斜拉橋橋梁外桁架檢查車力學(xué)性能研究

李快快，陳 東，沈萬玉

（1.安徽建筑大學(xué) 研究生院，安徽 合肥 230601；2.安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

橋梁是連接著城市交通的紐帶。為了提高橋梁的安全性、穩(wěn)定性和耐久性，延長橋梁的使用壽命，應(yīng)該對橋梁進(jìn)行全方位的定期檢查和維護(hù)，而橋梁檢查車是必不可少的檢測設(shè)備。目前很多學(xué)者對橋梁檢查車進(jìn)行了大量研究，衡亞霖［1］研究了檢查車的抗風(fēng)性能，和麗梅［2］研究了桁架式高性能的檢查車的結(jié)構(gòu)，鄧巧利［3］通過有限元分析計(jì)算研究了組合梁梁外檢查車的一些不足。本文在同時考慮安全性和效率情況下對一種鋁合金方管外桁架檢查車進(jìn)行研究，研究其在工程荷載作用下，支座反力、節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力比等是否滿足要求。

1 工程概況

該橋梁為位于安徽某地的特大橋，采用斜跨拱方案設(shè)計(jì)，大橋全長為726 m，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，橋梁標(biāo)準(zhǔn)段寬度約為49.7 m，采用城-A級標(biāo)準(zhǔn)作為荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。梁外共有兩臺檢查車，兩臺檢查車沿主梁中心線對稱布置。檢查車主要由主體桁架、爬籠、龍門架、軌道系統(tǒng)組成，其中主體桁架長為26.8 m（半跨），寬為2 m，高為1.68 m，跨度為14.5 m，整體采用材質(zhì)為6061-T6的鋁合金方管，其中：上下弦桿和底部中間縱桿采用80 mm×80 mm×5 mm的方管，其他桿件均采用50 mm×50 mm×5 mm的方管。根據(jù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式，梁外檢查車采用懸掛式吊車方案，即驅(qū)動機(jī)通過鋼輪倒置于工字鋼軌道上，桁架梁與驅(qū)動機(jī)通過龍門架連接在一起，在電機(jī)的驅(qū)動下運(yùn)行。維修人員可通過檢查車端部進(jìn)入檢查車，進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。不使用時驅(qū)動裝置將檢查車停靠于索塔或過渡墩旁，使用手動制動系統(tǒng)進(jìn)行制動。臨時停靠時采用專業(yè)工具使檢查車與軌道固定，避免滑移。

2 基于SAP2000的有限元模型分析

2.1 建立有限元模型

有限元模型的建立是否與實(shí)際工程相吻合，將直接關(guān)系到后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。該鋁合金方管外桁架檢查車采用桁架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件多、連接節(jié)點(diǎn)多。為了簡化模型，在運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行三維建模時將不同屬性的桿件進(jìn)行分圖層建立，模型建好后導(dǎo)出并保存為dxf格式文件，再將dxf文件導(dǎo)入SAP2000軟件中，并按照實(shí)際情況對各桿件進(jìn)行定義，完成桁架結(jié)構(gòu)的有限元模型的建立。所建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 桁架有限元模型

2.2 荷載施加

檢查車結(jié)構(gòu)屬于桁架結(jié)構(gòu)，各桿件截面形心軸線將匯交于節(jié)點(diǎn)處，計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力時按照鉸接約束進(jìn)行計(jì)算［4］。為了驗(yàn)證該檢查車的安全性和穩(wěn)定性，只需研究檢查車在實(shí)際工作中最不利荷載作用下的力學(xué)性能［5］。荷載作用的最不利工況分為2種：工況一為恒荷載、活荷載（爬籠作用在懸臂端部）、風(fēng)荷載；工況二為恒荷載、活荷載（爬籠作用在跨中位置）、風(fēng)荷載。

（1）恒荷載：指桁架本身的自重為20.52 kN。

（2）活荷載：分別指施工人員及焊接或噴漆設(shè)備重量和爬籠重量。

（3）風(fēng)荷載：依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，檢查車工作時受到最大風(fēng)速為6級（12 m/s），桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載Pw為

式中，C為風(fēng)力系數(shù)，Kh為風(fēng)力高度變化系數(shù)，q為計(jì)算風(fēng)壓，A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的理論迎風(fēng)面積。

依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》直邊型杠桁架結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)C=1.7，橋面距離河面高度64.93 m，因此Kh取1.75。桁架截面間隔比桁架的充實(shí)率φ=各桿實(shí)際輪廊面積/結(jié)構(gòu)輪廓面積=0.24,參考規(guī)范表，擋風(fēng)折減系數(shù)η=0.664，在正常工作狀態(tài)下，桁架結(jié)構(gòu)的總迎風(fēng)面積為

式中，A1為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的實(shí)際迎風(fēng)面積。因此桁架所受風(fēng)荷載為Pw=8023.6 N。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 支座節(jié)點(diǎn)處的受力計(jì)算結(jié)果及分析

