斜拉橋橋梁檢查車的力學(xué)性能分析

張耀宇 陳 東

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)的動脈, 而道路橋梁又是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)幕緱l件, 因而, 道路橋梁建設(shè)與發(fā)展, 對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的作用[1]。鄧巧麗[2]在橋梁檢查車的研究與應(yīng)用中表明了對全自動控制梁外橋梁檢查車，不僅安全而且可靠,同時(shí)還可以對組合梁、板進(jìn)行全方位的檢測和維護(hù)等。楊詠昕[3]研究了特大型橋梁面臨震顫威脅時(shí)，妥當(dāng)使用被動氣動控制方法可有效避免此威脅。吳奕琴[4]通過Pushover分析方法、能力譜方法和地震損傷分析三個(gè)方面，對橋梁抗震能力提供了新的評估方法，并通過算例加以驗(yàn)證，討論了高階模態(tài)對高墩橋梁在不同地震等級和不同場地類型的地震響應(yīng)的影響。橋梁的使用周期較長，在運(yùn)營過程中常出現(xiàn)一些無法避免的現(xiàn)象，例如混凝土的碳化與侵蝕，鋼筋的腐蝕、裂縫等問題。該項(xiàng)目工程是通過主梁的結(jié)構(gòu)形式來確定檢查車采用懸掛式吊車，當(dāng)檢查車在檢修橋梁的過程中，通過對檢查車的有限元分析，計(jì)算檢查車在軌道移動過程中各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足要求[5]。

1 工程簡介

該工程是一座特大型橋梁，其主橋?yàn)槿p索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為84m+300m+300m+84m，主橋全長768m，橋面寬32.8m；主梁為雙邊箱預(yù)應(yīng)力混凝土梁，主梁在中塔處與中塔固結(jié)，邊塔處為半漂浮支承體系；橋塔為雙柱式索塔，橋面以上不設(shè)橫梁，斜拉索為扇形密索布置，全橋共計(jì)100對斜拉索，中塔每側(cè)26對，兩個(gè)邊塔每側(cè)各12對，如圖1所示，實(shí)體墩，橋墩、橋塔基礎(chǔ)都是鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 主梁檢查車

全橋總共有2臺檢查車，分別在大橋兩個(gè)主跨各布置一臺，檢查車主要由電氣控制系統(tǒng)、桁架系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、龍門架、軌道系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)組成。整體采用鋁合金方管材料，方管的截面尺寸分別是100x5mm和50x5mm.根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示，來確定檢查車所采用的方案，即驅(qū)動機(jī)構(gòu)是將鋼輪倒置于布置在主梁底部的工字型型鋼軌道上，龍門架將桁架梁與驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接在一起，在電機(jī)的驅(qū)動下運(yùn)行。維修人員可通過設(shè)置在橋面指定位置進(jìn)入檢查車，進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。檢查車不使用時(shí)停靠在索塔旁邊，?？繒r(shí)應(yīng)使用手輪實(shí)現(xiàn)駐車制動，并設(shè)固定插銷。檢查車為全自動控制，可對主梁底面進(jìn)行全方位的檢測和維護(hù)。

圖1 大橋主橋立面布

圖2 大橋主橋主梁構(gòu)造圖

3 SAP2000有限元分析計(jì)算

3.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立有利于工程項(xiàng)目的還原，為后續(xù)計(jì)算提供幫助。該工程的主梁檢查車是桁架結(jié)構(gòu)，錯綜復(fù)雜，先在AutoCAD中建立三維模型，然后再導(dǎo)入到SAP2000中。在SPA2000中，首先，輸入鋁合金的材料的相關(guān)參數(shù)，見表1；其次，設(shè)置兩種方管截面尺寸，分別為100×5和50×5；最后，建成工程簡化模型，如圖3所示。

表1 鋁合金材料屬性

圖3 檢查車有限元模型圖

3.2 荷載的施加

3.2.1 分析檢查車所受的荷載

本項(xiàng)目的檢查車主要承受恒載(鋁合金材料的自重)、活載以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)荷載。檢查車結(jié)構(gòu)為桁架，連接方式是鉸接，主要承受軸力，故荷載應(yīng)施加在桿件各處的節(jié)點(diǎn)上[6]。因此，主梁檢查車的安全性能取決于在實(shí)際情況下最不利狀態(tài)的位置下是否滿足要求[7]。通過本項(xiàng)目與力學(xué)的結(jié)合可知，其最不利狀態(tài)的位置有兩處：跨中和懸臂端。

在SAP2000軟件中，檢查車所承受恒載可以自動添加，其數(shù)值是24.3KN。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算檢查車承受的風(fēng)荷載(WK)為43.8KN，計(jì)算公式如下：

檢查車所承受的活荷載主要體現(xiàn)在均布荷載和集中荷載，其中均布荷載的數(shù)值是0.5KN/m2，集中荷載是10KN，集中荷載主要考慮作用在跨中和懸臂端兩種工況。3.2.2 用SPA2000軟件模擬在兩種工況下荷載的施加

(1)恒載采用鋁合金材料自重，SAP2000自動添加;活載采用均布荷載為0.5KN/m2，集中荷載在跨中；桁架16個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均分施加625N；風(fēng)荷載計(jì)算總量為43.8KN，均分在迎風(fēng)面各節(jié)點(diǎn)為264N。(2)恒載采用鋁合金材料自重，SAP2000自動添加;活載采用均布荷載為0.5KN/m，集中荷載在懸臂端；桁架8個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均分施加1250N；風(fēng)荷載計(jì)算總量為43.8N，均分在迎風(fēng)面各節(jié)點(diǎn)為264N。

