流动式架桥机结构有限元分析

张 钰

(中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710021)



流动式架桥机结构有限元分析

张 钰

(中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710021)

摘要：：架桥机结构力学性能的优劣直接影响架桥机的作业安全。以结构分析理论为基础，利用有限元分析软件MIDAS CIVIL建立架桥机整体空间模型，提出了流动式架桥机有限元模型的建模原则与方法，并对架桥机运梁和架梁两种作业状态进行有限元分析，得到架桥机结构的等效应力和结构变形应力云图。结果表明：利用MIDAS CIVIL对架桥机进行有限元仿真分析是可行的，对架桥机的设计制造具有积极的指导意义。

关键词：流动式架桥机；有限元；结构仿真分析；MIDAS

架桥机是对梁场预制箱梁进行整孔架设的施工机械设备，根据作业方式，国内外架桥机可分为运架分离式和运架一体式两种模式[1-2]，运架分离式由架桥机和运梁车配合进行预制箱梁的运输和架设作业，而运架一体式需架桥机同时具有运梁和架梁功能，其代表性产品则为石家庄铁道大学设计的流动式架桥机。流动式架桥机是为了满足桥隧紧密相连路段施工需求而研发设计的，其采用跨运箱梁的运输方式和悬臂过孔的架梁方式，实现了整机不拆解过隧、紧邻隧道口和隧道内架梁功能，在高速铁路和客运专线桥梁施工中具有广泛的应用前景[1,3-4]。对流动式架桥机结构受力性能进行系统性的研究，对于保证其作业安全有着重要的理论和实践意义。

既有架桥机的结构设计，多依据经验和结构特点进行简化，然后利用传统计算方法进行初步设计，相关文献对于架桥机的研究也多集中于结构功能和作业方式介绍[5-6],有限元仿真分析较少涉及。对施工设备进行有限元仿真分析可得到更为精确的计算结果，但正确的建模原则和建模方法是确保分析结果可靠的前提条件[7-8]。本文以900 t流动式架桥机为研究对象，结合其结构特点和作业工况，利用MIDAS CIVIL有限元分析软件建立整体空间模型，针对架桥机主梁等部件进行强度和刚度仿真分析，其分析结果与后期检验结果较为吻合，架桥机在工程应用中一直处于良好状态，建模思路和分析方法对此类设备的设计优化和安全施工具有指导和借鉴意义。

1架桥机结构及主要工况

1.1 整机结构

本文所研究的900 t流动式架桥机采用一跨式主梁结构，如图1所示，架桥机主梁采用箱型截面，主梁尾部和前端分别设有用于整机走行的后车和前车走行系统；为实现悬臂过孔的架梁作业模式，设计了可沿主梁下部轨道自行的主支腿及安装于主梁前端的辅助支腿，用于架梁状态支承主梁和辅助过孔；架桥机前起重小车固定不动，后起重小车可在主梁腹部开孔位置纵向移动，以满足不同跨度箱梁吊装作业需求；前车走行系统车架内部净空大于主支腿外形尺寸，以满足主支腿支撑于前方墩台时，整机跨越主支腿过孔的作业功能。其主要技术参数为：额定起重量,900 t(32 m跨梁重);整机重量,550 t;爬坡能力,30‰(运梁作业状态);最大纵坡,20‰(架梁作业状态);适应梁跨,32～20 m(后起重小车移位调整);走行速度,0～5 km/h(平坡)、0～3 km/h(30‰纵坡)；起升速度，0～0.5 m/m(变频调速)；起升高度，4.5 m(箱梁顶距地面距离)；作业效率，4.5 h/孔(以运距5 km计)。

图1　流动式架桥机结构图

1.2 主要工况

依据流动式架桥机的结构特点和工作原理，其典型作业工况可归为两种：

(1)重载运输。流动式架桥机在梁场吊装900 t级预制混凝土箱梁后，需运至待架桥位，如图2所示。重载运输时，由前、后车走行系统支承主梁，此作业工况为前、后车走行系统的结构最不利工况。

图2 流动式架桥机重载运输

(2)重载过孔架梁。架桥机运梁到待架桥头后，在主支腿和辅助支腿辅助作用下悬臂过孔，将待架箱梁移至待架孔位上方，落梁就位完成一孔梁的架设工作。在悬臂过孔过程中，当主支腿自行至前方墩台并支承到位、整机准备重载过孔时，主梁位于最大简支状态，如图3所示。

