跨河橋梁浮式龍門吊主橫梁強(qiáng)度計(jì)算研究

趙俊達(dá) 程志友 衛(wèi)澤亮 黃榮超

摘 要：以某跨河橋梁浮式龍門吊為對象，在極值工況下運(yùn)用力學(xué)理論計(jì)算方法對其主橫梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，再利用ANSYS Workbench軟件創(chuàng)建主橫梁有限元模型，對其進(jìn)行強(qiáng)度仿真計(jì)算。研究結(jié)果表明：兩種方式計(jì)算結(jié)果對比，主橫梁所受最大應(yīng)力偏差為0.07%，最大位移偏差為5.83%，最大剪力偏差為0.107%，最大彎矩偏差約為0，偏差相對較小，故有限元分析法可以為浮式龍門吊的整體設(shè)計(jì)提供基本依據(jù)。

關(guān)鍵詞：浮式龍門吊;極值工況;主橫梁;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;有限元

中圖分類號：TH123+.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0093-03

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，浮式龍門吊的需求迅猛增加，對這一方面的研究也逐步增多。申?duì)D[1]等利用ANSYS軟件對浮式起重機(jī)橫梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高結(jié)構(gòu)性能;馬晨旭[2]等基于ANSYS對浮式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)在不同傾斜角度和加載力下的情況進(jìn)行仿真計(jì)算以得出最佳設(shè)計(jì)方案;Gerdemeli[3]等研究浮式龍門吊不同荷載組合情況下的數(shù)值計(jì)算方法，比較了各方法的優(yōu)缺點(diǎn);鄭惠強(qiáng)等[4]在多因素影響下，使用有限元方法對主、副鉤聯(lián)動(dòng)作業(yè)的巨型浮式起重機(jī)進(jìn)行了完整的設(shè)計(jì)分析。

1 工程概況

本文研究的跨河橋梁浮式龍門吊采用小浮箱組拼結(jié)合雙縱橫梁龍門吊的形式，主要由基座平臺（浮箱、浮箱分配梁、連系梁）、立柱、龍門吊（梁臂）、天車等組成[5]。以某工程實(shí)例中的一座跨河橋梁浮式龍門吊為例，設(shè)計(jì)最大起重量為60t，起吊高度25m。浮式龍門吊主橫梁選用空心矩形截面，材料采用Q345B鋼。龍門吊所受主要荷載分為：起吊重物，天車及電器電線，橫梁的自重均布荷載等[6-7]。

本文中浮式龍門吊具體布置見圖1，其主橫梁截面見圖2。選用的材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。該浮式龍門吊主橫梁相關(guān)理論計(jì)算按簡支梁形式作受力分析計(jì)算[8]。

2 浮式龍門吊主橫梁強(qiáng)度理論計(jì)算

2.1 正應(yīng)力強(qiáng)度校核

2.1.1起吊重物時(shí)橫梁承受的最大彎矩

（1）

其中為橫梁自重均布荷載，為橫梁跨距，P為起吊重物和天車及電器電線的合力，為吊點(diǎn)到支點(diǎn)距離。

由（1）得，最大彎矩

2.1.2抗彎截面系數(shù)

（2）

則最大彎曲正應(yīng)力

根據(jù)以上計(jì)算，能夠滿足抗彎要求。

2.2切應(yīng)力強(qiáng)度校核

起吊重物時(shí)橫梁承受的最大剪力

橫梁最大彎曲切應(yīng)力

根據(jù)以上計(jì)算，能夠滿足抗剪要求。

2.3剛度校核

起吊重物時(shí)橫梁最大撓度

（3） ? ? ? ? 由公式（3）得

根據(jù)以上計(jì)算，能夠滿足剛度要求。

3浮式龍門吊主橫梁有限元計(jì)算

3.1有限元模型建立

本文采用ANSYS Workbench的梁單元，對浮式龍門吊橫梁進(jìn)行有限元分析[9，10]，步驟如下：

（1）在Static Structural模塊中定義材料Q235B鋼，在DM模塊創(chuàng)建橫梁的有限元模型。

（2）對已創(chuàng)建好的橫梁有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格精度為100mm，在受力集中的地方做進(jìn)一步的局部優(yōu)化[10]，結(jié)果如圖3所示。

（3）施加邊界條件。選取橫梁的最左端，施加簡支約束，限制三個(gè)平動(dòng)自由度，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;最右端施加一個(gè)可沿軸向移動(dòng)的約束;在整段梁上加載均布荷載;在橫梁中點(diǎn)處加載一個(gè)集中力，如圖4所示。

（4）計(jì)算結(jié)果。圖5中分別為橫梁受力的彎矩剪力圖以及撓曲線。

由圖5可知，橫梁所受剪力最大值出現(xiàn)在兩端支點(diǎn)，最大值取5.601e5N，離中點(diǎn)越近剪力越小，最小值為4.413e5N;橫梁所受彎矩最大值出現(xiàn)在跨中，最大值取5.007e6N·m，越向兩端延伸彎矩越小，近似為0。

圖6中橫梁位移最大值出現(xiàn)在跨中，最大值取0.022322m，小于橫梁的許用撓度0.04m，故橫梁變形在允許范圍內(nèi)。

圖7中橫梁所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中，為127.91MPa，未超過橫梁許用應(yīng)力170MPa，從中間到兩端逐漸減小，最小近似為0。故該工況下橫梁最容易在此處出現(xiàn)斷裂，即危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在跨中。

3.2 結(jié)果對比分析

（1）浮式龍門吊主橫梁選用的材料Q235B滿足設(shè)計(jì)要求;

（2）理論計(jì)算與有限元仿真得到的強(qiáng)度、剛度和位移等結(jié)果對比顯示，最大剪力偏差為0.107%，最大彎矩偏差近似為0，最大應(yīng)力偏差為0.07%，最大位移偏差為5.83%，偏差較小，故有限元分析法可以為浮式龍門吊的整體設(shè)計(jì)提供可靠參考。

4結(jié)語

本文運(yùn)用理論計(jì)算和有限元軟件仿真對跨河橋梁浮式龍門吊主橫梁強(qiáng)度進(jìn)行分析，為類似設(shè)計(jì)的強(qiáng)度計(jì)算提供了參考。主要結(jié)論有：

（1）龍門吊主橫梁危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在跨中位置，最大剪力發(fā)生在兩端支點(diǎn)處;最大彎矩發(fā)生在跨中處;最大應(yīng)力發(fā)生在跨中處;最大位移發(fā)生在跨中處。

（2）浮式龍門吊在起吊重物時(shí)，通過理論計(jì)算和Ansys workbench仿真的結(jié)果幾乎一致，滿足強(qiáng)度條件，驗(yàn)證了結(jié)果的正確性和整體設(shè)計(jì)的可行性;

（3）理論計(jì)算對參數(shù)要求相對保守，結(jié)構(gòu)余量較大。有限元仿真可根據(jù)需要建立較真實(shí)的模型，對結(jié)構(gòu)的計(jì)算更接近真實(shí)情況，更容易獲得結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力應(yīng)變情況。

參考文獻(xiàn)：

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