徐格寧,焦國敏,顧紅澤,辛運勝

(1.太原科技大學 機械工程學院,太原 030024; 2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心,太原 030024)

架橋機是一種將預(yù)制梁片架設(shè)到預(yù)制橋墩上的大型起重設(shè)備.新規(guī)劃的鐵路線路將經(jīng)過大量橋梁和隧道路段,架橋機需要經(jīng)過隧道進出口架梁.隧道的設(shè)計要求為250 km/h和350 km/h斷面,現(xiàn)根據(jù)要求設(shè)計新型架橋機金屬結(jié)構(gòu).新梁片主要參數(shù)為長40 m、寬12.6 m、高3.2 m、質(zhì)量950 t.通過對現(xiàn)有鐵路、公路架橋機金屬結(jié)構(gòu)主要機型分析研究[1-2],提出一種新型運架一體式架橋機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計方案.采用大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS對主梁鋼結(jié)構(gòu)進行靜力學有限元仿真分析,并與結(jié)構(gòu)理論方法計算結(jié)果進行比對分析,相互驗證.

1 新型運架一體式架橋機金屬結(jié)構(gòu)

新型運架一體式架橋機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 新型運架一體式架橋機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The main technical parameters of the new rack integrated bridge machine

新型運架一體式架橋機主要結(jié)構(gòu)包括主梁、前車、后車、主支腿、輔支腿、吊梁天車等(見圖1),通過隧道進出口斷面(見圖2).該機型主梁采用上、下導(dǎo)梁拴結(jié)而成,前半段的下導(dǎo)梁加勁肋在導(dǎo)梁外側(cè),主支腿可以在下導(dǎo)梁前段通過定扭矩馬達驅(qū)動車輪組沿軌道行走.主支腿通過馬達驅(qū)動液壓缸垂直升降,為防止整機傾覆,主支腿設(shè)置前后反滾輪,相比現(xiàn)有運架一起式架橋機[3]在架梁作業(yè)流程上操作更加簡潔和經(jīng)濟.

圖1 運架一體式架橋機金屬結(jié)構(gòu)Fig.1 Carriage integrated bridge machine metal structure

新型運架一體式架橋機架梁流程(見圖3):① 運梁至梁片末端,主支腿就位橋墩上方;② 主支腿支撐,前車懸空;③ 主梁前移,輔支腿到達梁片末端;④ 輔支腿支撐,前車懸空;⑤ 主支腿前移,主支腿行走到橋墩上方;⑥ 主支腿支撐,輔支腿懸空;⑦ 主梁繼前移,梁片就位,落梁.

圖2 運架一體式架橋機進出隧道口斷面Fig.2 Carriage one bridge machine out of the tunnel cross-section

圖3 運架一體式架橋機架梁流程圖Fig.3 Framed one-way bridge rack frame flow chart

2 主梁結(jié)構(gòu)理論靜態(tài)分析

主梁靜態(tài)分析結(jié)構(gòu)理論計算采用許用應(yīng)力法.許用應(yīng)力法是載荷在結(jié)構(gòu)及連接接頭中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形,不超出在結(jié)構(gòu)及連接接頭的承載能力的設(shè)計方法[4].其典型流程如圖4所示.

圖4 許用應(yīng)力設(shè)計法的典型流程圖Fig.4 A typical flow chart of permissible stress design method

架橋機在整個架梁周期中,提取最危險工況:① 大跨度工況;② 大懸臂工況.由大跨度工況至大懸臂工況是架梁流程中的第⑥步到第⑦步,這一過程中架橋機主梁下蓋板最大拉應(yīng)力、跨中最大撓度和前端最大撓度都出現(xiàn)在此過程中.架橋機主梁在前移的過程中,以每5 m為一個工位計算對應(yīng)架橋機主梁下蓋板最大拉應(yīng)力、主梁簡支段最大撓度和架橋機前懸臂最大撓度3項指標,并對其計算結(jié)果統(tǒng)計(見圖5～圖7).

圖5 架橋機主梁下蓋板最大拉應(yīng)力與位移關(guān)系Fig.5 The relationship between the maximum tensile stress and displacement of the underlaying girder of bridge girder

圖6 架橋機主梁簡支段最大撓度與位移關(guān)系Fig.6 The maximum deflection and displacement relationship between the main beam and the main beam of bridge

圖7 架橋機主梁前懸臂撓度與位移關(guān)系Fig.7 Relationship between deflection and displacement of front cantilever of erecting machine

由圖5可知:隨著架橋機主梁前移,主梁下蓋板拉應(yīng)力從247 MPa先減小到194 MPa,然后增大227 MPa;在架橋機位移為0時即大跨度工況,架橋機主梁下蓋板拉應(yīng)力達到最大值247 MPa.

由圖6可知:隨著架橋機主梁前移,主梁簡支段撓度從263.6 mm下降到20.4 mm;在架橋機位移為0時即大跨度工況,主梁簡支段撓度達到最大263.6 mm.

由圖7可知:隨著架橋機主梁前移,主梁前懸臂撓度從原來的上翹64.0 mm增加到177.8 mm,然后逐漸下降到水平位置,直至下降到88.6 mm;在架橋機位移為41.5 m時即大懸臂工況,架橋機主梁前懸臂撓度達到最大值88.6 mm.

