基于ANSYS的DP60/30B型节段拼装架桥机金属结构有限元分析

韩林山 牛 帅 靳 康

（华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450000）

基于ANSYS的DP60/30B型节段拼装架桥机金属结构有限元分析

韩林山 牛 帅 靳 康

（华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450000）

以DP60/30B型节段拼装架桥机为研究对象，基于ANSYS软件平台，采用APDL参数化语言，实现架桥机的建模。利用ANSYS软件对节段拼装架桥机主体结构在典型工况下的静态特性进行分析，针对危险工况进行强度刚度校核。计算结果为该架桥机主结构的设计提供了参考依据，同时表明，采用参数化有限元分析方法可以更加全面、准确地指导架桥机的设计。

ANSYS；架桥机；有限元法

目前，国内外城市高架路建设几乎都是采用“满堂支架法”进行混凝土梁的现浇施工工法。该工法具有施工占地面积大、工期长的特点，施工期间对道路通行有很大影响。本文针对某公司研发的DP60/30B型节段拼装架桥机金属结构进行检算，借鉴其他行业的先进起重吊装经验，校核拼装式架桥机整体结构强度刚度，利用拼装架桥机的快速性、方便性为铁路桥梁架桥机设计及桥梁架设开辟了一条新的途径，最大限度地避免了传统施工方案的弊端［1］。

ANSYS是一种运用广泛的通用有限元分析软件,其有限元分析过程主要包括：建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析3个步骤。运用ANSYS提供的参数化设计语言（APDL），通过结构设计参数的调整进行优化设计，从而大大减少修改模型和重新分析所花的时间［2］。

1 DP60/30B型节段拼装架桥机结构和工作原理

DP60/30B型节段拼装架桥机结构如图1所示，其主要由起重小车、主框架（由箱式主梁与联系梁组成）、前支腿、中支腿、后支腿、托辊机构、吊挂机构、液压及电气控制系统等组成。拼装架桥机工作原理是当架梁状态时，前、中、后支腿支撑主梁，前、中腿为架梁时主要受力腿，起重小车从后端桥面运梁车上依次提起梁体节段块并对称张拉，完成一跨梁体拼装。当过孔状态，前支腿脱空，中、后支腿及托辊配合，起重小车走行至主梁后端并在过孔后期提起节段梁作为配重，托辊轮与后支腿走行轮配合，前支腿到达前方墩顶并支撑，架桥机纵移到位。

图1 DP60/30B型节段拼装架桥机结构总图

2 建立模型

DP60/30B型节段拼装架桥机在组装完毕后，架桥机依靠前中后三条支腿支撑，架桥机主梁及支腿结构的材料为Q345，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.86×103kg/m3，屈服极限345MPa，许用应力257MPa。因此，进行有限元分析时，各支腿和主梁采用3D梁单元（即beam188单元）进行模拟分析，其中，主梁采用自定义截面。有限元模型如图2所示。混凝土节段块和墩顶块整体比较重，而且结构形式单一，综合考虑截面特性以及材料属性，采用实体单元solid45进行模拟，利用ANSYS软件建立的有限元模型如图3所示。

图2 架桥机整体有限元模型

图3 50t节段块节实体模型

3 作用载荷

3.1 自重载荷

主梁149t，前支腿15.6t，中支腿21t，后支腿2.5t，长吊挂 5.3t×9 ，短吊挂 2.2t×2 ，起重小车16.8t，其他辅助部件的重量均以集中力方式施加在主梁上。

3.2 起升载荷

混凝土节段块重50t×9。

3.3 风载荷

架桥机非工作状态及工作状态下必须考虑所受风载荷，风载荷按式（1）计算：

式（1）中：Pw表示作用在移动模架上的工作状态最大风载荷（N）；C表示风力系数；p表示工作状态计算风压（N/m2）；A表示迎风面积（m2），其等于构件迎风面积的外形轮廓面积A0乘以结构迎风面充实率φ。

