一種環(huán)抱式橋梁檢測車主桁架的有限元分析

方 杰

（武橋重工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430052）

0 引言

橋梁建設(shè)是國家重要的基礎(chǔ)建設(shè)之一，橋梁工程是關(guān)系社會和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線工程。橋梁建設(shè)的發(fā)展，巨大的資金投入，在經(jīng)濟(jì)社會中的顯赫作用，使得人們對橋梁的安全性、耐久性越來越重視。與此同時(shí)，隨著橋梁服役時(shí)間的增加，由于環(huán)境的載荷作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)等不利因素對橋梁設(shè)施長期影響，橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生各種各樣的損傷，這些損傷很容易導(dǎo)致惡性事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此為確保橋梁長期使用過程中的安全可靠，對橋梁設(shè)施進(jìn)行檢測和維護(hù)是十分有必要的。

橋梁檢測車就是為了適應(yīng)社會的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，適應(yīng)當(dāng)今市場經(jīng)濟(jì)和新形勢的新要求而研制的，它為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，裝備有橋梁檢測儀器，用于流動(dòng)檢測或維修作業(yè)的專用工程車輛。它可以隨時(shí)移動(dòng)位置，能安全、快速、高效地讓檢測人員進(jìn)入作業(yè)位置進(jìn)行流動(dòng)檢測或維修作業(yè)，工作時(shí)不影響交通。

橋梁檢測車由主桁架、走行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)等組成，其中主桁架為橋梁檢測車主要承力構(gòu)件且為檢測人員提供了作業(yè)平臺，是橋梁檢測車的最重要的組成部分。

1 主桁架的有限元分析

主桁架的結(jié)構(gòu)型式一般為桁架式結(jié)構(gòu)，由栓焊結(jié)構(gòu)的組裝式桁架組成以減小檢修設(shè)備自重。為便于運(yùn)輸、安裝，整個(gè)主桁架可在工廠分為多段制作，在現(xiàn)場對接成整體。

下面以梅山春曉橋的主桁架為例進(jìn)行具體的有限元結(jié)構(gòu)分析：

1.1 主桁架結(jié)構(gòu)

該橋檢測車主桁架采用環(huán)抱式結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，可以對大橋的外側(cè)四周進(jìn)行全方位的檢測。主桁架總高13050mm，桁架寬1240mm，軌道跨度為20016mm，懸臂端3292mm，走行臺車架截面型式圖2所示。

圖1

圖2

1.2 模型建立

本環(huán)抱式主桁架在ANSYS中采用BEAM188梁單元建立有限元模型，BEAM188單元適用于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)；BEAM188是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁。BEAM188在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6或7個(gè)自由度，（自由度）數(shù)目的變化是由KEYOPT(1)來控制的。當(dāng)KEYOPT(1)=0時(shí)(默認(rèn)),每節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。分別是沿X,Y,Z的位移及繞其的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYOPT(1)=1時(shí),會添加第七個(gè)自由度(翹曲量)。此元素能很好的應(yīng)用于線性（分析），大偏轉(zhuǎn)，大應(yīng)力的非線性（分析）。計(jì)算中根據(jù)不同的型材選用對應(yīng)的截面。

材料采用Q235的材質(zhì)，許用應(yīng)力為156.7MPa，許用擾度為：懸臂端9.4mm，簡支部分26.7mm。

對走行臺車架中的4個(gè)約束點(diǎn)進(jìn)行約束（如圖3所示），其中2個(gè)進(jìn)行全約束，另外兩個(gè)釋放Z軸方向自由度（需考慮風(fēng)載）。

圖3

1.3 分析計(jì)算

1）工況一：檢測人員在桁架中部且將風(fēng)載及重力以加速度形式進(jìn)行施加，變形圖及應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4

由圖4可以看出：最大應(yīng)力處發(fā)生在桁架主弦桿與走行臺車架聯(lián)結(jié)位置，最大應(yīng)力為56.967.1MPa，小于許用應(yīng)力156.7MPa，最大變形處發(fā)生在桁架中部，最大變形量為2.708mm,小于許用擾度（簡支部分26.7mm），應(yīng)力及變形滿足設(shè)計(jì)要求。

2）工況二：檢測人員在桁架中部和桁架上部的端部且將風(fēng)載及重力以加速度形式進(jìn)行施加，應(yīng)力云圖及變形圖如圖5所示。

圖5

圖6

由圖5可以看出：最大應(yīng)力處發(fā)生在主弦桿與走行臺車架聯(lián)結(jié)位置，最大應(yīng)力為57.712MPa，小于許用應(yīng)力156.7MPa，最大變形處發(fā)生在桁架中部，最大變形量為2.337mm,小于許用擾度 （簡支部分26.7mm），應(yīng)力及變形滿足設(shè)計(jì)要求。

3）工況三：檢測人員在主桁架下部的端部和上部的端部；且將風(fēng)載及重力以加速度形式進(jìn)行施加，應(yīng)力云圖及變形圖如圖6所示。

由圖6可以看出：最大應(yīng)力處發(fā)生在主弦桿與走行臺車架聯(lián)結(jié)位置，最大應(yīng)力為57.204MPa，小于許用應(yīng)力156.7MPa，最大變形處發(fā)生在懸臂上側(cè)，最大變形量為2.328mm，小于許用擾度 （懸臂部分9.4mm），應(yīng)力及變形滿足設(shè)計(jì)要求。

由以上三種工況計(jì)算可以得出，最大應(yīng)力發(fā)生在主弦桿與走行臺車架相交位置，需進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，最大變形發(fā)生在受力位置處，需提高焊接等級及焊縫高度。

2 結(jié)束語

通過ANSYS對一種環(huán)抱式主桁架在不同工況和不同載荷下進(jìn)行全面的有限元分析，得出應(yīng)力云圖和變形云圖，能夠較準(zhǔn)確的找出不同工況下的桁架結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和優(yōu)化。使用ANSYS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元受力分析并優(yōu)化在檢測車的設(shè)計(jì)中起著重要的作用。

［1］藍(lán)宇，張連杰,等.大型有限元軟件 ANSYS[J].應(yīng)用科技，2000.

［2］張俊平，姚玲森.橋梁檢測[M].北京：人民交通出版社，2005.