基于液壓緩震裝置的預(yù)制墩柱翻轉(zhuǎn)臺(tái)座受力性能有限元分析

金禮俊

(中鐵四局集團(tuán)有限公司第七工程分公司，安徽 合肥 230071)

0 引 言

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁快速施工技術(shù)是新一代橋梁設(shè)計(jì)、施工的革命性技術(shù)。預(yù)制裝配式橋梁新型工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)對(duì)于安全、質(zhì)量、進(jìn)度等方面均有著重要的意義[1]。當(dāng)前我國(guó)建筑行業(yè)生產(chǎn)力快速發(fā)展，橋梁施工構(gòu)件工廠化預(yù)制和裝配式施工也在橋梁施工中得到快速發(fā)展。以預(yù)制墩柱翻身過(guò)程中翻身工裝為例，預(yù)制墩柱在存放、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中要進(jìn)行墩柱的翻轉(zhuǎn)，由于預(yù)制墩柱構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比較大，因此墩柱的翻身不能像簡(jiǎn)單的構(gòu)件那樣在空中實(shí)現(xiàn)翻身，必須要借助外部翻身工裝進(jìn)行翻身[2]。傳統(tǒng)的翻身工裝設(shè)備體積龐大，靈活性差，且需要大量的鋼材，適用范圍有限。為了克服傳統(tǒng)翻身工藝的不足，通過(guò)技術(shù)革新、有限元分析，設(shè)計(jì)一種基于液壓緩震裝置的預(yù)制墩柱翻轉(zhuǎn)臺(tái)座，達(dá)到預(yù)制墩柱可以快速翻身且不影響施工質(zhì)量的目的。結(jié)合預(yù)制墩柱施工實(shí)際情況以及力學(xué)基本知識(shí)，設(shè)計(jì)一種帶有液壓千斤頂和緩震平臺(tái)的墩柱翻轉(zhuǎn)臺(tái)座，通過(guò)設(shè)置液壓千斤頂和緩震平臺(tái)，來(lái)提高預(yù)制墩柱翻轉(zhuǎn)過(guò)程中穩(wěn)定在由立式向臥式翻轉(zhuǎn)的起勢(shì)階段，利用液壓千斤頂驅(qū)動(dòng)緩震平臺(tái)翻轉(zhuǎn)，由此推動(dòng)立柱模板開始翻轉(zhuǎn)，如圖1所示。這一過(guò)程穩(wěn)定可靠，大大提高了施工作業(yè)安全性，并有效提高施工效率。預(yù)制墩柱在預(yù)制場(chǎng)從存放區(qū)到裝配的過(guò)程中都需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，應(yīng)用本文所介紹的翻轉(zhuǎn)臺(tái)座可以提高施工過(guò)程中翻身工裝的施工效率、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。使用翻轉(zhuǎn)臺(tái)座完成預(yù)制墩柱的翻身，相比傳統(tǒng)翻身工裝設(shè)備施工效率高、靈活性高、成本低、節(jié)省空間，翻轉(zhuǎn)臺(tái)座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力清楚、安裝操作方便。

圖1 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座液壓緩震原理圖

1 預(yù)制墩柱翻轉(zhuǎn)臺(tái)座設(shè)計(jì)

1.1 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1) 通過(guò)液壓千斤頂控制所述翻轉(zhuǎn)臺(tái)座鋼筋籠模板在緩震平臺(tái)的頂撐下形成與臺(tái)面呈30～45°夾角。

(2) 利用龍門吊在預(yù)制墩柱模板的上端進(jìn)行起吊，使立柱模板與縱向翻轉(zhuǎn)梁共同在鉸接支座上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；直至立柱模板的底面觸及縱向緩震梁，隨即轉(zhuǎn)而由液壓千斤頂對(duì)立柱模板的底面形成托承，并在液壓千斤頂和龍門吊的共同作用下使立柱模板連同縱向翻轉(zhuǎn)梁繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 臺(tái)座下部構(gòu)造圖

(3) 在縱向翻轉(zhuǎn)梁朝向固定臺(tái)座的臺(tái)面落架時(shí)，立柱模板與縱向翻轉(zhuǎn)梁，以及縱向緩震梁的整體重量均由液壓千斤頂支撐，完成預(yù)制墩柱翻轉(zhuǎn)臺(tái)座從臥式向立式的緩沖翻轉(zhuǎn)。

