重大件碼頭鋼桁架平臺車有限元分析＊

張緒進 張 祎

（重慶交通大學西南水運工程科學研究所1） 重慶 400016）

（中國地震局地震研究所2） 武漢 430071） （武漢地震工程研究院3） 武漢 430071）

向家壩重大件碼頭所設計的鋼桁架平臺車架體是由縱、橫向工字大梁以及縱向小梁構成的體系，各節段在現場焊接拼裝而成．鋼桁架平臺車主要由車體、車輪、跳板、牽引機構、卷揚機、托繩輥等組成．車長36 m，前高1．13 m，后高3．5 m．車體鋼結構均采用Q345低合金材料，車輪材料為45Mn，滑輪材料為HT200，車體和跳板為全焊接鋼結構．國內外學者對于鋼桁架體系的有限元分析已有較深入的研究［1－4］，而重大件碼頭所用的鋼桁架平臺車因其用途特殊、結構復雜以及受力情況隨采用的卸船工藝不同存在較大差異等，實際工程的設計和強度驗算通常將其荷載進行簡化，從平面問題考慮進行單根主梁的強度驗算．本文為保證鋼桁架平臺車在轉運重大件時的安全以及建造的經濟合理性，進行不同荷載工況下全結構的空間受力分析，并以此為基礎對結構形式進行優化探討．

1 有限元模型

1．1 本構關系

首先確定鋼桁架的比例極限fp、彈性模量E和泊松比μ．對于向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺車所用梁截面為工字型鋼，假設各梁在彈性階段工作．彎曲梁問題的基本方程如下．

式中：κ為梁中面變形后的曲率；M，Q分別為截面上的彎矩和剪力；I為截面抗彎慣矩分別為在端部給定的撓度、轉角、彎矩和剪力，當它們等于零時，以上3個端部條件分別對應于固定端、鉸接端和自由端．

1．2 模型參數

向家壩鋼桁架平臺車車體結構均采用Q345低合金材料，其材料參數見表1．

表1 車體鋼結構（Q345）材料參數［5］

鋼桁架平臺車計算所采用的荷載主要根據向家壩水電站、溪洛渡水電站的超重超限設備所確定，各工況下的設計荷載擬定如表2所列．

表2 向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺車設計荷載

1．3 簡化與假設

在盡可能反映平臺車真實受力的情況下，以不影響各根主梁計算結果為原則，有限元模型作如下簡化與假設：（1）根據鋼桁架平臺車結構的對稱性，僅需建立1／2模型即可，其對稱平面施加對稱約束；（2）模型中不考慮跳板、架體首部的箱形梁等附屬構件；僅計算橫向加勁板作用，不考慮縱向加勁板；（3）由于本模型旨在分析平臺車的受力，故模型不包括車輪，車輪梁底板用固結邊界予以約束；（4）假定材料、焊縫及其他連接處無構造缺陷，平臺車為理想彈性體，焊縫處為理想的剛性連接；（5）荷載只考慮恒載效應，不計活載、風載及溫度效應．

2 數值計算及分析

2．1 工況一

到達船型為滾裝船，船舶行至向家壩重大件碼頭區，頂靠在碼頭斜坡道適當位置后拋錨定位，從斜坡道上放下鋼桁架平臺車至滾裝船前緣，完成車、船搭接后，重大件用平板車自鋼桁架平臺車端部進入．

工況一載荷下，由于加勁板的作用，跨中梁段的撓度得到有效控制，加勁板不僅減小了撓度值，還使得各根橫梁上的跨中撓度分布均勻，見圖1；對于橫梁端部，由于重大件位于鋼桁架平臺車中部，使得橫梁端部發生向上的“翹曲”，且最大值超過規范允許，加勁板有效控制了這種不利變形，見圖2．

2．2 工況二

到達船型為駁船，船舶進行重大件碼頭區后，順靠碼頭，做好船、車之間的搭接工作后，由鋼桁架平臺車旁邊進入．

圖1 工況一 車輪梁間跨中撓度曲線

圖2 工況一 橫向大梁端部撓度曲線

工況二載荷下，重大件位于車輪梁中部，加勁板使得跨中梁段的撓度減小了50%，見圖3；對于橫梁端部的撓度，加勁板不僅減小了其撓度值，還有效控制了兩端橫梁的“翹曲”，見圖4．

圖3 工況二 車輪梁間跨中撓度曲線

圖4 工況二 橫向大梁端部撓度曲線

2．3 工況三

到達船型為駁船，當條件允許且大件設備單重小于吊車起吊能力時，吊裝是推薦采用的卸船工藝．駁船順靠碼頭，做好船、車的固定后，汽車吊（或履帶吊）進入指定位置進行吊裝．

工況三載荷下，加勁板不僅使跨中梁段的撓度減小，而且使變形沿縱向“傳播”，更多的橫梁共同承擔變形，圖5表明：跨中梁段撓度在設置加勁板后趨于均勻．加勁板還使主要受荷的橫梁端部撓度減小了87．5%，見圖6．

