上行式移動(dòng)模架橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析

姬方方，王斌華，秘嘉川

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064； 2.山東恒堃機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

移動(dòng)模架造橋機(jī)是一種自帶模板、利用兩根縱梁支撐、對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行逐孔向前現(xiàn)場(chǎng)澆注的一種大型橋梁建造設(shè)備[1]。因?yàn)榫哂姓加每臻g少、設(shè)備投入成本低、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛的應(yīng)用到公路和鐵路的橋梁建設(shè)工程中[2]。移動(dòng)模架在投入使用前需要進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，以確保施工安全[3-4]。

該文的移動(dòng)模架為上行式移動(dòng)模架，其主要組成部分為主梁、鼻梁、上橫梁、下掛梁、支腿、小車、內(nèi)外模板和液壓千斤頂?shù)萚5]。筆者選取移動(dòng)模架中由上橫梁和下掛梁組成的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。采用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)該上行式移動(dòng)模架系統(tǒng)的橫梁結(jié)構(gòu)在澆筑和開模工況下的受力進(jìn)行分析計(jì)算，校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足施工要求，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。

1 橫梁結(jié)構(gòu)的主要組成結(jié)構(gòu)與作用

橫梁結(jié)構(gòu)由上橫梁、下掛粱、上橫梁滑座橫、移推動(dòng)架、吊桿及上下吊粱組成，其結(jié)構(gòu)圖及在移動(dòng)模架中的位置如圖1、2所示，上橫梁通過上橫梁螺旋頂固定在主梁上面，起到連接下掛粱和主梁的作用，并將收到的力傳遞給主梁。下掛粱負(fù)責(zé)懸掛內(nèi)外模板，混凝土等結(jié)構(gòu)。在開模過孔前，下掛粱可以從中間打開，并在橫向機(jī)構(gòu)作用下帶動(dòng)外模板橫向移動(dòng)脫模，使得移動(dòng)模架能夠順利通過橋墩，移動(dòng)到下一個(gè)工位。橫移推動(dòng)架為橫移機(jī)構(gòu)通過橫移油缸帶動(dòng)下掛粱和內(nèi)外模板橫向打開和合攏，之后由橫梁滑座進(jìn)行鎖定避免發(fā)生橫向滑動(dòng)。橫移推動(dòng)架和上橫梁滑座通過銷軸將上橫梁和下掛粱連接在一起，部件之間的接觸比較復(fù)雜需要進(jìn)行校核。

圖1 移動(dòng)模架橫向總裝圖

2 移動(dòng)模架有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

圖3(a)、(b)分別為移動(dòng)模架橫梁結(jié)構(gòu)合模和開模狀態(tài)的有限元計(jì)算模型。在ANSYS有限元分析中上橫梁、下掛梁、滑座、橫移推動(dòng)架及下吊梁采用板殼元SHELL181來模擬,油缸、螺旋頂旋桿及吊桿用梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，銷軸采用實(shí)體單元SOLID185，由于橫梁結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以1/2結(jié)構(gòu)建模，并通過對(duì)稱約束進(jìn)行仿真。在ANSYS仿真中可以在保證準(zhǔn)確度的前提下對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，縮減計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。例如下掛粱由五部分組成，每個(gè)部分之間通過高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，實(shí)際情況下各個(gè)部分間可以近似的認(rèn)為沒有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，可以很好的傳遞力和力矩，在建模時(shí)可以將掛粱當(dāng)成一個(gè)整體建模，實(shí)現(xiàn)了模型的簡(jiǎn)化。

圖2 橫梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 有限元模型

2.2 載荷計(jì)算

在移動(dòng)模架開模過孔是時(shí)計(jì)算模型受到的載荷有：上橫梁、下掛梁自重通過 ANSYS 軟件自動(dòng)計(jì)算，內(nèi)外模板的重量以外載荷的形式通過下掛粱與外模板接觸的各個(gè)支點(diǎn)施加到模型上。移動(dòng)模架在澆筑時(shí)考慮流態(tài)混凝土對(duì)外模板的側(cè)向壓力對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)的影響，通過施加梯度載荷的方式來模仿態(tài)混凝土對(duì)外模板的作用力，并將其轉(zhuǎn)等效為橫向載荷和豎向載荷通過各個(gè)支點(diǎn)施加在模型上[6]。為了保證橫梁結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度選取最大受力工況作為核算工況，進(jìn)行力學(xué)仿真。

