主跨248m掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)精細(xì)化仿真分析與試驗(yàn)研究

付勝利

摘要：為完善大跨度橋梁懸臂施工用掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)分析方法，建立一種適用于掛籃細(xì)部的精細(xì)化分析方法。根據(jù)材料試驗(yàn)得到塑性本構(gòu)關(guān)系曲線，采用ABAQUS軟件，將吊帶、銷座、下橫梁底加強(qiáng)鋼板、槽鋼腹板與翼緣加強(qiáng)鋼板、銷軸及雙螺母等均進(jìn)行實(shí)體建模，建立相接觸部分的接觸屬性，并選擇匹配的單元類型。通過吊帶及銷軸連接件加載試驗(yàn)，驗(yàn)證精細(xì)化仿真分析方法的有效性。將該方法用于掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)的仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對掛籃的細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化，將滿足規(guī)范要求的掛籃細(xì)部結(jié)構(gòu)用于實(shí)際工程。工程實(shí)踐結(jié)果表明，優(yōu)化后的掛籃結(jié)構(gòu)安全可靠。

關(guān)鍵詞：掛籃施工；精細(xì)化仿真方法；吊帶節(jié)點(diǎn)；試驗(yàn)驗(yàn)證；優(yōu)化設(shè)計

0? ?引言

掛籃主要由主桁架、錨固、懸吊、行走、模板及作業(yè)平臺等系統(tǒng)組成[1]。各組成部分中吊帶工作應(yīng)力水平較高，對掛籃整體剛度的影響較大[2]，吊帶及其節(jié)點(diǎn)連接的可靠性對掛籃系統(tǒng)的安全性和整體變形起關(guān)鍵作用[3]。因此，對大跨度掛籃的吊帶及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真分析與應(yīng)用研究以保證其具有足夠的的強(qiáng)度與剛度，具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外大量學(xué)者對掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究。方小林等[4]針對新型掛籃，運(yùn)用Midas有限元軟件分析研究了各主要承重構(gòu)件的最不利工況及受力特征，并對吊帶、弧形框架橫向聯(lián)系構(gòu)件采用桁架單元模擬。李洪坤等[5]基于Midas/Civil驗(yàn)算掛籃的強(qiáng)度和變形結(jié)構(gòu)，采用在吊帶上加載翼緣和側(cè)模荷載的方式研究吊帶受力。靳會武等[6]依據(jù)規(guī)范對大橋超寬橋面工程以及掛籃施工過程各種荷載進(jìn)行了分析，對掛籃方案在各種荷載作用下的響應(yīng)，采用有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行仿真分析，找出掛籃結(jié)構(gòu)受力較大或者變形較大對應(yīng)位置和相應(yīng)荷載組合，以計算結(jié)果為依據(jù)優(yōu)化掛籃方案。張清川[7]使用MIDAS/Civil軟件對菱形掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真分析，模擬掛籃承受梁段荷載時各構(gòu)件的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)應(yīng)力，由軟件計算吊帶承受的拉力和變形。李煒東[8]通過MADIS建模并對掛籃進(jìn)行受力分析，通過對三角掛籃底籃各部件的受力情況進(jìn)行分析，獲得對吊桿最不利的受力情況。方淑君等[9]基于Midas Civil軟件平臺，采用數(shù)值分析方法對三角形掛籃和菱形掛籃進(jìn)行有限元計算，對比分析了兩種掛籃的剛度、強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。

目前的研究大多針對掛籃結(jié)構(gòu)利用Midas軟件進(jìn)行整體計算，尚未發(fā)現(xiàn)對吊帶及其節(jié)點(diǎn)等細(xì)部進(jìn)行的精細(xì)化分析與試驗(yàn)研究的文獻(xiàn)。若能建立有效的掛籃細(xì)部的精細(xì)化分析方法，必將對懸臂施工用掛籃的安全性分析與優(yōu)化設(shè)計等工作有重大作用。

基于此，本文進(jìn)行掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化仿真方法研究，建立了一套適用于掛籃細(xì)部的精細(xì)化分析方法。以淮北至宿州至蚌埠城際鐵路淮河特大橋跨淮河矮塔斜拉（124+248+124）m懸臂施工為工程背景，對懸臂施工用掛籃的吊帶及其銷軸連接件進(jìn)行精細(xì)化建模與分析，并通過吊帶試驗(yàn)對仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。利用驗(yàn)證后的仿真分析方法，對掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化分析與優(yōu)化設(shè)計，并將優(yōu)化后的掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)用于實(shí)際應(yīng)用。

1? ?工程概況

淮河特大橋（124+248+124）m矮塔斜拉橋，起訖樁號為DK156+431.58～156+929.08，橋梁全長497.5m。采用塔梁固結(jié)體系，主塔最高47.1m，主墩橋墩高27.5m、28m；主橋橋面總寬度14.3m。斜拉橋主梁采用掛籃懸臂現(xiàn)澆的方式進(jìn)行施工，掛籃系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

