊縫疲勞缺陷等現象，這使得橋梁在設計階段必須考慮檢查車所具備的基本性能，主要為以下三點：第一，檢查車在其工作范圍內應具有高強度、高穩(wěn)定性、耐磨損及操作簡單等特性;第二，檢查車能夠為智能檢測儀器的設置以及維修設備提供檢修平臺;第三，檢查車應具備過縫、過墩、變寬行走等功能，并且能夠有效提高橋梁后期檢測維修進度[2].為此本文提出一種新型鋁合金方管檢查車，該檢查車不僅具有強度高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點，而且在不影響橋梁正常運行的情況下，能夠快速對橋梁進行監(jiān)測并提供安全保障.為確保該檢查車能夠在實際工程中安全使用，對該檢查車進行有限元模擬，分析其在工程荷載作用下，檢查車支座處連接螺栓、端部站人處位移、鋁合金桿件強度等是否滿足要求[3].本文的研究成果為檢查車在橋梁工程中的應用提供了有價值的參考.

2 項目概況

本項目大橋是鉆石型縱向索塔中央雙索面三塔組合梁斜拉橋，橋跨布置全長1796m，此索塔采用的是鋼-混凝土組合索塔，索塔基礎則采用的是鉆孔灌注樁基礎，主梁使用流線型的扁平整體箱型組合梁，斜拉索則采用鋼絞線斜拉索.本橋共設置了12臺檢查車.南過渡墩、北過渡墩、南輔助墩、北輔助墩、中塔、南邊塔、相互之間各設置有兩臺檢查車，各跨間的兩臺檢查車沿著橫橋向中心線的對稱布置（如圖1所示）.檢查車桁架系統(tǒng)主要由桁架梁、伸縮平臺、爬籠和欄桿組成（如圖2所示），整體桁架總高約5m，跨度約18.2m，桁架梁主要承受自重、操作人員和維護檢查器具物品等荷載，由規(guī)格100mm×100mm×5mm的鋁合金方管作為上下弦桿，規(guī)格50mm×50mm×5mm的鋁合金方管作為腹桿拼焊組成.在桁架梁頂部鋪設臺階式鋁合金花紋踏板便于人員通行、檢查和維護，同時提高了車架整體穩(wěn)定性.為方便檢查車運輸，桁架梁采用分段制造，桁架間使用牌號為A4-80的M20不銹鋼螺栓緊固連接.所有桁架梁均采用鋁合金方管材料，這種方管材料不僅具有高硬度、高強度（可達HV90度以上）、良好的加工效果、優(yōu)良的氧化效果;并且因方管表面平整度高、無沙眼氣孔，故能夠提高檢修效率以及降低材料成本.

3 SAP2000有限元分析計算

3.1 模型建立

檢查車主體為桁架結構，構件多且復雜，為簡化模型，先在AutoCAD軟件中采用線單元和不同截面按不同圖層分類等方式建立檢查車三維模型[4];然后通過dxf文件導入到SAP2000軟件中.在有限元軟件中先定義鋁合金材料屬性（如圖3所示）;在鋁合金截面設置中創(chuàng)建方管截面尺寸（如圖4所示），并賦予鋁合金材料屬性[5];選擇對應桁架桿件指定相應截面參數，完成檢查車桁架模型建立（如圖5所示）.

3.2 施加荷載

檢查車是桁架結構，桁架結構各桿件截面的形心軸線交匯于節(jié)點處.因此，桁架結構的內力計算一般是按照鉸接約束來進行，荷載應施加在桿件各節(jié)點處[6].本文檢查車主要承受恒載、風荷載和活載，計算如下所示：

（1）恒載主要是鋁合金材料自重，數值為32.7KN.有限元模擬計算時，SAP2000軟件會自動添加恒載.

（2）風荷載主要根據《建筑結構荷載規(guī)范》計算，公式如下所示：

βz風振系數取1，μz風壓高度系數取B類最大值3.12，μs體型系數計算得0.52，ω0基本風壓為0.66KN/m2，由此公式計算得出風荷載為30.94KN.

（3）活荷載主要分為安裝均勻分布荷載、最不利的末端荷載及分散布置荷載.其中安裝均勻分布荷載數值為1KN/m，;最不利的末端荷載為8KN，分散布置荷載為15KN.