架桥机工作状态最大允许承受6级风，非工作状态最大允许承受12级风，受风面为垂直于施工方向时，有最大风载，风载荷主要由主梁及各支腿承受。六级风风压为250N/m2，对于主框架主梁，风力系数取1.75，折减系数取0.2。6级风及12级风各部分机构所受风载荷以均布载荷的形式施加在受风面上。

4 工况分析

根据架桥机的步骤，选择对架桥机结构影响较大的2种工况进行分析。

4.1 工况一

起重小车至后支腿后4m处，12级风空载。

12级为非工作状态，在此工况下，起重小车的重量和风载荷以力的方式施加到主梁上。架桥机整体计算结果如图4和图5所示：最大应力为62.29MPa，发生在后支腿上，其材质选用Q345，许用应力[σS]=257MPa，因此架桥机整体强度满足使用要求。架桥机竖直方向变形最大值为-5.93mm，发生在主梁的最末端，此挠度值极小，因此符合静态刚度标准要求。

图4 架桥机整体应力云图

图5 架桥机整体竖直方向变形云图

4.2 工况二

架桥机满载，长吊挂全外挂，6级风载，起重小车至前跨跨中。

6级风下，架桥机吊装完各节段块后，三节长吊挂上的节段块悬挂在主梁外（即悬挂在外挑梁上）。起重小车停靠在前支腿与中支腿中间，起重小车的重量以载荷的方式施加到主梁上。架桥机整体计算结果如图6和图7所示：最大应力为183.05MPa，发生在中支腿上，其材质选用Q345，许用应力[σS]=257MPa，因此架桥机整体强度满足使用要求；架桥机整体竖直方向最大位移为-41.38mm，出现在前支腿与中支腿中间位置。此工况时，两个支腿之间的跨度为30m，f=41.38mm＜S=60mm，符合静态刚度标准要求。

5 结论

本文通过ANSYS有限元分析软件，完成对DP60/30B型节段拼装架桥机典型工况结构仿真分析。通过对计算过程及结果的分析可以得出，运用APDL建模可以提高建模效率，且可以精确反映架桥机在各个工况下各部件的力学性能，对所出现的应力较大位置处及时进行局部加强，为结构安全性评价提供理论依据，并为类似结构设计研究提供参考［3］。该设计技术已得到工程实践的验证。

图6 架桥机整体应力云图

图7 架桥机整体竖直方向变形云图

［1］李方峰，汪芳进.拼装式架桥机施工设计［J］.铁道工程学报，2012（9）：59-64.

［2］赵长勇，张系斌，翟晓鹏.基于ANSYS参数化语言APDL的结构优化设计［J］.山西建筑，2008（3）：362-363.

［3］韩林山，於进，钟艺谋.基于ANSYS的胎带机布料臂架全工况分析［J］.施工技术，2013（18）：118-121.

Metal Structure Finite Element Design Technology of DP60/30B Bridge Girder Erection Machine Based on ANSYS

Han Linshan Niu ShuaiJin Kang
（College of Mechanical Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

In DP60/30B Bridge Girder Erection Machine as the researched object,based on ANSYS software platform,using APDL parametric design language,the modeling of Bridge Girder Erection Machine was real⁃ized.The static characteristics of the main structure of Bridge Girder Erection Machine under typical work⁃ing conditions are analyzed by using ANSYS software.And checking the strength and stiffness of the dan⁃gerous working condition.The calculation results provide a reference for the design of the main structure of the Bridge Girder Erection Machine.At the same time,the parametric finite element analysis method can be used to guide the design of Bridge Girder Erection Machine more comprehensively and accurately.

ANSYS；bridge girder Erection machine；finite element method

TH218

A

1003-5168（2017）12-0023-03

2017-11-01

河南省科技攻关项目（172102210051）。

韩林山（1964-），男，博士，教授，研究方向：机械设计及理论；牛帅（1991-），男，硕士，研究方向：机械设计及理论；靳康（1991-），男，硕士，研究方向：车辆工程。