1.2 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座工作原理

預(yù)制墩柱整體吊裝入模時(shí)，鋼筋骨架放置于翻轉(zhuǎn)臺(tái)座模板內(nèi)，按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求放置足夠數(shù)量的高強(qiáng)環(huán)形混凝土墊塊。翻轉(zhuǎn)臺(tái)座連接鋼筋籠時(shí)按設(shè)計(jì)要求制作、運(yùn)輸、吊裝，采用吊車或龍門吊安裝應(yīng)防止扭轉(zhuǎn)變形，如圖3(a)所示，根據(jù)規(guī)定加焊內(nèi)固定筋。如圖3(b)所示，鋼筋籠吊裝前，應(yīng)綁好墊塊；吊放鋼筋籠時(shí)，要對(duì)準(zhǔn)孔位，直吊扶穩(wěn)，緩慢下沉，避免碰撞；鋼筋籠放到設(shè)計(jì)位置時(shí)，應(yīng)立即固定。施工時(shí)先在翻轉(zhuǎn)臺(tái)座上安裝半塊柱模，再安裝墩柱鋼筋籠，然后安裝另半塊柱模，安裝連接螺栓，在翻轉(zhuǎn)臺(tái)架上翻轉(zhuǎn)直立，吊裝就位翻轉(zhuǎn)臺(tái)座。模板一次性安裝調(diào)整完成，并在24 h內(nèi)一次性完成混凝土澆筑，避免模板起銹影響墩柱外觀質(zhì)量。

圖3 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座實(shí)物

2 預(yù)制墩柱翻轉(zhuǎn)臺(tái)座結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

(1) 利用鉸接支座設(shè)置翻轉(zhuǎn)臺(tái)座，實(shí)現(xiàn)單邊翻邊，翻轉(zhuǎn)方式簡(jiǎn)單可靠。

(2) 設(shè)置緩震平臺(tái)，在由立式向臥式翻轉(zhuǎn)的起勢(shì)階段，利用液壓千斤頂驅(qū)動(dòng)緩震平臺(tái)翻轉(zhuǎn)，由此推動(dòng)立柱模板開始翻轉(zhuǎn)，這一過(guò)程穩(wěn)定可靠。

(3) 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于保證預(yù)制墩柱邊角部位在翻身過(guò)程中不發(fā)生損壞，提高墩柱的外觀與質(zhì)量。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 本設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)臺(tái)座通過(guò)設(shè)置緩震平臺(tái)來(lái)提高立柱模板翻轉(zhuǎn)過(guò)程中穩(wěn)定，從而有效避免傾覆，大大提高了施工作業(yè)安全性，并有效提高施工效率；適用于各種不同截面形式的預(yù)制構(gòu)件模板和構(gòu)件翻轉(zhuǎn)，使用范圍廣。

(2) 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座采用一次性加工成型，靈活性較好且可以重復(fù)利用，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中臺(tái)座受力后可保持良好的穩(wěn)定性。

(3) 本翻轉(zhuǎn)臺(tái)座通過(guò)緩震裝置實(shí)現(xiàn)了預(yù)制墩柱從臥式向立式的緩沖翻轉(zhuǎn)，保證了預(yù)制墩柱落架穩(wěn)定，避免立柱受損變形，保證預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，從而有效保證工程質(zhì)量。

3 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座下部穩(wěn)定性計(jì)算分析

3.1 建立有限元模型

本工程設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)臺(tái)座由工字鋼結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，鋼材等級(jí)為Q235b。墩柱模板翻轉(zhuǎn)固定需通過(guò)吊裝設(shè)備與翻轉(zhuǎn)架支撐配合完成，同時(shí)翻轉(zhuǎn)架也是墩柱澆筑后的存放基礎(chǔ)，是決定墩柱能否安全澆筑預(yù)制、存放的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，施工前應(yīng)對(duì)翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力安全性分析。結(jié)合施工方案，施工翻轉(zhuǎn)過(guò)程翻轉(zhuǎn)架主要承受上部模具與內(nèi)部鋼筋籠重量，重約9.1 t；模具直立后待墩柱混凝土澆筑完畢時(shí)，上部重量變?yōu)?7.4 t，因此認(rèn)為墩柱澆筑完成時(shí)為翻轉(zhuǎn)架受力最不利狀況，本節(jié)將對(duì)該工況下的翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力變形分析。