2.3 約束條件

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中上橫梁通過上橫梁螺旋頂固定在主梁上面，因此仿真中將上橫梁與橫梁螺旋頂接觸的部分添加約束(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ)。上橫梁滑座和橫移推動(dòng)架通過掛板可以在上橫梁上進(jìn)行橫向滑動(dòng)，通過在接觸部分建立摩擦來進(jìn)行仿真。各個(gè)銷軸與連接部分的關(guān)系同樣用摩擦來進(jìn)行模擬。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 橫梁結(jié)構(gòu)合模狀態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果

采用許用應(yīng)力法對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核[7-9]，因?yàn)橐苿?dòng)模架由塑性材料制造而成故其計(jì)算應(yīng)力為：

式中：σs為塑性材料的屈服極限；n為塑性材料的安全系數(shù)；[σ]為材料許用應(yīng)力。

移動(dòng)模架造橋機(jī)在進(jìn)行澆注時(shí)各個(gè)位置的橫梁結(jié)構(gòu)受力并不相同，為了保證整體結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求。需要從中選取最不利工況下的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)第3根橫梁受力最大，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)仿真。

由圖4(a)可知:

σmax=204 MPa<[σ]

橫梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在上橫梁與橫梁螺旋頂接觸部分的翼板處。由于橫梁結(jié)構(gòu)的材料為Q345鋼，其材料的許用應(yīng)力[σ]=230 MPa，故橫梁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

掛梁銷軸、掛梁螺旋頂銷軸橫移油缸銷子和推動(dòng)芯軸在移動(dòng)模架中起到連接和固定作用，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性也需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。

由圖4(b)可知銷軸的最大應(yīng)力：

σmax=127 MPa<[σ]

銷軸的最大應(yīng)力發(fā)生在推動(dòng)芯軸與上橫梁的接觸部分。

由于銷軸的材料為40Cr，其材料的許用應(yīng)力[σ]=465 MPa，故銷軸滿足強(qiáng)度要求。

圖4 合模狀態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果

橫梁結(jié)構(gòu)的組成部分較多，每個(gè)應(yīng)力云圖不能一一展示，通過表1式列出各個(gè)部件的最大應(yīng)力。

表1 合模狀態(tài)各個(gè)部件的最大應(yīng)力單位 /MPa

3.2 橫梁結(jié)構(gòu)開模狀態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果

由Von Mises應(yīng)力云圖可知開模狀態(tài)橫梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力：

σmax=166 MPa<[σ]

橫梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁滑座連接銷軸處。

由銷軸的應(yīng)力云圖可知：

σmax=110 MPa<[σ]

銷軸的最大應(yīng)力發(fā)生在右側(cè)橫移油缸銷子與橫移滑座接觸處符合強(qiáng)度要求。

圖5 開模狀態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果

開模狀態(tài)下橫梁結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的最大應(yīng)力如表2所示。

表2 開模狀態(tài)各個(gè)部件的最大應(yīng)力單位 /MPa

4 結(jié) 論

(1) 文中分別建立了移動(dòng)模架橫梁結(jié)構(gòu)在開模和合模狀態(tài)下的有限元模型，并選取危險(xiǎn)工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求。

(2) 合模狀態(tài)移動(dòng)模架橫梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在上橫梁與橫梁螺旋頂接觸部分的翼板處，開模狀態(tài)橫梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在橫移推動(dòng)架與銷軸的連接處，兩種狀態(tài)下均滿足強(qiáng)度要求。

(3) 利用ANSYS 軟件可以有效的分析移動(dòng)模架橫梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力情況，找出結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)位置并加以改進(jìn)，對(duì)解決工程實(shí)際問題具有重要的理論和指導(dǎo)意義。