為了便于運(yùn)輸安裝，檢查車桁架分成兩截制作，連接處采用不銹鋼螺栓連接，檢查車采用懸掛式吊車方案。為保證檢查車安全運(yùn)行需要檢查龍門架的承載能力和連接處的螺栓強(qiáng)度［6］，因此，需要計(jì)算支座處的受力。本文運(yùn)用SAP2000軟件將荷載分別按照實(shí)際情況進(jìn)行定義，計(jì)算出支座處的內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2和圖3知，支座節(jié)點(diǎn)處的最大內(nèi)力均位于豎直方向（F3）上，在工況一條件下支座節(jié)點(diǎn)處的最大內(nèi)力為23.297 kN，在工況二條件下支座處的最大內(nèi)力為18.465 kN。在這兩種工況條件下支座處的最大內(nèi)力均小于此處螺栓（M16）的應(yīng)力設(shè)計(jì)值，滿足龍門架的設(shè)計(jì)承載能力（龍門架承載能力設(shè)計(jì)值為95.28 kN），所以檢查車支座處連接牢固，滿足強(qiáng)度要求。

在1 000 mL的燒杯中，將陽極泥尾礦加水配制成10%～30%濃度的溶液，按試驗(yàn)要求依次加入一定量的氯酸鈉、氯化鈉、硫酸，將燒杯放入水浴鍋中，調(diào)節(jié)溫度70～90℃，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后開始試驗(yàn)。在本試驗(yàn)中，影響氯化浸金的主要因素包括礦漿濃度、氯酸鈉的用量、氯化鈉的用量、硫酸的用量、浸出溫度、浸出時間等方面。為了確定最佳的浸出條件，本文將對以上六大實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化，工藝流程如圖4所示。

圖2 工況一條件下的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力

圖3 工況二條件下的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力

2.3.2 節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果及分析

為研究方便將檢查車在實(shí)際工作時的受力模型簡化為帶有懸臂端的簡支梁模型。采用SAP2000有限元軟件分析各節(jié)點(diǎn)的位移，當(dāng)活荷載作用在懸臂端或跨中位置時，計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4和圖5知，在工況一和工況二兩種工況條件下桁架最大位移均在豎直方向（U3）上，在工況一條件下桁架最大位移為31.24 mm，在工況二條件下桁架最大位移為16.23 mm，桁架在這兩種工況下的最大位移均小于最大位移的設(shè)計(jì)值213.75 mm，符合設(shè)計(jì)要求。2.3.3檢查車桁架桿件的軸力與應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果及分析

圖4 工況一條件下的節(jié)點(diǎn)位移云圖及最大位移數(shù)據(jù)

圖5 工況二條件下的節(jié)點(diǎn)位移云圖及最大位移數(shù)據(jù)

為了確保桁架在實(shí)際工作中的正常使用，桁架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)符合要求，因此，需要計(jì)算桁架桿件的軸力和應(yīng)力比，本文通過SAP2000軟件模擬計(jì)算桁架桿件的軸力和應(yīng)力比，計(jì)算結(jié)果如圖6～9所示。由圖6和圖7知，在工況一條件下的最大應(yīng)力比為0.546，最大軸力為46.198 kN；由圖8和圖9知，工況二條件下的最大應(yīng)力比為0.446，最大軸力為25.574 kN。兩種工況條件下的應(yīng)力比均符合設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)應(yīng)力比為0.65，設(shè)計(jì)軸力為40 kN），兩種工況條件下的軸力也均低于6061-Ti鋁合金方管所能承受的最大軸力，所以在實(shí)際工作狀態(tài)下檢查車桁架是安全穩(wěn)定的，各桿件連接牢固，滿足工程要求。

圖6 工況一條件下的應(yīng)力比云圖及應(yīng)力比數(shù)據(jù)

圖7 工況一條件下的軸力數(shù)據(jù)

圖8 工況二條件下的應(yīng)力比云圖及應(yīng)力比數(shù)據(jù)

圖9 工況二條件下的軸力數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

應(yīng)用SAP2000有限元分析軟件對一種斜拉橋鋼箱梁梁外檢查車的承載情況進(jìn)行分析研究，得到如下結(jié)論。

1）該桁架在正常工作狀態(tài)下的支座處最大支反力是23.297 kN,滿足支撐強(qiáng)度要求，支座連接處的性能穩(wěn)定可靠，符合設(shè)計(jì)要求。

2）該桁架在正常工作狀態(tài)下最大節(jié)點(diǎn)位移符合設(shè)計(jì)要求。

3）該桁架在正常工作狀態(tài)下的最大應(yīng)力比為0.546，所受最大軸力為46.198 kN，滿足該檢查車的使用要求。參考文獻(xiàn)：

［1］ 衡亞霖.自行走懸索橋主纜檢修車研究與設(shè)計(jì)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2016：1-20.

［2］ 鄧巧利.港珠澳大橋組合梁梁外檢查車研究與應(yīng)用［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2018：18-25.

［3］ 和麗梅.桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.西安：長安大學(xué)，2008：20-47.

［4］ 張啟貴，謝后生.鐵路鋼梁橋檢查車三維有限元分析［J］.建筑機(jī)械，2005（9）：61-63.

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［6］ 李峰，尹婷婷.新型鋁合金方管檢查車的力學(xué)性能研究［J］.赤 峰 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)（自 然 科 學(xué) 版），2019，35（4）：114-116.