纜索起重機結構有限元分析

田亞男, 張衛星

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 2.中國能源建設集團 安徽電力建設第二工程公司， 安徽 合肥 230031)

纜索起重機是指以柔性鋼索作為大跨距架空承載構件,供懸吊重物的載重小車在其承載索上往返運行,具有垂直運輸和水平運輸功能的特種起重機械[1-3]。纜索起重機在水電橋梁工程建設中的使用,尤其在布置場地狹窄、兩岸陡峭高山峽谷的水電橋梁工地建設的應用已越來越廣。李德欽等[4-6]采用懸鏈線計算方程、幾何分析法、張力狀態方程等方法對纜索吊體系進行了全面的驗算,并在其荷載試驗過程中對結構應力、變形進行了驗證,提高了承載索的計算準確性。冉茂學[7]對纜索吊機承載纜進行了優化計算,以及對纜索吊機進行了細部設計優化。余常俊等[8-11]通過纜索吊機施工實例,對纜索吊機的設計方法、安裝程序、加載試驗方式、風險因素進行分析,為以后大跨、大噸位重力吊裝體系的設計和施工提供了經驗數據和理論指導。然而,纜索起重機塔架的強度、剛度和穩定性與塔架結構形式密切相關。本文對某工程所用LQ800纜索起重機塔架進行了力學分析研究。

LQ800纜索起重機塔架是一種鋼架組合體系,主要有塔架底單元、塔架標準單元、工作平臺、鋼塔架頂梁和側索鞍等部分構成。在運行階段,纜索起重機受主索力、背索力、牽引力、起重力以及風荷載的作用。

1 纜索起重機塔架結構

纜索起重機塔架主體結構由3組塔底單元、3組塔頂單元、2組工作平臺、索鞍等組成。纜索吊機4×20T,主索8根,單鉤2根, 2×Φ58mm,抗拉強度2 160 MPa,牽引索Φ24mm,抗拉強度2 160 MPa,起重索Φ24mm,抗拉強度1960 MPa。

塔架總高度為19.363m,塔身為鋼結構,基礎為鋼筋混凝土結構,設置6根樁以增加穩定性,塔架跨庫兩側用巖錨梁錨固。單個塔架單元尺寸為4 557mm×4 557mm×800mm, 單個工作平臺單元尺寸為4 557mm×4 557×4000mm,鋼塔架頂梁尺寸為4 557mm×13 671mm×1082mm,索鞍尺寸為4 557mm×6 000mm×2 065mm。塔架立柱采用Φ529mm×10 mm鋼管,頂梁采用Φ273mm×10mm鋼管,索鞍采用400mm×208mm×29mm×18mm×18mm工字鋼和10號槽鋼,以及∠125mm×125mm×10mm、∠75mm×75mm×8mm等型鋼材料。

2 結構與有限元模型

根據LQ800纜索起重機設計圖紙,應用軟件MIDAS/Civil建立結構的有限元模型。塔架結構承受荷載包括自重、主索力、背索力、牽引力、起重力、風荷載等。其中,塔架自重通過MIDAS/Civil中的重力加速度模塊予以施加。

纜索起重機塔架是一個龐大的空間力系桿件系統,嚴格依據纜索起重機設計圖紙及相關的設計規范手冊選取載荷、截面參數,應用MIDAS/Civil軟件建立結構有限元模型。結構材質均為Q345鋼材,彈性模量E=2.06×1011Pa,密度ρ=7.85×103kg/m3,泊松比μ=0.3。

施工過程中主索與水平方向的夾角最小為3°、最大為16°。塔架結構有限元模型如圖1所示。

2.1 邊界條件

有限元模型中整體坐標系為笛卡爾直角坐標系, x軸平行于河道方向,y軸垂直于河道方向,z軸沿豎直方向,正方向朝上。塔架底部立柱與基礎的法蘭連接采用底部剛性約束模擬。塔架系統鋼管柱、角鋼、槽鋼均按梁單元模擬,桿件焊接、鉚接及板材加強處按剛接處理。主索預拉力、牽引力、起重力均以節點力方式施加于耳板及定滑輪所在位置。背索采用桁架單元模擬,將預拉力以初始拉力形式施加在桁架單元上。

