双幅整体浇筑式造桥机安全性分析与试验

秘嘉川,吕彭民,关泽强,桂发君,史妍妮

(1.山东恒堃机械有限公司,济南250014; 2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064)

秘嘉川(1980—),男,工程师.E-mail:77281303@qq.com

吕彭民(1957—),男,教授,博士.E-mail:lpmin@chd.edu.cn

双幅整体浇筑式造桥机安全性分析与试验

秘嘉川1,吕彭民2,关泽强2,桂发君2,史妍妮2

(1.山东恒堃机械有限公司,济南250014; 2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064)

以MSS50双幅整体浇筑式移动模架造桥机作为研究对象,利用有限元软件对该造桥机整体结构进行刚度和强度校核,并依据计算结果,确定了该造桥机各重要部位的应力和变形检测位置,在造桥机使用前进行预压载试验,对检测位置要进行全程监控.研究结果表明，理论分析与实测结果基本吻合,该造桥机满足强度和刚度要求,实测挠度曲线可以为施工中预拱度调整提供参考.由于实际加载过程中主梁上承受载荷的不均匀性,各测点应力并非按线性规律变化,甚至出现瞬时应力超过最大载荷情况下的应力,因此，对加载过程进行监控是必要的.由于该双幅整体浇筑式移动模架造桥机结构庞大,受加工和安装误差影响,在加载过程中左右侧支腿受力出现一定偏差和不均匀性,这在施工过程中,尤其在有风载施工过程中,应加强观察和检测.该研究成果也可以为其他移动模架设计及施工提供参考.

双幅整体浇筑; 移动模架; 有限元分析; 预压载试验; 预拱度

移动模架造桥机是当今世界上一种先进的桥梁施工设备,在高墩公路桥梁、高架立交桥、高铁桥梁等建设中广泛使用[1].造桥机属于大型非标结构,其安全性要求高,许多专家学者从不同角度进行了分析研究[2-4],但由于造桥机结构庞大,受力复杂,仍有造桥机失事的报道[5].而MSS50双幅整体浇筑式移动模架造桥机是一种新型造桥机,该造桥机可实现双幅桥梁一次整体浇筑施工,最大混凝土浇筑方量可达1 092 m3,最大载荷高达28 993.6 kN,为目前国内承载力最大、双幅整体浇筑跨径最大的设备.该造桥机属于上行式结构,主要结构由主梁、鼻梁、上横梁、下挂梁、前支腿、中支腿、后支腿和模板系统等组成,整体结构如图1所示.为确保该设备能达到施工要求和结构的安全可靠性,本文采用有限元分析软件,对该造桥机的整体结构进行强度和刚度计算分析,并根据计算结果,对关键应力点进行应力和主梁变形进行现场试验,为造桥机的施工安全和预拱度调整提供技术支持.

图1 MSS50双幅整体浇筑式造桥机结构示意图Fig.1The structure diagram of MSS50 double amplitudeintegrally overhead launching gantry

1 MSS50移动模架造桥机各主要部位有限元计算分析

1.1主梁和中支腿

造桥机上部结构有限元模型如图2(a)所示,主梁、鼻梁和中支腿均采用板壳元,横梁采用梁单元,共划分梁单元5 404个,板壳元96 712个,节点94 734个,选取造桥机最大受力工况(即50 m浇筑)作为计算工况.计算结果为:主梁的Mises应力云图见图2(b),σmax=223 MPa,位于主梁跨中处;主梁的净变形图见图2(c),主梁50 m跨中处最大净挠度为72.033 mm;中支腿σmax=217 MPa,位于中支腿下部腹板处.由于主梁和中支腿均采用Q345B材料,其许用应力[σ]=230 MPa,故主梁中支腿满足强度要求.由于主梁挠跨比为

故主梁满足刚度要求.

图2 主梁和中支腿计算模型及计算结果Fig.2The calculation model and calculationresults of main girder and middle legs

1.2后支腿

后支腿计算模型见图3(a),全部采用板壳元模拟,共划分板壳元5 553个,节点5 147个,后支腿承受载荷为9 204.6 kN.计算结果如下:Mises应力云图见图3(b),σmax=212 MPa<[σ],位于后支腿上部支撑位置.故结构满足强度要求.

1.3横梁

横梁分为上横梁和下挂梁两部分：上横梁用梁单元模拟,共划分梁单元386个,节点542个;下挂梁用板壳元模拟,共划分板壳元7 915个.节点7 425个.造桥机在浇筑时,处于墩顶周围的横梁承受力较大,本文选取承受力最大的第3根横梁计算,其最大载荷为2 312.4 kN.计算模型分别见图4(a)和图4(b).计算结果如下:Mises应力云图如图4(c)和图4(d)所示,上横梁σmax=113 MPa<[σ]=157 MPa(材料为Q235B),下挂梁σmax=204 MPa<[σ]=230 MPa(材料为Q345B),故横梁满足强度要求.

图3 后支腿计算模型与计算结果Fig.3The calculation model and calculationresults of the rear leg

2 造桥机预压载试验

2.1预压载试验方案

以因地制宜为原则,采用沙袋和水作为预压载荷材料.翼缘板、腹板和前后挡墙均堆沙袋,剩余加载载荷采用抽水替代,预压载试验如图所示.加载分3级:0→60%→100%→104%,分别测试造桥机各测点的应力值和主梁变形值.卸载也分3级进行:104%→100%→60%→0,卸载后,观察各测点变形值以及残余应力.

2.2结构强度检测方案

根据结构有限元计算结果,在主梁、上横梁、下挂梁、中支腿和后支腿等部位共选测点22个,其中应变片16个,应变花6个.共需34个测量通道.

