基于ANSYS的DP60/30B型節段拼裝架橋機金屬結構有限元分析

韓林山 牛 帥 靳 康

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450000）

基于ANSYS的DP60/30B型節段拼裝架橋機金屬結構有限元分析

韓林山 牛 帥 靳 康

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450000）

以DP60/30B型節段拼裝架橋機為研究對象，基于ANSYS軟件平臺，采用APDL參數化語言，實現架橋機的建模。利用ANSYS軟件對節段拼裝架橋機主體結構在典型工況下的靜態特性進行分析，針對危險工況進行強度剛度校核。計算結果為該架橋機主結構的設計提供了參考依據，同時表明，采用參數化有限元分析方法可以更加全面、準確地指導架橋機的設計。

ANSYS；架橋機；有限元法

目前，國內外城市高架路建設幾乎都是采用“滿堂支架法”進行混凝土梁的現澆施工工法。該工法具有施工占地面積大、工期長的特點，施工期間對道路通行有很大影響。本文針對某公司研發的DP60/30B型節段拼裝架橋機金屬結構進行檢算，借鑒其他行業的先進起重吊裝經驗，校核拼裝式架橋機整體結構強度剛度，利用拼裝架橋機的快速性、方便性為鐵路橋梁架橋機設計及橋梁架設開辟了一條新的途徑，最大限度地避免了傳統施工方案的弊端［1］。

ANSYS是一種運用廣泛的通用有限元分析軟件,其有限元分析過程主要包括：建立分析模型并施加邊界條件、求解計算和結果分析3個步驟。運用ANSYS提供的參數化設計語言（APDL），通過結構設計參數的調整進行優化設計，從而大大減少修改模型和重新分析所花的時間［2］。

1 DP60/30B型節段拼裝架橋機結構和工作原理

DP60/30B型節段拼裝架橋機結構如圖1所示，其主要由起重小車、主框架（由箱式主梁與聯系梁組成）、前支腿、中支腿、后支腿、托輥機構、吊掛機構、液壓及電氣控制系統等組成。拼裝架橋機工作原理是當架梁狀態時，前、中、后支腿支撐主梁，前、中腿為架梁時主要受力腿，起重小車從后端橋面運梁車上依次提起梁體節段塊并對稱張拉，完成一跨梁體拼裝。當過孔狀態，前支腿脫空，中、后支腿及托輥配合，起重小車走行至主梁后端并在過孔后期提起節段梁作為配重，托輥輪與后支腿走行輪配合，前支腿到達前方墩頂并支撐，架橋機縱移到位。

圖1 DP60/30B型節段拼裝架橋機結構總圖

2 建立模型

DP60/30B型節段拼裝架橋機在組裝完畢后，架橋機依靠前中后三條支腿支撐，架橋機主梁及支腿結構的材料為Q345，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.86×103kg/m3，屈服極限345MPa，許用應力257MPa。因此，進行有限元分析時，各支腿和主梁采用3D梁單元（即beam188單元）進行模擬分析，其中，主梁采用自定義截面。有限元模型如圖2所示。混凝土節段塊和墩頂塊整體比較重，而且結構形式單一，綜合考慮截面特性以及材料屬性，采用實體單元solid45進行模擬，利用ANSYS軟件建立的有限元模型如圖3所示。

圖2 架橋機整體有限元模型

圖3 50t節段塊節實體模型

3 作用載荷

3.1 自重載荷

主梁149t，前支腿15.6t，中支腿21t，后支腿2.5t，長吊掛 5.3t×9 ，短吊掛 2.2t×2 ，起重小車16.8t，其他輔助部件的重量均以集中力方式施加在主梁上。

3.2 起升載荷

混凝土節段塊重50t×9。

3.3 風載荷

架橋機非工作狀態及工作狀態下必須考慮所受風載荷，風載荷按式（1）計算：

式（1）中：Pw表示作用在移動模架上的工作狀態最大風載荷（N）；C表示風力系數；p表示工作狀態計算風壓（N/m2）；A表示迎風面積（m2），其等于構件迎風面積的外形輪廓面積A0乘以結構迎風面充實率φ。

