伸縮型鋁合金桁架檢修車力學性能分析

周揚 袁志煬 儲海峰 陳東

摘要：橋梁檢測（修）作業車（Bridge Inspecting Vehicle，BIV）作為一種橋梁使用過程中的檢修以及生命檢測的重要設備，已經成為橋梁建設領域和生命周期保養領域中不可缺少的作業設備.本文提出一種伸縮型鋁合金桁架檢修車，通過有限元分析軟件Spa2000對該檢查車實際最不利位置工作狀態下支座節點反力、節點位移、應力比以及桁架桿件軸力進行力學性能分析.研究結果表明：檢查車的強度、剛度、穩定性都在安全控制范圍內，具有足夠的安全系數，分析的結果將為檢查車的結構設計、實際生產以及運維階段提供理論依據和技術支撐.

關鍵詞：橋梁檢測作業車;有限元分析;sap2000;理論依據;技術支撐

中圖分類號：TB12;O241? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）08-0072-03

1 引言

橋梁工程是關系社會和經濟協調良好發展的生命通道，是當今世界各國國家的重要基礎建設之一.隨著社會的快速發展，國家對橋梁的投入資金占比越來越大，使得人們對橋梁的安全、穩定性、耐久性越來越重視.但是，當前世界橋梁界都共同面臨一個棘手的問題——相當多的橋梁已經進入了“老齡”階段，出現各種“病害”，甚至常年帶“病”運營，潛伏著巨大的安全隱患[1].為了提高橋梁使用安全性，必須定期和不定期對橋梁進行“檢查身體”，為養護管理提供直接的數據和依據.但是考慮到其工作面廣且多，技術復雜，難度系數較高，以及目前橋梁設計時就同時考慮到檢修和養護的需要，所以，提出必須采用先進的檢測設備，這樣才能一方面快速的提高檢測速度，帶來經濟效益，另外一方面必須有高精度，給橋梁的養護和加固提高精確的數據支持.本文提出了一種伸縮型鋁合金桁架檢修車，能夠很好的滿足精度要求和安全要求.為進一步確保該檢查車能夠在實際工作狀態下的安全使用，對該檢查車進行有限元模擬，分析其在荷載作用下，檢查車支座節點反力、節點位移、應力比以及桁架桿件軸力等是否滿足要求.本文的研究成果可為橋梁檢查車的結構設計與實際生產提供理論依據和技術支持.

2 工程概況

該項目是上海某市政道路鋼箱梁立交橋，設計車速為50km/h橋梁標準寬度42m，荷載設計標準采用城-A級.本橋的鋼箱梁梁外檢查車主要由主桁架、伸縮桁架、軌道系統組成，桁架總高約為1.25米，跨度約為20.4米，整體采用鋁合金方管材料，方管100x6mm和方管50x5mm.工程中采用懸掛式吊車方案，即驅動機構通過鋼輪懸掛于工字鋼軌道上，桁架梁與驅動機構通過龍門架連接在一起，在電機的驅動下運行.檢車車不使用時?？坑谶^渡墩旁，臨時停靠時應采用專業工具使檢修車與軌道固定，避免滑移.該檢查車能夠滿足橋體鋼箱梁外側全方位、全立體的檢測與維護要求.

3 SAP2000有限元分析計算

3.1 有限元模型的建立

鋼桁架檢查車有限元模型的建立將是后期進行有限元分析的一切基礎，建立模型與實際是否擬合是后續計算分析結果可信度和分析效率的有效保證.因此，進行有限元分析中尋求高質量、快速的有限元模型建立方法有著重要意義.由于桁架構件多、連接節點較多，為了簡化模型，此次采用如下步驟：

一、用CAD按照不同圖層將線單元和不同截面進行分類建立檢查車三維模型，然后用dxf格式的文件輸出，再導入到sap2000軟件中，即可完成有限元模型的初步建立工作[2].

二、利用sap2000進行材料屬性（即鋁合金材料：如圖2所示）[3]、截面形式（主橫桿：如圖3，腹桿：如圖4）、約束條件的設定等細節處理，完成模型的最終建立（圖5和圖6所示）.

3.2 加載形式

檢查車是桁架結構體系，各桿件截面形心軸線將匯交于節點處.因此，桁架結構在進行內力計算通常是按照鉸接約束來處理，所有荷載都施加在桿件各節點處[5].驗算檢查車是否具有安全性能，只要關注實際情況下最不利狀態的位置.為此，筆者根據實際工作的情況以及結構力學理論知識，結合載荷的位置和大小的不同，確定出工作狀態最危險下典型工況，分析時，針對最不利狀態下工況對檢查車進行力學性能方面的分析[4].具體定義如下：

最不利位置：工作狀態下，伸縮桁架全部伸出來，且檢查車位于伸縮桁架的最左（右）位置（如下圖所示）.