图4 横梁计算模型与计算结果Fig.4The calculation model and calculationresults of the beam

3 实验结果分析

3.1应力值统计分析

3.1.1试验载荷下各测点应力分布

加载到104%工况下,各测点应力计算值与实测值对比分析如表1所示.由表1可知:① 各测点计算应力与试验应力基本吻合,均满足强度要求;② 由左右侧对称位置实测值对比可以看出,右侧应力普遍大于左侧应力,左右中支腿处相差23 MPa,这可能由于制造误差、安装误差等造成,在后续施工过程中应加强观察和检查,尤其是在有风载施工过程中.

表1 移动模架预压试验(加载104%工况)主要关键点结构应力值Tab.1Each measuring point structure stress value(104% load conditionof the overhead launching gantry of the preloading test

注:表格中,左右侧是相对于移动模架前进方向而言;“-”为压应力;表中应变花的应力值为最大主应力或最小主应力中的绝对值较大者.

3.1.2加载过程中的应力统计

由各测点在整个加载过程中的应力变化曲线可知,各测点应力值并非按线性规律增加,甚至出现加载过程中某时刻的应力会超过最大载荷工况下的应力(见图5),这说明由于加载过程中主梁载荷分布的不均匀性,会导致各测点并非一定在最大载荷下出现最大应力.因此,对整个加载过程进行检测是非常必要的.

图5 部分实验曲线图(不考虑结构自重影响) Fig.5 Part experimental value curves(ignoring the weight of the construction)

3.2挠度值统计分析

为了测得加载工况下的挠度曲线,参考主梁净变形云图,在两侧主梁沿纵向方向均布5个挠度测点,位置分别为:0L,L/4,L/2,3L/4,L,其中L为主梁长度.

100%加载工况下实测挠度曲线方程如图6所示,该挠曲线方程可为预拱度调整提供依据.由图可知,主梁最大挠度发生在跨中位置,由于

故主梁满足结构刚度要求.

图6 主梁挠曲线方程图Fig.6 The deflection curve equation of main girder

4 结论

(1) 理论计算与现场加载试验表明,该MSS50双幅整体浇筑式移动模架造桥机满足结构的强度和刚度要求.

(2) 实测挠度曲线方程为施工中调整预拱度提供了依据.

(3) 造桥机在加载过程中,由于载荷分布不均匀,各测点应力和挠度并非按线性规律变化,有些测点甚至会出现瞬时应力超过最大载荷时的应力,所以对整个加载过程进行全程监控和检测是必要的.

(4) 该MSS50双幅整体浇筑时造桥机结构庞大,承载量也很大,由于加工制造误差和安装误差等原因,会造成结构左右侧对称位置产生一定应力偏差,在施工过程中,尤其在有风载工况下施工时,应加强对偏差较大位置进行观察和检查.

[1] 《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述:2014[J].中国公路学报,2014,27(5):1-96.

Editorial Department of China Journal of Highway and Transport.Review on China’s bridge engineering research:2014[J].China Journal of Highway and Transport,2014,27(5):1-96.

[2] 张建超,王军,曹学锋.基于ANSYS的移动模架造桥机结构风振响应分析[J].桥梁机械与施工技术,2007,24(11):41-43.

ZHANG J C,WANG J,CAO X F.Wind vibration response analysis of overhead launching gantrybased on ANSYS[J].Bridge Machinery and Construction Technology,2007,24(11):41-43.

[3] 吕彭民,王斌华,刘兴车.大型造桥机工作状态数值模拟与试验[J].长安大学学报(自然科学版),2008(2):104-107.

LÜ P M,WANG B H,LIU X C.Numerical simulation and test of large overhead launching gantry[J].Journal of Chang’an University(Natural Science Edition),2008(2):104-107.

[4] 唐超.防止移动模架失稳的安全控制措施[J].水利水电施工,2009(6):85-88.

TANG C.The safety control measures of protecting the unstability of overhead launching gantry[J].Construction of Water Conservancy and Hydropower,2009(6):85-88.

[5] KASSABIAN P,MCCALL M,DUSENBERRY D,et al.Collapse of the I-280 Maumee River Bridge launching gantry in Toledo Ohio[C]//Structures Congress,Las Vegas:2011:1570-1582.

CalculationanalysisandexperimentofstructuresecurityforthedoubleamplitudeintegrallyoverheadlaunchinggantryMIJiachuan

1,LÜPengmin2,GUANZeqiang2,GUIFajun2,SHIYanni2

(1.Shandong Heng Kun Machinery Co.,Ltd.,Jinan 250014,China; 2.Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

MSS50 double amplitude integrally overhead launching gantry was taken as study object in this paper.Using finite element analysis software,the strength and rigidity of it was checked.According to the results of the calculation,the stress and deformation test points were determined.Before the overhead launching gantry used,the pre-loading test was done.The tes tresults shown that:the analysis and experimental results were basically coincide,and the overhead launching gantry satisfied the intensity and the rigidity requirement.The measured deflection curve could provide reference for adjusting the pre-camber.As the non-uniformity of the actual load in the loading process,the stress of each measuring point did not change in the linear,even appearing the stress exceed the stress of the maximum loading case.Therefore,to monitor the loading process was necessary.Owing to the structure of the double amplitude overhead launching gantry very large,affected by the processing and installation error,the stress on the left-right legs appeared deviation and non-uniformity in loading processing,which should be strengthened the observation and detection in the construction processing,especially in the processing of wind load.The results in the paper can also provide reference for the design and construction of the overhead launching gantry.

double amplitude pouring; overhead launching gantry; finite element analysis; preloading test; pre-camber

U 445.36

A

1672-5581(2017)04-0365-05