港珠澳大橋軌道安裝車結構設計與模態分析

司癸卯,邵現田,王楊煦,陳 哲,徐 欣

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室, 西安 710064)

?

港珠澳大橋軌道安裝車結構設計與模態分析

司癸卯,邵現田,王楊煦,陳 哲,徐 欣

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室, 西安 710064)

提出了一種專門用于港珠澳大橋在淺水區非通航孔橋進行軌道安裝的安裝車,利用SolidWorks建立了安裝車的三維模型,并且用ANSYS Workbench對下桁架分別進行了有預應力和無預應力的模態分析,得到了前6階的固有頻率及其主振型.通過與激振源的頻率進行比較,結果表明,在正常工作時,下桁架不會發生共振.

軌道安裝車; 結構設計; 模態分析

珠澳大橋是目前國內橋梁設計使用年限最長的大橋,其使用壽命可達120年.港珠澳大橋全橋主梁設置有專項檢查車,分為梁外檢查車與梁內檢查車.梁外檢查車在鋼箱梁外依靠梁外軌道系統行走,不影響行車通行,能夠實現連續的檢測作業,如圖1所示.梁外檢查車的軌道有一部分已在地面上完成安裝,但是由于鋼箱梁的運輸及架設的需要,有一部分的軌道需要在鋼箱梁架設完成之后在海面上完成安裝[1].由于作業對象是跨海大橋,涉及高空作業、臨水作業等危險環境,施工環境復雜,而傳統的作業方式由于其自身特點的限制而無法完成軌道安裝作業,所以設計了一種專門用于安裝這類軌道的平臺結構——軌道安裝車.

圖1 港珠澳大橋梁外檢查車

1 作業對象橋梁的結構型式

港珠澳大橋淺水區非通航孔橋上部結構采用的是跨徑為85 m等跨徑等截面組合連續梁,整墩分幅布置(見圖2),橋梁標準橫截面寬度為33.1 m,單幅橋寬16.3 m,兩幅橋梁之間有0.5 m間隔[2].在設計軌道安裝車時,考慮到橋面標準橫截面寬度達33.1 m,如果按照這個尺寸設計會使得軌道安裝車的整體結構過于龐大,對整個結構的制造、運輸、安裝等都帶來一定的難度,所以按照單幅鋼箱梁的尺寸參數來設計.

圖2 橋梁截面布置圖

2 軌道安裝車結構設計

軌道安裝車采用在移動車體上安裝桁架式工作裝置的結構型式.桁架體由上桁架、支撐架、下桁架、立柱支架、支架座組成,桁架與桁架之間主要采用高強度螺栓鋼板來進行連接.根據軌道安裝車的工作要求與橋梁的結構特點與尺寸,設計好結構尺寸參數,利用SolidWorks建立模型,如圖3所示.

圖3 軌道安裝車整體結構

軌道安裝車在作業過程中,需要頻繁地進行繞墩的操作,所以支撐架與下桁架之間采用回轉機構來連接.在作業時,下桁架伸展到橋底提供一個工作人員可以行走的作業平臺,對鋼箱梁左右兩側的軌道進行安裝操作.為了平衡下桁架的自重,在平臺的另一端放置配重塊進行穩定性平衡.在工作中,下桁架所受彎矩比較大.利用兩橋體主梁之間的間距,用鋼索把下桁架端部吊起連接到上部的立柱支架上,以保證作業平臺工作時的受載平衡性及平穩性.軌道在橋底兩側對稱分布,安裝時需要在鋼箱梁底部左右兩側分別安裝,因此,在作業平臺上設計有運送小車把軌道移動到安裝位置再進行安裝.

3 軌道安裝車的工作模式

在開始安裝工作前,作業平臺伸展到橋下,連接好鋼索(見圖4),通過推動小車把兩根軌道運送到安裝位置.首先安裝內側的軌道(見圖5),即靠近回轉中心這一側的軌道,安裝完畢,繼續推動小車將另一根軌道移動至外側的安裝位置,即遠離回轉中心這一側(見圖6).軌道安裝完畢,在進行繞過橋墩操作時,把小車推回到靠近回轉中心處,解開鋼索,電機驅動回轉結構旋轉,帶動下桁架旋轉,卡車行走,帶動整個桁架體行走,從而實現繞墩操作(見圖7).

圖4 軌道安裝車連接鋼索

圖5 軌道安裝車安裝內側軌道

圖6 軌道安裝車安裝外側軌道

圖7 軌道安裝車進行繞墩操作

4 下桁架的模態分析

在安裝軌道時,工作人員需要在平臺上頻繁移動,來安裝不同位置的軌道,同時下桁架還要不停進行回轉繞墩操作,在工作過程中作業平臺的載荷會一直發生變化,而且很容易受到不同振型和不同頻率的振動源的影響.作業過程中,當桁架結構的工作頻率和固有頻率比較接近時,使得桁架結構產生比較大的振動,從而引起較大的動應力導致結構發生破壞[3].所以,在進行結構設計時需要考察桁架結構的振動特性,要對桁架結構的固有頻率和振型進行分析,進而避免在工作中結構可能發生的共振現象.