图3 流动式架桥机重载过孔

2架桥机有限元建模

MIDAS CIVIL是一种空间有限元分析软件，操作方便，在建模、分析和后处理等方面应用较为便利，侧重于结构设计分析，计算效率较高。

2.1 几何建模

流动式架桥机结构有限元分析是一种复杂的、系统性的过程，需首先明确分析关注重点和分析目标，再依据架桥机各构件结构特点，进行合理简化，以期获得真实结果,具体建模思路如图4所示。

2.1.1 主梁

流动式架桥机主梁箱梁断面高度约4.5 m，为避免腹板和翼板局部失稳，箱梁内部纵向、横向设有多道加劲肋。考虑运输需要，主梁截面分为上下两部分，通过螺栓将翼板、腹板及加劲肋连为一体；为便于后起重小车沿主梁纵向移位以满足不同跨度箱梁吊装作业需要及减轻主梁自重，部分主梁节段腹板做了开孔处理。如果按照主梁设计图纸利用板单元建模，模型会异常复杂且计算量巨大，为此，基于明确主梁整体受力性能的分析目的，确定采用梁单元进行主梁模拟。MIDAS CIVIL具有强大的截面导入功能，建模时只需将设计图中的主梁CAD截面另存为dxf格式，然后通过MIDAS中的截面特性计算器进行网格划分，即可转变为所需截面。由力学知识可知主梁承载时，主梁开孔节段上下两部分承受拉力或压力为主，故建模时可采用节点再分的方式，用两根平行梁来模拟单根开孔主梁，具体模型如图5所示。

图4 流动式架桥机建模思路

图5 主梁开孔截面模型图示

2.1.2 前后车走行结构

前后车驱动整机重载走行过程中，走行结构受力较为复杂，其受力与走行系统各驱动轴走行状态、同步性能、运梁通道纵横向坡度及平整度有关。由于结构受力复杂，无法按照既有结构设计手段，通过构造设计确保前后车走行结构不发生局部失稳，如走行结构出现局部失稳，有可能导致重大安全事故。为此，为了验证结构设计的可靠性，确保作业安全，前后车走行结构采用板单元进行几何建模，以更加明确的反映局部受力状态。

2.2 模型约束条件

约束条件变化将对结构受力产生明显影响，故合理设置约束条件是有限元仿真分析取得正确结果的前提。依据流动式架桥机结构特点，其有限元模型需合理解决架桥机支点和各构件之间的约束条件。

2.2.1 支点约束

流动式架桥机支点约束需结合结构特点和作业工况确定。当架桥机重载运输时，通过前后车走行系统进行支撑，为确保左右轮胎受力均衡，车架结构与走行轴之间采用铰接方式；当架桥机处于架梁状态时，通过后车走行系统和主支腿进行支撑，主支腿为自稳定三角形构架，安装有内力实时监测装置，为确保主支腿受力明确，主支腿主立柱和斜杆两端均为铰接。有限元分析时，需根据不同情况设置支点约束，轮胎支撑刚度假定为刚性，典型约束设置如表1所示(设主梁长度方向为x向，主梁横断面为y向)。

表1 支点约束设置表

2.2.2 构件间约束

架桥机整机模型通过不同单元组合而成，各个构件单元之间的连接约束应以符合实际受力情况为原则，如文中通过节点再分的方式，利用两根平行梁模拟主梁开孔节段，节点再分位置各节点应采取刚接处理，可通过边界条件里面的刚性连接进行设置；主支腿结构的主立柱和斜撑杆均为二力构件，其连接位置应采用铰接处理，可通过释放单元梁端约束实现。需要注意的是：架桥机主梁支承于主支腿上方走行轮系的托轮上，可在轮系间滑动，主梁受载时将导致主梁与主支腿之间产生相对位移，故有限元分析时需要考虑两者之间的纵向变位需求，需将主梁与主支腿接触位置的节点纵向位移约束进行释放。此外，主梁各节段及其与前后车架均通过螺栓群连接，各连接处是为刚性连接。