3 金屬結(jié)構(gòu)主梁有限元靜態(tài)分析

主梁是架橋機金屬結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,其質(zhì)量占整機的60%左右.通過結(jié)構(gòu)理論計算與靜力學有限元仿真[5-7],驗證兩者結(jié)果的正確性與合理性.主梁能否承受額定負載,結(jié)構(gòu)強度能否達到材料許用值要求,剛度是否在許用值范圍內(nèi).

3.1 幾何模型建立及參數(shù)

架橋機主梁由上、下兩個導(dǎo)梁栓接而成,其前、后段截面尺寸如圖8和圖9所示.基于有限元大型結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS應(yīng)用APDL語言對運架一體式架橋機金屬結(jié)構(gòu)主梁建立三維幾何模型.其中，彈性模量取2.1×105MPa,密度為7.85×103kg/m3,泊松比為0.3.

圖8 主梁后端截面尺寸Fig.8 Back beam cross section size

圖9 主梁前段截面尺寸Fig.9 Front section of the girder section size

3.2 單元類型與網(wǎng)格劃分

主梁由鋼板焊接而成,其結(jié)構(gòu)必須滿足一定的要求,如徑厚的比值較大、材料特性接近和激勵控制在低頻范圍內(nèi)3個條件.主梁屬于板殼結(jié)構(gòu),因此，模型采用殼單元shell63[8]更符合實際情況.shell63是一個4節(jié)點單元,單元在每個節(jié)點上有6個自由度,分別是沿x,y,z軸方向平動和繞x,y,z軸轉(zhuǎn)動.網(wǎng)格大小為0.05 m,網(wǎng)格類型采用四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格劃分.

3.3 加載與約束

運架一體式架橋機在運架梁一個周期內(nèi),兩個典型的危險工況:① 大跨度工況;② 大懸臂工況.兩個工況的加載與約束受力簡圖和對應(yīng)模型圖如圖10和圖11所示.

圖10 大跨度工況約束與加載Fig.10 Long-span condition constraints and loading

圖11 大懸臂工況約束與加載Fig.11 Large cantilever condition constraints and loading

大跨度工況模型前、后支點約束均是面約束,前支點約束y,z軸方向平動和x,y,z軸方向轉(zhuǎn)動,后支點全約束.除重力外,其余力以線載荷的形式加載在模型對應(yīng)位置腹板上側(cè).

大懸臂工況模型前、后支點約束均是面約束且為全約束,前支點約束在模型對應(yīng)位置腹板側(cè)面,后支點約束在模型對應(yīng)位置下蓋板面.主支腿的重力以面載荷的形式加載,其他力以線載荷的形式加載在模型對應(yīng)位置腹板上側(cè).

3.4 靜態(tài)分析

主梁的靜強度不足,超過了材料的許用強度,會造成局部開裂或斷裂.主梁的靜剛度不足,超過規(guī)定的許用值,會造成局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn).直接影響架橋機整機的安全性、可靠性和有效壽命.通過結(jié)構(gòu)強度和剛度的有限元靜力分析,可以找出危險工況下的應(yīng)力和變形的分布情況，并與許用應(yīng)力法計算做比對.通過有限元分析軟件ANSYS求解結(jié)果,如圖12～圖15所示.

圖12 大跨度工況應(yīng)力云圖Fig.12 Long-span condition stress map

圖13 大跨度工況位移云圖Fig.13 Large-span displacement cloud

圖14 大懸臂工況應(yīng)力云圖Fig.14 Large cantilever condition stress map

圖15 大懸臂工況位移云圖Fig.15 Large cantilever operating condition displacement cloud

從大跨度工況應(yīng)力云圖12中看出：越靠近跨中部位的應(yīng)力越大,在吊梁前吊點位置下蓋板拉應(yīng)力達到最大275 MPa.從大跨度工況位移云圖13中看出：越靠近跨中位置變形越大,主梁吊梁前吊點位置位移變形達到最大249.1 mm.從大懸臂工況應(yīng)力云圖14中看出：位于輔支腿支撐位置附近處應(yīng)力較大,在下蓋板應(yīng)力達到最大255 MPa.從大懸臂工況位移云圖15中看出：越靠近導(dǎo)梁前端變形越大,主梁最前端位置位移變形達到最大95.6 mm.上述兩種工況下的應(yīng)力云圖、位移云圖分布趨勢與結(jié)構(gòu)理論計算結(jié)果吻合.

表2 兩種工況下的計算結(jié)果Tab.2 Calculation results under two conditions

表3 架橋機的靜態(tài)剛性要求Tab.3 Bridge machine static stiffness requirements

4 結(jié)論

(1) 由表1可得出,兩種工況的有限元仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)理論計算結(jié)果比對,誤差均在工程誤差之內(nèi).表明了有限元仿真結(jié)果的有效性和正確性.

(2) 兩種工況的強度和剛度,結(jié)構(gòu)理論計算結(jié)果和有限元仿真的結(jié)果均在許用值范圍內(nèi).驗證了新型運架一體式架橋機金屬結(jié)構(gòu)主梁的合理性.

(3) 從有限元仿真應(yīng)力和變形云圖中可以看出主梁仍有優(yōu)化的空間.