3.2 有限元計(jì)算分析

3.2.1 分析模型選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，翻轉(zhuǎn)架整體空間尺寸為長(zhǎng)2.5 m×寬2 m×高0.8 m，施工翻轉(zhuǎn)通過(guò)上部底模邊側(cè)鉸支座和千斤頂實(shí)現(xiàn)，這里重點(diǎn)研究翻轉(zhuǎn)架整體桿系結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)，分析模型為翻轉(zhuǎn)架整體桿系結(jié)構(gòu)，與下部基礎(chǔ)作用處理為位移邊界，上部模板考慮為荷載邊界，如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座數(shù)值模型

3.2.2 模型處理與計(jì)算假定

模型材料為線彈性，不考慮結(jié)構(gòu)缺陷，數(shù)值模型中結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?。根?jù)實(shí)際桿件連接情況，數(shù)值模型對(duì)相鄰梁?jiǎn)卧溄犹幚砣缦拢?/p>

(1) 對(duì)于實(shí)際剛性連接，采取合并公共節(jié)點(diǎn)，全位移協(xié)調(diào)。

(2) 對(duì)于實(shí)際鉸接，采取耦合公共節(jié)點(diǎn)自由度，同時(shí)釋放可轉(zhuǎn)動(dòng)方向自由度。

3.2.3 荷載及邊界條件設(shè)置

(1) 荷載：所選模型研究段考慮重力荷載、上部模板及內(nèi)部墩柱鋼混部分對(duì)翻轉(zhuǎn)架的壓力作用，其中重力通過(guò)設(shè)置9.8 m/s2慣性力實(shí)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)作用通過(guò)剛性面域法施加，主自由度設(shè)于局部作用節(jié)點(diǎn)面，內(nèi)力作用于主節(jié)點(diǎn)(MPC184單元)。

(2) 邊界條件：翻轉(zhuǎn)架下部基礎(chǔ)與剛性地面連接，采用底層節(jié)點(diǎn)全位移約束，如圖5所示。

圖5 模型荷載及約束

3.3 有限元分析結(jié)果

3.3.1 位移計(jì)算結(jié)果

位移計(jì)算結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 X方向位移

圖7 Y方向位移

圖8 Z方向位移

圖9 總位移

位移計(jì)算結(jié)果顯示，X方向位移分布為鄰近翻轉(zhuǎn)軸區(qū)域較遠(yuǎn)側(cè)稍大，峰值約0.03 mm；Y方向位移分布為中側(cè)上橫梁跨中位移較遠(yuǎn)側(cè)稍大，峰值約0.1 mm，峰值點(diǎn)位于橫梁與斜撐節(jié)點(diǎn)處；Z方向位移分布為中側(cè)下橫梁端部位移較遠(yuǎn)側(cè)稍大，峰值約0.01 mm，峰值點(diǎn)位于斜撐節(jié)點(diǎn)處。該工況下，翻轉(zhuǎn)架整體位移較小，最大變形低于1 mm，整體結(jié)構(gòu)剛度較高，抗變形能力良好。

3.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 軸向應(yīng)力

圖11 XOY面內(nèi)切應(yīng)力

圖12 XOZ面內(nèi)切應(yīng)力

圖13 Von-mises應(yīng)力

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，整體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力分布較均勻，無(wú)明顯軸力集中過(guò)大現(xiàn)象，峰值為16.7 MPa(壓應(yīng)力)，位于中部斜桿端部；XOY面內(nèi)切應(yīng)力分布較均勻，無(wú)明顯剪力集中過(guò)大現(xiàn)象，峰值為0.9 MPa，位于中部斜桿端部；XOZ面內(nèi)切應(yīng)力表現(xiàn)為上部橫梁剪應(yīng)力較遠(yuǎn)側(cè)稍大，峰值為0.8 MPa，位于旋轉(zhuǎn)軸附近橫梁處；Von-mises應(yīng)力分布表現(xiàn)為豎向桿較橫向桿稍大，峰值為16.7 MPa，位于中部斜桿端部，小于材料應(yīng)力允許值。該工況下，翻轉(zhuǎn)架整體應(yīng)力亦較小，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求。