3.3 運(yùn)算結(jié)果

3.3.1 支座節(jié)點(diǎn)計(jì)算

檢查車軌道采用螺栓連接，螺栓采用雙螺母防松構(gòu)造，同時(shí)，為保證軌道在溫度作用下能夠伸縮，軌道連接螺栓的預(yù)緊力采用5KN.檢查車在實(shí)際運(yùn)行過程中會受到荷載(恒載、風(fēng)荷載、活載)的作用，所以，要考慮檢查車支座處螺栓的強(qiáng)度，分析檢查車支座受力情況，從而檢驗(yàn)螺栓強(qiáng)度是否滿足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，通過SAP2000分析軟件，將檢查車所承受的荷載進(jìn)行施加，得出檢查車支座節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力圖，如圖4、圖5所示。檢查車在跨中時(shí)支座節(jié)點(diǎn)處最大內(nèi)力值為42.5KN。檢查車在懸臂端時(shí)支座節(jié)點(diǎn)處最大內(nèi)力值為45.97KN。通過計(jì)算可知螺栓沒有遭到破壞，故檢查車在實(shí)際工程運(yùn)行中，螺栓強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求，即支座連接可靠。

圖4 檢查車在跨中時(shí)支座節(jié)點(diǎn)有限元分析內(nèi)力圖

圖5 檢查車在懸臂端時(shí)支座節(jié)點(diǎn)有限元分析內(nèi)力圖

3.3.2 節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算

本工程在實(shí)際橋梁檢修過程中，主要受到荷載可分為集中荷載和均布荷載。檢查車的軌道在結(jié)構(gòu)力學(xué)中可以簡化成有懸臂端的簡支梁，所以，檢查車所承受的最大荷載的最不利位置在跨中及懸臂端，因此，其最不利位置的節(jié)點(diǎn)位移必須要滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)集中荷載分別作用在跨中和懸臂端處時(shí)，利用有限元分析可知各節(jié)點(diǎn)的位移圖。由圖6、圖7可知，當(dāng)檢查車移動到跨中時(shí)，跨中的最大位移是8.3mm；懸臂端處的最大位移是18.6mm；由圖8、圖9可知，當(dāng)檢車車移動到懸臂端時(shí)，懸臂端的最大位移是42.4mm；跨中的最大位移是0.8mm。經(jīng)計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求，所以，該檢查車在橋梁檢修過程滿足實(shí)際工程所需要的穩(wěn)定性。

圖6 集中荷載作用在跨中時(shí)，跨中位移

圖7 集中荷載作用在跨中時(shí)，懸臂端位移

圖8 集中荷載作用在懸臂端時(shí)，懸臂端位移

圖9 集中荷載作用在懸臂端時(shí)，跨中位移

3.3.3 檢查車桁架桿件應(yīng)力比和軸力

為確保檢查車在工程中正常使用，桁架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度驗(yàn)算[8]是重中之重。桁架的應(yīng)力比和軸力是兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，利用SAP2000進(jìn)行分析，可知檢查車所有桁架桿件的應(yīng)力比，如圖10、圖11所示。荷載作用在跨中時(shí)，檢查車桁架桿件最大應(yīng)力強(qiáng)度比為0.59，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定；荷載作用在懸臂端時(shí)，檢查車桁架桿件最大應(yīng)力強(qiáng)度比為0.68，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。同理，由圖12可知，檢查車分別在跨中、懸臂端時(shí)，桁架桿件承受的軸力最大值分別為62.71KN，79.58KN。通過驗(yàn)算可知在這兩種情況下其強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，即使在實(shí)際工程中，所有桁架桿件均不會遭到破壞，即檢查車強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文是通過實(shí)際工程與理論知識相結(jié)合，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，利用軟件SAP2000對主梁檢查車進(jìn)行模擬、有限元分析。通過有限元軟件分析可知(1)檢查車在檢修橋梁過程中，當(dāng)行駛至跨中時(shí)，支座處最大內(nèi)力值為42.5KN。當(dāng)行駛至懸臂端時(shí)支座處最大內(nèi)力值為45.97KN。支座反力都在許可范圍內(nèi)，支座能夠支撐檢查車的正常行駛。(2)檢查車在工程荷載作用下，其最不利位置處節(jié)點(diǎn)的最大位移值滿足設(shè)計(jì)要求，充分的體現(xiàn)了檢查車在運(yùn)行中的穩(wěn)定性。(3)通過檢查車強(qiáng)度驗(yàn)算，可知當(dāng)檢查車分別在跨中、懸臂端時(shí)，其最大應(yīng)力比為0.59、0.68；最大軸力為62.71KN、79.58KN。兩種情況下均符合設(shè)計(jì)要求，即檢查車在該實(shí)際工程中可以正常使用，這為鋁合金方管檢查車在斜拉橋橋梁的運(yùn)行和維護(hù)提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為鋁合金方管檢查車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造提供了技術(shù)支撐。

圖10 荷載在跨中時(shí)，檢查車桁架桿件應(yīng)力比圖

圖11 荷載在懸臂端時(shí)，檢查車桁架桿件應(yīng)力比圖

圖12 檢查車桁架桿件最大軸力模型圖