圖5 工況三 車輪梁間跨中撓度曲線

圖6 工況三 橫向大梁端部撓度曲線

應力和變形的計算結果表明工況三為3個工況中應力最大的工況，故將其確定為鋼桁架平臺車的最不利工況．

3 加勁板的優化

根據設計及使用要求，鋼桁架平臺車只允許其在彈性范圍內工作，不存在屈曲情況發生．結合鋼結構設計規范［6］，確定布置在車輪梁上的加勁板布置間距在0．5h0到2h0之間（h0為腹板高度，由于車輪梁為斜工字梁，故將h0指定為1＃橫梁所對應處的腹板高度）．

為說明優化方案的可行性，選取最不利荷載（即工況三）情況進行建模和分析．

優化方案在工況三載荷下，由于荷載作用位置的影響，間隔設置加勁板后對車輪梁間的跨中撓度影響較小（圖7）；對于橫梁端部的撓度，間隔設置的加勁板雖較連續設置時撓度有所增大，但仍較好的控制了撓度的大小及分布，并使其在規范允許的范圍內（圖8），計算結果驗證了加勁板的間隔設置的可行性．

圖7 工況三 車輪梁間跨中撓度曲線對比圖

4 加勁板高度的討論

圖8 工況三 橫向大梁端部撓度曲線對比圖

各荷載工況下，加勁板高度與橫梁撓度間應存在一個對應關系．應用已有結果，提取不同加勁板高度對應下的橫梁撓度進行擬合，通過擬合得到一個有效的數學表達式來反映這種定量關系．

擬合關系式：

相關系數 R2＝0．999 9，R＝0．999 9

擬合關系式：

相關系數 R2＝0．996 5，R＝0．998 2

在工況三參與受力的各根橫梁分布載荷形式、大小相同的前提下，得到加勁板高度－橫梁撓度的擬合關系曲線，見圖9～圖10．這種非線性關系本質是截面的抗彎慣矩為高次表達式，從而導致不同的板高所發揮的“支撐”作用具有的非線性．這種非線性關系總體趨勢表現為隨著加勁板高度的增加，撓度有所降低．說明板高的增加，加勁板對橫梁的支撐作用亦有所增強，提高了截面抗彎慣矩，減小了截面上的應力分布．

圖9 工況三 橫梁跨中板高－撓度曲線

圖10 工況三 橫梁端部板高－撓度曲線

5 結論及建議

1）有限元方法是對向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺進行整體受力、變形最有效的途徑，通過ANSYS的數值計算可以方便的確定最不利荷載及最危險部位．

2）針對3種不同的卸船方式確定了平臺車3個荷載工況，分別進行了應力和變形計算，并確定工況三為最不利荷載工況．通過是否設置加勁板的對比分析，得出加勁板對于提高結構整體剛度、減小受力和控制變形起到了極為有效的作用．

3）有限元計算結果表明向家壩重大件碼頭鋼桁架平臺車的構件截面和節點形式合理，傳力直接、可靠，應力集中程度較低．

4）提出加勁板間隔布置的優化方案，通過建立優化模型和計算分析，表明加勁板間隔設置滿足安全性和經濟性的要求，其應力和變形均在規范允許值范圍內，驗證了優化方案的可行性．

5）在加勁板與車輪梁底板連接處通常出現應力集中的情況，將其定義為最危險部位．在設計和制造時，應嚴格控制最危險部位的焊縫質量，并對這些部位采取構造措施予以補強，防止出現疲勞破壞而影響整車的安全性．

6）重視鋼桁架平臺車的防腐蝕工作，尤其嚴格控制焊縫部位的預處理質量，保證平臺車的安全性和耐久性．

［1］Yang Y B，Lin T J，Leu L J，et al．Inelastic postbuckling response of steel trusses under thermal loadings［J］．Journal of Constructional Steel Research，2008，64（12）：1 394－1 407．

［2］Kazuya T，Shigeru N，Masaki S，et，al．Identification of Causes of fatigue damage in connections between stringers and floorbeams in steel railway trusses［J］．Doboku Gakkai Ronbunshu A／JSCE Journal of Structural and Earthquake Engineering，2008，64（2）：235－247．

［3］Albrecht P，Asce M，Lenwari A．Design of prestressing tendons for strengthening steel truss bridges［J］．J．Bridge Engrg，2008，13（5）：449－454．

［4］He Xuhui，Yu Zhiwu，Chen Zhengqing．Finite element model updating of existing steel bridge based on structural health monitoring［J］．Journal of Central South University of Technology，2008，15（3）：399－403．

［5］李守巨．鋼結構工程常用數據速查手冊［M］．北京：機械工業出版社，2007．

［6］中華人民共和國國家標準．GB 50017－2003鋼結構設計規范［S］．北京：中國計劃出版社，2003．