4 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座上部鋼筋籠模板穩(wěn)定性分析

4.1 模型處理與工況分析

為驗(yàn)證與翻轉(zhuǎn)臺(tái)座相連接的鋼筋籠模板結(jié)構(gòu)在受力后的狀態(tài)，通過(guò)建立有限元模型，如圖14所示，以3種工況來(lái)進(jìn)行考慮，分別為鋼筋籠模板澆筑工況、鋼筋籠模板翻轉(zhuǎn)工況、鋼筋籠模板吊起工況。上述各工況下所受載荷分析如下：

圖14 翻轉(zhuǎn)臺(tái)座上部鋼筋籠計(jì)算模型

(1) 鋼筋籠模板澆筑工況，模板受到混凝土與鋼筋籠的重力、混凝土側(cè)壓力和自身的重力。

(2) 鋼筋籠模板翻轉(zhuǎn)工況，模板受到鋼筋籠的重力和自身的重力。

(3) 鋼筋籠模板吊起工況，模板受到鋼筋籠的重力和自身的重力。

4.2 設(shè)置邊界條件

(1) 對(duì)預(yù)制墩柱鋼筋籠模板及相關(guān)構(gòu)件施加重力，構(gòu)件與地面的接觸是動(dòng)態(tài)變化的，這里采用試件底部圓弧面與地面相切作為計(jì)算位置，即接觸面始終為一條線。

(2) 不考慮墩柱及地面的變形，對(duì)墩柱、地面及試件視為一個(gè)整體進(jìn)行綁定分析。地面進(jìn)行固定約束。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1) 通過(guò)計(jì)算，翻轉(zhuǎn)臺(tái)座模板在模板澆筑工況下的應(yīng)力如圖15所示。

圖15 鋼筋籠模板應(yīng)力云圖

由圖15可知，模板澆筑工況下最大應(yīng)力為 39.573 MPa，小于材料許用應(yīng)力 215 MPa，其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(2) 通過(guò)計(jì)算，翻轉(zhuǎn)臺(tái)座模板在翻轉(zhuǎn)初始狀態(tài)的應(yīng)力如圖16所示。

圖16 模板翻轉(zhuǎn)初始狀態(tài)應(yīng)力云圖

由圖16可知，模板在翻轉(zhuǎn)初始狀態(tài)下最大應(yīng)力為26.334 MPa，小于材料許用應(yīng)215 MPa，其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(3) 通過(guò)計(jì)算，模板被翻轉(zhuǎn)豎直后，直接通過(guò)吊機(jī)吊至澆筑臺(tái)座上，此過(guò)程中，模板頂部翻轉(zhuǎn)吊架需承受整個(gè)模板和鋼筋籠的重力作用，計(jì)算結(jié)果如圖17所示。

圖17 吊起豎直狀態(tài)應(yīng)力云圖

由圖17可知，模板在吊起狀態(tài)最大應(yīng)力為 34.271 MPa；最大應(yīng)力出現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)吊架上，其值為34.271 MPa，小于材料許用應(yīng)力215 MPa，其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前裝配式橋梁領(lǐng)域?qū)τ陬A(yù)制墩柱的翻身工裝設(shè)備主要有翻轉(zhuǎn)架和翻轉(zhuǎn)槽兩類，本文介紹的帶有液壓千斤頂和緩震裝置的翻轉(zhuǎn)臺(tái)座，有益效果如下：

(1) 可以更好地保證墩柱的質(zhì)量，有效避免墩柱傾覆和構(gòu)件邊角的損傷。

(2) 通對(duì)翻轉(zhuǎn)臺(tái)座受力后的穩(wěn)定性分析，得到相關(guān)有限元模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該翻轉(zhuǎn)臺(tái)座的穩(wěn)定性。

(3) 采用結(jié)構(gòu)自身特性設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮材料的特性，減輕結(jié)構(gòu)自身重量，輕便靈活，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著，可以在一定區(qū)域內(nèi)推廣使用。