主桁架為菱形，橫橋向每側(cè)腹板放置菱形主桁架一片，共3片主桁架，間距5.3m。吊帶及銷座材料均采用Q345B（16Mn）鋼材，吊帶截面尺寸160mm×36mm；銷座采用雙拼[22b槽鋼，并采用16mm腹板加勁肋進(jìn)行加強(qiáng)，采用12mm厚鋼板加強(qiáng)翼緣。每個銷座均采用3個銷軸進(jìn)行連接，其中1個對吊帶進(jìn)行連接，銷孔直徑54mm，銷軸直徑50mm，采專用雙螺母，銷軸及螺母采用40Cr鋼材。吊帶及銷座結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2? ?精細(xì)化仿真分析方法與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1? ?仿真分析方法

采用ABAQUS軟件，對吊帶連接及扁擔(dān)梁進(jìn)行精細(xì)化建模分析。將吊帶、銷座、下橫梁底加強(qiáng)鋼板、槽鋼腹板與翼緣加強(qiáng)鋼板、銷軸及雙螺母等均進(jìn)行實(shí)體建模，并建立相接觸部分的相互作用。

鋼材牌號為Q345B鋼材，采用理想彈塑性模型，彈性模量按E_s1=2.06×10⁵MPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度按345MPa計算，根據(jù)材料試驗(yàn)得到塑性本構(gòu)關(guān)系曲線如圖3所示。鋼材構(gòu)件均采用三維8節(jié)點(diǎn)縮減積分單元（C3D8R），單元尺度100mm。接觸構(gòu)件之間采用接觸方式，法向采用硬接觸。

2.2? ?吊帶及銷軸連接件仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真分析方法的有效性，特進(jìn)行吊帶及銷軸連接件仿真與加載試驗(yàn)。研究對象為4塊耳板（截面尺寸同初次設(shè)計時吊帶截面160mm×36mm，長度均為50cm）與兩根貝雷銷（銷孔直徑54mm，銷軸直徑50mm）組裝而成的連接件。共進(jìn)行3組連接件軸拉試驗(yàn)，采用200t拉力機(jī)。連接件軸拉加載試驗(yàn)如圖4。

對3組連接件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，第1組與第2組連接件試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，第3組連接件試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第1組加載至1600kN時終止試驗(yàn)，貝雷銷出現(xiàn)明顯彎曲變形，最大變形值為19.9mm，未發(fā)生剪切破壞；耳板銷孔發(fā)生明顯變形，最大變形值為26.9mm。

第2組加載至1600kN時終止試驗(yàn)，貝雷銷出現(xiàn)明顯彎曲變形，最大變形值為20.1mm，未發(fā)生剪切破壞；耳板銷孔發(fā)生明顯變形，最大變形值為26.5mm。

第3組加載至1579kN時，貝雷銷突然出現(xiàn)剪切破壞，試驗(yàn)終止，耳板銷孔發(fā)生明顯變形，最大變形值為25.1mm。

不考慮第3組的異常情況，取第1和第2組結(jié)果的平均值，耳板銷孔最大平均變形值為26.7mm，貝雷銷最大平均變形值為20.0mm。

仿真分析加載到160t時，耳板及貝雷銷變形結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，耳板銷孔發(fā)生明顯變形，最大變形值為26.7mm，與試驗(yàn)最大平均值相等。貝雷銷出現(xiàn)明顯彎曲變形，最大變形值為19.8mm，與試驗(yàn)最大平均值相差0.2mm，誤差僅為1%。

試驗(yàn)與仿真分析的荷載-變形曲線如圖8所示。由圖8可知，仿真分析與試驗(yàn)的荷載-變形曲線比較吻合，最大誤差僅為1.5%。綜上所述，本文所建立的掛籃細(xì)部的精細(xì)化分析方法是有效的。

3? ?掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)仿真分析

按所建立的細(xì)部仿真分析方法，建立掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化模型，如圖9所示。對掛籃進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計算，得到吊帶所受軸力為792.9kN，將其施加在吊帶端部，進(jìn)行計算分析。

3.1? ?初次設(shè)計時吊帶及銷軸的仿真結(jié)果

初次設(shè)計時，仿真分析在計算工況下吊帶的Mises應(yīng)力及剪應(yīng)力如圖10所示。由圖10可知，吊帶最大Mises應(yīng)力為307.3MPa，＞?（295MPa），不滿足要求。吊帶的最大剪切應(yīng)力為95.92MPa，＜?_v（170MPa），滿足要求。

此時銷軸的Mises應(yīng)力及剪應(yīng)力如圖11所示。由圖11可知，銷軸最大Mises應(yīng)力為401.3MPa，＜?_t^b（500MPa），滿足要求。銷軸的最大剪切應(yīng)力為196.3MPa，＜?_v^b（310MPa），滿足要求。

由此說明，原設(shè)計的吊帶與雙拼[22b槽鋼不滿足安全性要求。為此對原設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行仿真分析。

