一种环抱式桥梁检测车主桁架的有限元分析

方 杰

（武桥重工集团股份有限公司，湖北 武汉 430052）

0 引言

桥梁建设是国家重要的基础建设之一，桥梁工程是关系社会和经济协调发展的生命线工程。桥梁建设的发展，巨大的资金投入，在经济社会中的显赫作用，使得人们对桥梁的安全性、耐久性越来越重视。与此同时，随着桥梁服役时间的增加，由于环境的载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应等不利因素对桥梁设施长期影响，桥梁结构将不可避免地产生各种各样的损伤，这些损伤很容易导致恶性事故，造成巨大的经济损失。因此为确保桥梁长期使用过程中的安全可靠，对桥梁设施进行检测和维护是十分有必要的。

桥梁检测车就是为了适应社会的发展和科学的进步，适应当今市场经济和新形势的新要求而研制的，它为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器，用于流动检测或维修作业的专用工程车辆。它可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业，工作时不影响交通。

桥梁检测车由主桁架、走行系统、电气系统及安全保护系统等组成，其中主桁架为桥梁检测车主要承力构件且为检测人员提供了作业平台，是桥梁检测车的最重要的组成部分。

1 主桁架的有限元分析

主桁架的结构型式一般为桁架式结构，由栓焊结构的组装式桁架组成以减小检修设备自重。为便于运输、安装，整个主桁架可在工厂分为多段制作，在现场对接成整体。

下面以梅山春晓桥的主桁架为例进行具体的有限元结构分析：

1.1 主桁架结构

该桥检测车主桁架采用环抱式结构型式如图1所示，可以对大桥的外侧四周进行全方位的检测。主桁架总高13050mm，桁架宽1240mm，轨道跨度为20016mm，悬臂端3292mm，走行台车架截面型式图2所示。

图1

图2

1.2 模型建立

本环抱式主桁架在ANSYS中采用BEAM188梁单元建立有限元模型，BEAM188单元适用于分析从细长到中等粗短的梁结构；BEAM188是一个二节点的三维线性梁。BEAM188在每个节点上有6或7个自由度，（自由度）数目的变化是由KEYOPT(1)来控制的。当KEYOPT(1)=0时(默认),每节点有6个自由度。分别是沿X,Y,Z的位移及绕其的转动。当KEYOPT(1)=1时,会添加第七个自由度(翘曲量)。此元素能很好的应用于线性（分析），大偏转，大应力的非线性（分析）。计算中根据不同的型材选用对应的截面。

材料采用Q235的材质，许用应力为156.7MPa，许用扰度为：悬臂端9.4mm，简支部分26.7mm。

对走行台车架中的4个约束点进行约束（如图3所示），其中2个进行全约束，另外两个释放Z轴方向自由度（需考虑风载）。

图3

1.3 分析计算

1）工况一：检测人员在桁架中部且将风载及重力以加速度形式进行施加，变形图及应力云图如图4所示。

图4

由图4可以看出：最大应力处发生在桁架主弦杆与走行台车架联结位置，最大应力为56.967.1MPa，小于许用应力156.7MPa，最大变形处发生在桁架中部，最大变形量为2.708mm,小于许用扰度（简支部分26.7mm），应力及变形满足设计要求。

2）工况二：检测人员在桁架中部和桁架上部的端部且将风载及重力以加速度形式进行施加，应力云图及变形图如图5所示。

图5

图6

由图5可以看出：最大应力处发生在主弦杆与走行台车架联结位置，最大应力为57.712MPa，小于许用应力156.7MPa，最大变形处发生在桁架中部，最大变形量为2.337mm,小于许用扰度 （简支部分26.7mm），应力及变形满足设计要求。

3）工况三：检测人员在主桁架下部的端部和上部的端部；且将风载及重力以加速度形式进行施加，应力云图及变形图如图6所示。

由图6可以看出：最大应力处发生在主弦杆与走行台车架联结位置，最大应力为57.204MPa，小于许用应力156.7MPa，最大变形处发生在悬臂上侧，最大变形量为2.328mm，小于许用扰度 （悬臂部分9.4mm），应力及变形满足设计要求。

由以上三种工况计算可以得出，最大应力发生在主弦杆与走行台车架相交位置，需进行局部补强，最大变形发生在受力位置处，需提高焊接等级及焊缝高度。

2 结束语

通过ANSYS对一种环抱式主桁架在不同工况和不同载荷下进行全面的有限元分析，得出应力云图和变形云图，能够较准确的找出不同工况下的桁架结构的最薄弱环节并对其进行结构补强和优化。使用ANSYS对结构进行有限元受力分析并优化在检测车的设计中起着重要的作用。

［1］蓝宇，张连杰,等.大型有限元软件 ANSYS[J].应用科技，2000.

［2］张俊平，姚玲森.桥梁检测[M].北京：人民交通出版社，2005.