2.2 塔架荷載

除重力荷載外,塔架承受的荷載有5類:T1為主索拉力,8根主索,單鉤2根,分為4根作用在主索錨輪上,每根T1=195t;T2為背索初始拉力,4根背索作用在架體耳板上,每根T2=10t,與水平面夾角16°;T3為10t牽引卷揚機作用力T3=10t;T4為7.9t起重卷揚機作用力T4=7.9t,塔架結構受力圖,如圖2所示。

溫度荷載分別考慮塔架結構整體升溫15℃,降溫15℃。

風荷載按《建筑結構荷載規范》 (GB50009-2012)[12]計算,并換算成節點力,分別沿x、y方向施加在結構節點上,x方向風荷載作用圖如圖3所示。

本文風載計算公式如下:

F=A×Φ×WZ

(1)

WZ=βZ×μS×μZ×W0

(2)

(3)

其中,F為風荷載;WZ為計算風壓;A為構件迎風面積;Φ為填充系數;βZ為z高度處的風振系數;μS為風荷載體型系數;μZ為風壓高度變化系數;W0為基本風壓,取值為0.64kN/m2;ξ為脈動增大系數;ν為脈動影響系數;φz為振型系數。其中:Φ取0.4;由于整個塔架高度不超過20m,為簡化計算,塔架結構統一取βZ取1.5;μS取2;μZ取1。

圖1塔架結構有限元模型 圖2塔架結構荷載圖 圖3x方向風荷載圖

3 計算分析

由于風荷載沿y軸正方向和沿y軸負方向對塔架結構作用效果相同,故只取風荷載沿y軸正方向的計算結果。

3.1 計算工況

表1 不同工況的參數值匯總表

3.2 計算結果

對9種工況進行有限元分析,部分工況的整體變形、應力云圖,一階屈曲模態圖如圖4～圖6所列。

圖4 工況1整體變形、應力云圖

圖5 工況4整體變形、應力云圖

圖6 工況7整體變形、應力云圖

塔架結構在不同工況下的最大變形、最大應力和背索最大內力計算結果,如表2所列。

結果表明,隨著主索與水平方向的斜拉角度的增加,結構整體位移、應力呈現上升趨勢;背索內力呈現下降趨勢。選取在x正方向風荷載作用下的計算數據為例,如圖7所示。

表2 不同工況作用下架體計算結果匯總表

圖7不同主索斜拉角度作用下架體計算結果趨勢圖

圖8 一階屈曲模態圖

工況1～3中,最大Von-mises應力為76.4MPa;工況4～6中,最大Von-mises應力為91.5MPa;工況7、8中,最大Von-mises應力為121MPa。工況1～工況8,最大Von-mises應力為121MPa,位于塔底單元豎向鋼管底部約束部位。且由規范可知[13],最大計算應力小于材料Q345鋼的許用應力295MPa,因此塔架結構滿足強度要求。

背索內力最大計算值為3.7×105N。根據背索內力計算結果,由文[14]選取第2組6×7類,直徑為26mm,抗拉強度1870MPa,最小破斷拉力為454kN的鋼芯鋼絲繩。

在計算荷載作用下對塔架結構作理想彈性屈曲分析,如圖8所示,結構一階屈曲荷載系數k=7.6。說明塔架結構發生一階屈曲失穩的臨界荷載是計算荷載的7.6倍,因此塔架結構在計算荷載作用下不會發生穩定性破壞,架體結構滿足穩定性要求。

4 結 論

本文通過應用有限元軟件MIDAS/Civil對纜索起重機結構進行力學性能分析,得到其變形、應力分布情況,并對塔架結構作整體穩定性分析。主要結論如下:① 纜索起重機結構最大位移和應力值均小于許用值,整體結構滿足相關規范要求。② 塔架結構整體屈曲分析的臨界荷載系數為7.6,架體結構滿足穩定性要求。③ 隨著主索斜拉角度的增加,塔架結構整體位移、應力總體上也在增大,但是背索內力總體上在降低。故在架體結構運行過程中,需要綜合考慮位移、應力、背索內力的制約關系,合理選用材料截面形式。