模態分析過程分為4個步驟:建立模型、定義邊界條件、擴展模態結果和后處理[4].在進行網格劃分時需注意,網格劃分的細致程度與求解階數有關系,求解的階數越高,網格劃分越細.邊界條件會對結構的固有頻率與振型產生影響,需要對模型進行正確合理的約束.在模態分析中不存在結構載荷和熱載荷,但是在求解預應力結構的模態時,需要考慮結構承受的不變載荷,因為它會導致預應力的產生[5].

4.1 下桁架無預應力的模態分析結果

桁架結構是一個多自由度的振動系統,由于低階頻率被激發的概率很高,所以對系統的動態響應影響較大,一般前5階是最容易激發的,較高階的則影響不大.在對下桁架進行分析時提取其前6階的模態[6].在下桁架結構沒有受預應力時,計算得到的各階固有頻率及其振型,如表1所示.

表1 下桁架無預應力的固有頻率和振型

下桁架結構沒有受預應力時對應的前6階的振型圖如圖8～13所示.

圖8 第1階振型圖

圖9 第2階振型圖

圖10 第3階振型圖

圖11 第4階振型圖

圖12 第5階振型圖

圖13 第6階振型圖

4.2 下桁架有預應力的模態分析結果

桁架結構預應力的主要來源是放置于水平工作平臺一端的配重塊,使桁架結構始終處在不變載荷的作用下[7].在本文中配重塊的質量m=4 697.3 kg,因此需要探討這一不變載荷是否影響結構的振動特性,有預應力的模態分析的也提取前6階模態,分析的結果如表2所示.

表2 下桁架有預應力的固有頻率和振型

下桁架結構在受預應力時對應的前6階的振型圖如圖14～19所示.

通過對比有預應力作用及無預應力作用時的模態分析可以得出,下桁架的第1階的固有頻率及振型變化不明顯,而第2～6階的固有頻率與振型有明顯的變化,這是由于配重塊載荷產生的應力場對整體剛度產生了影響造成的,所以在進行模態分析時必須將預應力的影響考慮在內.

圖14 第1階振型圖

圖15 第2階振型圖

圖16 第3階振型圖

圖17 第4階振型圖

4.3 結果分析

圖18 第5階振型圖

圖19 第6階振型圖

5 結論

本文對軌道安裝車進行了整體結構設計,用SolidWorks建立了模型.用ANSYSWorkbench對下桁架分別進行有預應力和無預應力的模態分析,分析結果得出,下桁架在正常工作時不會發生共振的危險.

[1] 劉鵬,賀拴海,趙英策.港珠澳大橋大節段鋼箱梁海上運輸關鍵技術研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2015(1):85-90.

LIU Peng,HE Shuanhai,ZHAO Yingce.Study on key technologies of maritime transportation of steel box girder of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2015(1):85-90.

[2] 王艷峰,潘軍.港珠澳大橋鋼-混組合梁制造及安裝關鍵技術[J].交通科技,2015(2):34-37.

WANG Yanfeng,PAN Jun.Key technologies for manufacture and installation of steel-concrete composite beams in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Transportation Science & Technology,2015(2):34-37

[3] 倪振華.振動力學[M].西安:西安交通大學出版社,1988.

NI Zhenhua.Vibration mechanics[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press,1988.

[4] 黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013.

HUANG Zhixin,LIU Chengzhu.ANSYS Workbench 14.0 super learning handbook[M].Beijing:People’s Posts and Telecommunications Publishing House,2013.

[5] MCLACHLAN N,ADAMS R,BURVILL C.Tuning natural modes of vibration by prestress in the design of a harmonic gong[J].Acoustical Society of America,2012,131(1):926-934.

[6] AU S K.Model validity and frequency band selection in operational modal analysis[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2016,81:339-359.

[7] 焦洪宇,楊洋,顧義杰.基于ANSYS Workbench的汽車擾流板預應力模態分析[J].常熟理工學院學報,2015(4):79-82.

JIAO Hongyu,YANG Yang,GU Yijie.Based on ANSYS Workbench car spoiler prestressed modal analysis[J].Journal of Changshu Institute of Technology,2015(4):79-82.

[8] 和麗梅.桁架式橋梁檢測車結構分析與優化設計[D].西安:長安大學,2008.

HE Limei.Structure analysis and optimization design of truss type bridge inspection vehicle[D].Xi’an:Chang’an University,2008.

Structural design and modal analysis for track installation vehicle of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

SI Guimao,SHAO Xiantian,WANG Yangxu,CHEN Zhe,XU Xin

(Key Laboratory for Highway Construction Technique and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Taking the structures of non-navigable span in shallow water area of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge as reference,we designed a installation vehicle specifically used for installing the tracks of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge.The 3D model of the vehicle was build with SolidWorks and the modal analysis was separately carried on the lower truss with prestress and without prestress by using ANSYS Workbench,obtaining the first sixth orders of inherent frequencies and the principal vibration modes.By comparing the above mentioned frequencies with the working frequencies of main vibration sources.The results show that resonance never occurs under normal working condition.

track installation vehicle; structure design; modal snalysis

司癸卯(1963—),男,副教授,博士.E-mail:smart@chd.edu.cn

TH 12

A

1672-5581(2017)02-0136-05