2.3 外部荷载的施加

流动式架桥机模型分析时所需施加荷载主要为力、位移和重力，其中力主要包括预制箱梁荷载、风力、走行过程中的驱动力、坡道阻力以及栏杆走台等附属构件所产生的外力等；位移主要指结构形变导致的约束条件与设计状态不同，需要在相应位置施加位移来考虑对结构受力的影响；重力主要为架桥机结构自重、焊缝重量，可通过输入材料密度及重力加速度的方式，按分布荷载施加于结构上。外部荷载施加的关键是正确分析架桥机结构受力特征，根据分析目标进行荷载工况组合，明确各工况最不利荷载，然后按照等效原则施加于结构之上。此外，重载运输状态，前后车架受力为重点分析对象，需要考虑道路纵坡、横坡所产生的坡道阻力以及紧急制动力对前后车走行系统结构受力性能的影响，并在相应位置予以施加。

3有限元仿真分析

流动式架桥机的有限元分析需结合其作业特点，并针对不同研究对象进行工况组合，然后进行有限元分析，在此选取额定荷载作用下的典型工况进行说明。

3.1 重载运输工况

流动式架桥机需要将预制箱梁装载后运至待架桥孔，随着待架桥位距离预制梁场的增加，重载运输作业过程时间会逐渐增长，故了解重载运输状态下的整机结构性能尤为重要。图6和图7分别给出了运输状态整机结构应力和竖向变形云图。

图6 整机结构应力云图

图7 整机结构竖向位移云图

分析图6和图7可知：架桥机在重载运输状态，主梁跨中最大应力在213 MPa左右，在容许应力范围内，符合设计规范要求(架桥机材质为Q460)；架桥机跨中挠度f=0.136 m< L/400(L为前后车走行系统中心距)，说明在架桥机重载走行过程中，主梁刚度满足相关规范。

3.2 重载过孔架梁工况

架桥机运梁到位后，整机需要悬臂过孔才能将箱梁移至待架孔上方，此过程中将致使主梁处于最大简支状态，为主梁最不利工况，此时主梁的复合应力和结构变形云图如图8和图9所示。

图8 主梁结构应力云图

图9 主梁结构竖向位移云图

综合分析图8和图9可知：主梁最大应力值为291 MPa，小于容许应力。此外，前后起重小车之间区域主梁的应力水平均维持在200～290 MPa之间，说明主梁截面设计较为合理；考虑主梁支点处竖向位移，知主梁竖向最大挠度为f=0.290 m> L/400(L为后车走行系统与主支腿支点间距)，挠跨比略大。相关规范对挠跨比进行定量要求的初衷是保证起重小车沿主梁走行时的作业安全，由于流动式架桥机为定点起吊，不需要起重小车沿主梁走行，在保障结构安全的情况下，如必须保证挠跨比小于L/400，则需要继续加大主梁截面，将导致架桥机整机高度和自重增加，更加不利于作业安全，经与原设计单位沟通，在架桥机使用过程中未对主梁结构刚度采取加大措施。

4 结论

在架桥机应用过程中，有限元分析结果与工程技术人员定期对架桥机的定期检测结果较为吻合，架桥机在重载运输和架梁过程中无局部变形、漆膜剥落现象发生，结构状态良好。结果表明，应用本文的建模策略和分析方法，通过合理设置参数，可以明确流动式架桥机结构典型作业工况下的整体受力和变形情况，判断整机危险截面，对架桥机的设计和制造具有一定的指导和借鉴意义。

参考文献

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[8]陈士通，崔晨光，李玉安，等.900 t移梁机结构有限元仿真分析[J].图学学报，2016，37(2):269-274

收稿日期：2016-03-20

作者简介：张钰(1975—)，男，工程师，主要从事复杂隧道及桥梁施工工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.008

中图分类号：U455.36

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)04-0029-04

A Finite Element Analysis of the Structure of a Mobile Bridge Erector

Zhang Yu

(The 4th Engineering Co. Ltd. of the 12th Bureau Group of China Railway,Xi'an 710021,China)

Abstract:The mechanical performance of the main structure of a bridge erector is directly related to the safety of the safe operation of the bridge erector.Upon the basis of the theory of structural analysis, an integral space model for such a bridge erector is established in the light of the finite element analysis software of the MIDAS CIVIL in the paper, with the modeling principle for and method of the finite element model for the mobile bridge erector put forward. Both the beam-transporting and beam-erecting operations of the bridge erector are analyzed in the light of the finite element method,with the equivalent stress and structural deformation of the structure obtained.The results show that the application of the finite element method to the simulation analysis of the mobile bridge erector is feasible.The research results may help the design and manufacture of bridge erectors.

Key words:mobile bridge erector;finite element;structural simulation analysis;MIDAS