3.2? ?優(yōu)化設(shè)計后仿真分析結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計后，吊帶及銷座材料均采用Q345B（16Mn）鋼材，吊帶截面尺寸180mm×40mm。銷座采用雙拼[25b槽鋼，并采用16mm腹板加勁肋進(jìn)行加強(qiáng)。采用12mm厚鋼板加強(qiáng)翼緣。每個銷座均采用3個銷軸進(jìn)行連接，其中1個對吊帶進(jìn)行連接，銷孔直徑為63mm，銷軸直徑為60mm。采用專用雙螺母，螺母尺寸相應(yīng)增大，銷軸及螺母采用40Cr鋼材。吊帶及銷座結(jié)構(gòu)如圖12所示。

按細(xì)部仿真分析方法，建立優(yōu)化后掛籃的精細(xì)化仿真分析模型，并對吊帶、雙拼[25b槽鋼、下橫梁底加強(qiáng)鋼板、槽鋼腹板加強(qiáng)鋼板、槽鋼翼緣加強(qiáng)鋼板、銷軸及雙螺母進(jìn)行分析。

計算工況下，吊帶的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖13所示。由圖13可知，吊帶最大Mises應(yīng)力為243.8MPa，＜?（295MPa），滿足要求。吊帶的最大剪切應(yīng)力為76.36MPa，＜?_v（170MPa），滿足要求。

計算工況下，雙拼[25b槽鋼的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖14所示。由圖14可知，雙拼[25b槽鋼最大Mises應(yīng)力為245.8MPa，＜?（305MPa），滿足要求。雙拼[25b槽鋼的最大剪切應(yīng)力為116.6MPa，＜?_v（175MPa），滿足要求。

計算工況下，下橫梁底加強(qiáng)鋼板的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖15所示。由圖15可知，下橫梁底加強(qiáng)鋼板最大Mises應(yīng)力為65.50MPa，＜?（305MPa），滿足要求。下橫梁底加強(qiáng)鋼板的最大剪切應(yīng)力為10.04MPa，＜?_v（175MPa），滿足要求。

計算工況下，槽鋼腹板加強(qiáng)鋼板的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖16所示。由圖16可知，槽鋼腹板加強(qiáng)鋼板最大Mises應(yīng)力為101.8MPa，＜?（305MPa），滿足要求。槽鋼腹板加強(qiáng)鋼板的最大剪切應(yīng)力為45.92MPa，＜?_v（175MPa），滿足要求。

計算工況下，槽鋼翼緣加強(qiáng)鋼板的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖17所示。由圖17可知，槽鋼翼緣加強(qiáng)鋼板最大Mises應(yīng)力為100.6MPa，＜?（305MPa），滿足要求。槽鋼翼緣加強(qiáng)鋼板的最大剪切應(yīng)力為14.64MPa，＜?_v （175MPa），滿足要求。

計算工況下，銷軸的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖18所示。由圖18可知，銷軸最大Mises應(yīng)力為300.8MPa，＜?_t^b（500MPa），滿足要求。銷軸的最大剪切應(yīng)力為142.3MPa，＜?_v^b（310MPa），滿足要求。

計算工況下，雙螺母的Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力如圖19所示。由圖19可知，雙螺母最大Mises應(yīng)力為51.30MPa，＜?_t^b（500MPa），滿足要求。雙螺母的最大剪切應(yīng)力為24.52MPa，＜?_v^b（310MPa），滿足要求。

綜上所述，吊帶、雙拼[22b槽鋼、下橫梁底加強(qiáng)鋼板、槽鋼腹板與翼緣加強(qiáng)鋼板、銷軸及雙螺母等均滿足求。

4? ?結(jié)束語

為完善大跨度橋梁懸臂施工用掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)分析方法，本文建立一種適用于掛籃細(xì)部的精細(xì)化分析方法。將該方法用于掛籃吊帶及其節(jié)點(diǎn)的仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對掛籃的細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化，將滿足規(guī)范要求的掛籃細(xì)部結(jié)構(gòu)用于實(shí)際工程。得到的結(jié)論如下：

懸臂施工用掛籃的細(xì)部安全性非常重要，應(yīng)用之前需要進(jìn)行細(xì)部精細(xì)化分析，以保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的要求。對掛籃細(xì)部精細(xì)化分析，需要根據(jù)材料試驗(yàn)得到其塑性本構(gòu)關(guān)系曲線。對各構(gòu)件進(jìn)行實(shí)體建模，建立相接觸部分的接觸屬性，并選擇匹配的單元類型。接觸構(gòu)件之間采用接觸方式，法向采用硬接觸。取部分構(gòu)件采取仿真分析方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，方法有效性經(jīng)過驗(yàn)證之后，方可對掛籃細(xì)部進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化設(shè)計。工程應(yīng)用表明，利用本文方法分析的掛籃細(xì)部結(jié)構(gòu)在施工過程中安全可靠。

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