基于ANSYS的DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

韓林山 牛 帥 靳 康

（華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南 鄭州 450000）

基于ANSYS的DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

韓林山 牛 帥 靳 康

（華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南 鄭州 450000）

以DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機為研究對象，基于ANSYS軟件平臺，采用APDL參數(shù)化語言，實現(xiàn)架橋機的建模。利用ANSYS軟件對節(jié)段拼裝架橋機主體結(jié)構(gòu)在典型工況下的靜態(tài)特性進行分析，針對危險工況進行強度剛度校核。計算結(jié)果為該架橋機主結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考依據(jù)，同時表明，采用參數(shù)化有限元分析方法可以更加全面、準(zhǔn)確地指導(dǎo)架橋機的設(shè)計。

ANSYS；架橋機；有限元法

目前，國內(nèi)外城市高架路建設(shè)幾乎都是采用“滿堂支架法”進行混凝土梁的現(xiàn)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(fā)的DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機金屬結(jié)構(gòu)進行檢算，借鑒其他行業(yè)的先進起重吊裝經(jīng)驗，校核拼裝式架橋機整體結(jié)構(gòu)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(shè)計及橋梁架設(shè)開辟了一條新的途徑，最大限度地避免了傳統(tǒng)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(jié)果分析3個步驟。運用ANSYS提供的參數(shù)化設(shè)計語言（APDL），通過結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的調(diào)整進行優(yōu)化設(shè)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(jié)段拼裝架橋機結(jié)構(gòu)和工作原理

DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由起重小車、主框架（由箱式主梁與聯(lián)系梁組成）、前支腿、中支腿、后支腿、托輥機構(gòu)、吊掛機構(gòu)、液壓及電氣控制系統(tǒng)等組成。拼裝架橋機工作原理是當(dāng)架梁狀態(tài)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(jié)段塊并對稱張拉，完成一跨梁體拼裝。當(dāng)過孔狀態(tài)，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(jié)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(jié)段拼裝架橋機結(jié)構(gòu)總圖

2 建立模型

DP60/30B型節(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)段塊和墩頂塊整體比較重，而且結(jié)構(gòu)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(jié)段塊節(jié)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(jié)段塊重50t×9。

3.3 風(fēng)載荷

架橋機非工作狀態(tài)及工作狀態(tài)下必須考慮所受風(fēng)載荷，風(fēng)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(tài)最大風(fēng)載荷（N）；C表示風(fēng)力系數(shù)；p表示工作狀態(tài)計算風(fēng)壓（N/m2）；A表示迎風(fēng)面積（m2），其等于構(gòu)件迎風(fēng)面積的外形輪廓面積A0乘以結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面充實率φ。

架橋機工作狀態(tài)最大允許承受6級風(fēng)，非工作狀態(tài)最大允許承受12級風(fēng)，受風(fēng)面為垂直于施工方向時，有最大風(fēng)載，風(fēng)載荷主要由主梁及各支腿承受。六級風(fēng)風(fēng)壓為250N/m2，對于主框架主梁，風(fēng)力系數(shù)取1.75，折減系數(shù)取0.2。6級風(fēng)及12級風(fēng)各部分機構(gòu)所受風(fēng)載荷以均布載荷的形式施加在受風(fēng)面上。

4 工況分析

根據(jù)架橋機的步驟，選擇對架橋機結(jié)構(gòu)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(fēng)空載。

12級為非工作狀態(tài)，在此工況下，起重小車的重量和風(fēng)載荷以力的方式施加到主梁上。架橋機整體計算結(jié)果如圖4和圖5所示：最大應(yīng)力為62.29MPa，發(fā)生在后支腿上，其材質(zhì)選用Q345，許用應(yīng)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(fā)生在主梁的最末端，此撓度值極小，因此符合靜態(tài)剛度標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 架橋機整體應(yīng)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(fēng)載，起重小車至前跨跨中。

6級風(fēng)下，架橋機吊裝完各節(jié)段塊后，三節(jié)長吊掛上的節(jié)段塊懸掛在主梁外（即懸掛在外挑梁上）。起重小車停靠在前支腿與中支腿中間，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(jié)果如圖6和圖7所示：最大應(yīng)力為183.05MPa，發(fā)生在中支腿上，其材質(zhì)選用Q345，許用應(yīng)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(xiàn)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(tài)剛度標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

本文通過ANSYS有限元分析軟件，完成對DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機典型工況結(jié)構(gòu)仿真分析。通過對計算過程及結(jié)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(xué)性能，對所出現(xiàn)的應(yīng)力較大位置處及時進行局部加強，為結(jié)構(gòu)安全性評價提供理論依據(jù)，并為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計研究提供參考［3］。該設(shè)計技術(shù)已得到工程實踐的驗證。

圖6 架橋機整體應(yīng)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(shè)計［J］.鐵道工程學(xué)報，2012（9）：59-64.

［2］趙長勇，張系斌，翟曉鵬.基于ANSYS參數(shù)化語言APDL的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shù)，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(guān)項目（172102210051）。

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