架橋機工作狀態最大允許承受6級風，非工作狀態最大允許承受12級風，受風面為垂直于施工方向時，有最大風載，風載荷主要由主梁及各支腿承受。六級風風壓為250N/m2，對于主框架主梁，風力系數取1.75，折減系數取0.2。6級風及12級風各部分機構所受風載荷以均布載荷的形式施加在受風面上。

4 工況分析

根據架橋機的步驟，選擇對架橋機結構影響較大的2種工況進行分析。

4.1 工況一

起重小車至后支腿后4m處，12級風空載。

12級為非工作狀態，在此工況下，起重小車的重量和風載荷以力的方式施加到主梁上。架橋機整體計算結果如圖4和圖5所示：最大應力為62.29MPa，發生在后支腿上，其材質選用Q345，許用應力[σS]=257MPa，因此架橋機整體強度滿足使用要求。架橋機豎直方向變形最大值為-5.93mm，發生在主梁的最末端，此撓度值極小，因此符合靜態剛度標準要求。

圖4 架橋機整體應力云圖

圖5 架橋機整體豎直方向變形云圖

4.2 工況二

架橋機滿載，長吊掛全外掛，6級風載，起重小車至前跨跨中。

6級風下，架橋機吊裝完各節段塊后，三節長吊掛上的節段塊懸掛在主梁外（即懸掛在外挑梁上）。起重小車?？吭谇爸扰c中支腿中間，起重小車的重量以載荷的方式施加到主梁上。架橋機整體計算結果如圖6和圖7所示：最大應力為183.05MPa，發生在中支腿上，其材質選用Q345，許用應力[σS]=257MPa，因此架橋機整體強度滿足使用要求；架橋機整體豎直方向最大位移為-41.38mm，出現在前支腿與中支腿中間位置。此工況時，兩個支腿之間的跨度為30m，f=41.38mm＜S=60mm，符合靜態剛度標準要求。

5 結論

本文通過ANSYS有限元分析軟件，完成對DP60/30B型節段拼裝架橋機典型工況結構仿真分析。通過對計算過程及結果的分析可以得出，運用APDL建模可以提高建模效率，且可以精確反映架橋機在各個工況下各部件的力學性能，對所出現的應力較大位置處及時進行局部加強，為結構安全性評價提供理論依據，并為類似結構設計研究提供參考［3］。該設計技術已得到工程實踐的驗證。

圖6 架橋機整體應力云圖

圖7 架橋機整體豎直方向變形云圖

［1］李方峰，汪芳進.拼裝式架橋機施工設計［J］.鐵道工程學報，2012（9）：59-64.

［2］趙長勇，張系斌，翟曉鵬.基于ANSYS參數化語言APDL的結構優化設計［J］.山西建筑，2008（3）：362-363.

［3］韓林山，於進，鐘藝謀.基于ANSYS的胎帶機布料臂架全工況分析［J］.施工技術，2013（18）：118-121.

Metal Structure Finite Element Design Technology of DP60/30B Bridge Girder Erection Machine Based on ANSYS

Han Linshan Niu ShuaiJin Kang
（College of Mechanical Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

In DP60/30B Bridge Girder Erection Machine as the researched object,based on ANSYS software platform,using APDL parametric design language,the modeling of Bridge Girder Erection Machine was real?ized.The static characteristics of the main structure of Bridge Girder Erection Machine under typical work?ing conditions are analyzed by using ANSYS software.And checking the strength and stiffness of the dan?gerous working condition.The calculation results provide a reference for the design of the main structure of the Bridge Girder Erection Machine.At the same time,the parametric finite element analysis method can be used to guide the design of Bridge Girder Erection Machine more comprehensively and accurately.

ANSYS；bridge girder Erection machine；finite element method

TH218

A

1003-5168（2017）12-0023-03

2017-11-01

河南省科技攻關項目（172102210051）。

韓林山（1964-），男，博士，教授，研究方向：機械設計及理論；牛帥（1991-），男，碩士，研究方向：機械設計及理論；靳康（1991-），男，碩士，研究方向：車輛工程。