結合相關桁架和檢查車設計標準和實際工作情況下，桁架主體靜強度分析計算時需要考慮以下主要荷載：

（1）恒載：主要是主桁架、伸縮桁架自身金屬結構的重量，其分別為：12.593KN、11.970KN.在進行有限元分析時候，sap2000軟件將自動添加恒載.

（2）活載：安裝均勻分布荷載，數值為1KN/m2.

（3）風活載：根據檢查車工作狀態最大風速為6級大風，由《風級、風速、風壓對照表》得知：工作狀態的風速為12m/s，根據風速按下式計算風壓：

在標準狀況下，空氣密度約為1.29kg/m3，代入數據計算得知：92.88N.

用sap200在以上兩種工況下的加載方式如下所示：

（1）伸縮桁架加載方式：恒載采用鋁合金材料自重，sap2000自動計算而來;活載采用均布荷載為1KN/m，桁架38個節點每個節點均分施加537N;風荷載計算總量為864N，均分在迎風面各節點為23N.

（2）主桁架加載方式：恒載采用主桁架鋁合金材料自重，sap2000自動計算而來，并且加上伸縮桁架對主桁架的作用力;活荷載為分布在桁架的42個節點上，每個均分施加荷載為733N;風荷載為900N，均分在迎風面各節點為15N.

3.3 結果分析

3.3.1 節點反力計算

檢查車強度是否符合設計要求，一個重要的指標就是主桁架與伸縮桁架之間的支座反力有沒有超過設計值.由圖7和圖8中伸縮桁架和主桁架的節點反力最大值分別為：28.91KN，40.91KN，小于該類型的桁架承受的最大值.并且發現桁架中的弦桿與腹桿的連接焊縫沒有發生破壞，表明檢查車在最不利位置中整個檢查車的支座連接牢固，且螺栓強度符合設計要求.

3.3.2 位移值計算

檢查車在人在最左（右）端的時候將是整個桁架體系變形最大的位置，其主要承受操作技術工人質量、操作平臺重量以及其他儀器的重量.另外，此時系統也將承受風荷載、活載、安裝的均布荷載作用.所以在分析檢查設計是否符合變形設計要求必須考慮在檢查車在最左端、最右端的位置處.由圖9和圖10可以發現，伸縮桁架和主桁架的位移最大值分別為：66.48mm，10.35mm.對比檢車車整體的結構和設計要求，變形值在安全的范圍區間，說明檢查車具有足夠的剛度，能夠滿足實際工作的需要.

3.3.3 檢查車桁架桿件應力比及軸力計算

利用sap2000進行桁架的設計強度的驗算，通過有限元計算分析得出檢查車所有桁架桿件應力比和軸力圖，匯總最大值如下表所示：

由以上的表格得知：不管是伸縮桁架還是主桁架的最大應力比以及軸力都在設計的安全范圍內.由于這是驗算在工作狀態下的最不利位置，所以，整個桁架的其他工作狀態下的應力比以及軸力比都比表中的數值小，說明了檢查車在正常工作狀態下桁架都是安全的，所有桁架桿件不會發生破壞，即檢查車的桁架設計強度滿足規范要求，可投入實際工程使用.

4 結束語

本研究建立在檢查車工作狀態下最不利位置的有限元分析模型，分別計算了在該狀態下的節點反力、位移值、應力比、軸力值的分布以及變化情況.結果表明檢查車桁架結構的主桁架以及伸縮桁架的強度、剛度均在安全工作要求范圍內，具有足夠的安全系數.分析的結果為檢查車的設計、生產、使用以及運維階段提供了堅實的理論依據和指導方法.

——————————

參考文獻：

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

〔2〕徐欣.港珠澳大橋軌道安裝車結構設計與分析[D].長安大學，2016.

〔3〕陳曉霞，李充，魯二敬，郁志凱，范東宇.焊接工藝對6082-T6鋁合金對接接頭疲勞性能的影響[J].焊接技術，2018（12）：22-24+5.

〔4〕張文革，李德信，楊世強.懸索橋橋梁檢查車力學性能分析[J].機電工程，2016，33（10）：1169-1175.

〔5〕張啟貴，謝后生.鐵路鋼梁橋檢查車三維有限元分析[J].建筑機械，2005（09）：61-63.