用SAP2000軟件模擬檢查車受力時，荷載施加如下：（1）根據設計規(guī)范要求及檢查車安全系數，在單排桁架4個節(jié)點上分別施加0.25KN，以滿足安全需求;（2）桁架最不利處為其升降平臺安裝處，故在桁架端部站人處的8個節(jié)點上分別施加1KN，以模擬實際檢修時荷載情況;（3）分散布置荷載為15KN，均分在桁架的66個節(jié)點上，故分別施加0.23KN;（4）根據規(guī)范計算得出風荷載為30.94KN，故在迎風面各節(jié)點上施加0.945KN.

3.3 運算結果

3.3.1 支座節(jié)點計算

在實際檢查車運行過程中，必須考慮檢查車支座處螺栓（M20不銹鋼螺栓）強度，故應計算分析支座反力，為螺栓連接提供設計參考，支座節(jié)點計算主要考慮三種荷載組合，分別為恒載、風荷載、活載.按設計規(guī)范要求，在SAP2000中將各荷載組合并定義工況得出檢查車支座節(jié)點處內力圖（如圖6所示）.由圖中右上角節(jié)點內力表可知，節(jié)點編號38處所受內力值大于其他各節(jié)點內力數值，最大內力值為27.68KN，經計算該內力作用于支座處連接螺栓上，連接螺栓未發(fā)生破壞，表明檢查車在實際工程荷載作用下，支座連接牢固，且螺栓強度符合設計要求.

3.3.2 端部站人處節(jié)點位移計算

由于檢查車端部承受操作人員重量、操作平臺重量以及運送操作人員的液壓升降機重量，在實際橋梁檢修過程中，檢查車端部承受的荷載最大.因此，必須要考慮檢查車端部站人處桁架節(jié)點位移是否滿足設計要求.端部站人處主要承受荷載分為桁架自重、安裝均布荷載、分散布置荷載、最不利的末端集中荷載和風荷載.圖7為端部站人處有限元分析后得出的各節(jié)點位移圖.由圖7可知，桁架在自重荷載作用下，端部站人處節(jié)點位移最大值為0.249mm;在安裝均布荷載作用下，端部站人處節(jié)點位移最大值為0.042mm;在分散布置荷載作用下，端部站人處節(jié)點位移最大值為0.056mm;在最不利末端集中荷載作用下，端部站人處節(jié)點位移最大值為0.517mm;在風荷載作用下，端部站人處節(jié)點位移最大值為0.41mm.將恒載、活載以及風荷載按荷載效應組合在一起，得出端部站人處節(jié)點位移最大值為1.442mm，經驗算該位移數值低于設計要求的最大位移值，表明該檢查車端部站人處穩(wěn)定性滿足實際工程需要.

3.3.3 檢查車桁架桿件應力比及軸力計算

利用SAP2000進行鋁合金框架桿件設計強度驗算，通過有限元計算分析得出檢查車所有桁架桿件應力比（如圖8所示）.由圖可知，檢查車桁架桿件最大應力強度比為0.193，小于設計規(guī)范規(guī)定的最大應力比0.8;驗算檢查車桁架桿件強度時，得出各桁架桿件軸力圖（如圖9所示），由圖可知檢查車桁架桿件承受的最大軸力值為20.428KN，小于該類型鋁合金材料承受的最大軸力值，表明檢查車在實際工程荷載作用下，所有桁架桿件不會發(fā)生破壞，即檢查車的強度滿足規(guī)范要求，可投入實際工程使用.

4 結論

本文根據設計圖紙，運用SAP200軟件對檢查車桁架梁和龍骨架進行有限元分析，并將恒載、活載、風荷載按設計規(guī)范進行組合施加至有限元模型中模擬實際工況.依據有限元軟件計算結果，可得出以下結論：

（1）檢查車在工程荷載作用下，其支座處最大反力為27.68KN，滿足該處螺栓強度要求，表明檢查車支座安全可靠.

（2）檢查車在工程荷載作用下，其端部站人處節(jié)點最大位移值為1.442mm，滿足設計要求，表明檢查車具有良好的穩(wěn)定性.

（3）通過驗算檢查車強度，可知檢查車桁架桿件最大應力比為0.193，遠小于設計規(guī)范規(guī)定的最大應力比0.8，表明檢查車桁架在工程荷載作用下桿件強度達到要求，可投入實際工程使用.

參考文獻：

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〔3〕戴素娟，辛忠欣，侯世謹，張樹輝.SAP2000在《高等鋼結構理論》教學中的應用[J].大眾科技，2018，20（09）：83-85.

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

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