伸缩型铝合金桁架检修车力学性能分析

周扬 袁志炀 储海峰 陈东

摘要：桥梁检测（修）作业车（Bridge Inspecting Vehicle，BIV）作为一种桥梁使用过程中的检修以及生命检测的重要设备，已经成为桥梁建设领域和生命周期保养领域中不可缺少的作业设备.本文提出一种伸缩型铝合金桁架检修车，通过有限元分析软件Spa2000对该检查车实际最不利位置工作状态下支座节点反力、节点位移、应力比以及桁架杆件轴力进行力学性能分析.研究结果表明：检查车的强度、刚度、稳定性都在安全控制范围内，具有足够的安全系数，分析的结果将为检查车的结构设计、实际生产以及运维阶段提供理论依据和技术支撑.

关键词：桥梁检测作业车;有限元分析;sap2000;理论依据;技术支撑

中图分类号：TB12;O241  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）08-0072-03

1 引言

桥梁工程是关系社会和经济协调良好发展的生命通道，是当今世界各国国家的重要基础建设之一.随着社会的快速发展，国家对桥梁的投入资金占比越来越大，使得人们对桥梁的安全、稳定性、耐久性越来越重视.但是，当前世界桥梁界都共同面临一个棘手的问题——相当多的桥梁已经进入了“老龄”阶段，出现各种“病害”，甚至常年带“病”运营，潜伏着巨大的安全隐患[1].为了提高桥梁使用安全性，必须定期和不定期对桥梁进行“检查身体”，为养护管理提供直接的数据和依据.但是考虑到其工作面广且多，技术复杂，难度系数较高，以及目前桥梁设计时就同时考虑到检修和养护的需要，所以，提出必须采用先进的检测设备，这样才能一方面快速的提高检测速度，带来经济效益，另外一方面必须有高精度，给桥梁的养护和加固提高精确的数据支持.本文提出了一种伸缩型铝合金桁架检修车，能够很好的满足精度要求和安全要求.为进一步确保该检查车能够在实际工作状态下的安全使用，对该检查车进行有限元模拟，分析其在荷载作用下，检查车支座节点反力、节点位移、应力比以及桁架杆件轴力等是否满足要求.本文的研究成果可为桥梁检查车的结构设计与实际生产提供理论依据和技术支持.

2 工程概况

该项目是上海某市政道路钢箱梁立交桥，设计车速为50km/h桥梁标准宽度42m，荷载设计标准采用城-A级.本桥的钢箱梁梁外检查车主要由主桁架、伸缩桁架、轨道系统组成，桁架总高约为1.25米，跨度约为20.4米，整体采用铝合金方管材料，方管100x6mm和方管50x5mm.工程中采用悬挂式吊车方案，即驱动机构通过钢轮悬挂于工字钢轨道上，桁架梁与驱动机构通过龙门架连接在一起，在电机的驱动下运行.检车车不使用时停靠于过渡墩旁，临时停靠时应采用专业工具使检修车与轨道固定，避免滑移.该检查车能够满足桥体钢箱梁外侧全方位、全立体的检测与维护要求.

3 SAP2000有限元分析计算

3.1 有限元模型的建立

钢桁架检查车有限元模型的建立将是后期进行有限元分析的一切基础，建立模型与实际是否拟合是后续计算分析结果可信度和分析效率的有效保证.因此，进行有限元分析中寻求高质量、快速的有限元模型建立方法有着重要意义.由于桁架构件多、连接节点较多，为了简化模型，此次采用如下步骤：

一、用CAD按照不同图层将线单元和不同截面进行分类建立检查车三维模型，然后用dxf格式的文件输出，再导入到sap2000软件中，即可完成有限元模型的初步建立工作[2].

二、利用sap2000进行材料属性（即铝合金材料：如图2所示）[3]、截面形式（主横杆：如图3，腹杆：如图4）、约束条件的设定等细节处理，完成模型的最终建立（图5和图6所示）.

3.2 加载形式

检查车是桁架结构体系，各杆件截面形心轴线将汇交于节点处.因此，桁架结构在进行内力计算通常是按照铰接约束来处理，所有荷载都施加在杆件各节点处[5].验算检查车是否具有安全性能，只要关注实际情况下最不利状态的位置.为此，笔者根据实际工作的情况以及结构力学理论知识，结合载荷的位置和大小的不同，确定出工作狀态最危险下典型工况，分析时，针对最不利状态下工况对检查车进行力学性能方面的分析[4].具体定义如下：

最不利位置：工作状态下，伸缩桁架全部伸出来，且检查车位于伸缩桁架的最左（右）位置（如下图所示）.

结合相关桁架和检查车设计标准和实际工作情况下，桁架主体静强度分析计算时需要考虑以下主要荷载：

（1）恒载：主要是主桁架、伸缩桁架自身金属结构的重量，其分别为：12.593KN、11.970KN.在进行有限元分析时候，sap2000软件将自动添加恒载.

（2）活载：安装均匀分布荷载，数值为1KN/m2.

（3）风活载：根据检查车工作状态最大风速为6级大风，由《风级、风速、风压对照表》得知：工作状态的风速为12m/s，根据风速按下式计算风压：

在标准状况下，空气密度约为1.29kg/m3，代入数据计算得知：92.88N.

用sap200在以上两种工况下的加载方式如下所示：

（1）伸缩桁架加载方式：恒载采用铝合金材料自重，sap2000自动计算而来;活载采用均布荷载为1KN/m，桁架38个节点每个节点均分施加537N;风荷载计算总量为864N，均分在迎风面各节点为23N.

（2）主桁架加载方式：恒载采用主桁架铝合金材料自重，sap2000自动计算而来，并且加上伸缩桁架对主桁架的作用力;活荷载为分布在桁架的42个节点上，每个均分施加荷载为733N;风荷载为900N，均分在迎风面各节点为15N.

3.3 结果分析

3.3.1 节点反力计算

检查车强度是否符合设计要求，一个重要的指标就是主桁架与伸缩桁架之间的支座反力有没有超过设计值.由图7和图8中伸缩桁架和主桁架的节点反力最大值分别为：28.91KN，40.91KN，小于该类型的桁架承受的最大值.并且发现桁架中的弦杆与腹杆的连接焊缝没有发生破坏，表明检查车在最不利位置中整个检查车的支座连接牢固，且螺栓强度符合设计要求.

3.3.2 位移值计算

检查车在人在最左（右）端的时候将是整个桁架体系变形最大的位置，其主要承受操作技术工人质量、操作平台重量以及其他仪器的重量.另外，此时系统也将承受风荷载、活载、安装的均布荷载作用.所以在分析检查设计是否符合变形设计要求必须考虑在检查车在最左端、最右端的位置处.由图9和图10可以发现，伸缩桁架和主桁架的位移最大值分别为：66.48mm，10.35mm.对比检车车整体的结构和设计要求，变形值在安全的范围区间，说明检查车具有足够的刚度，能够满足实际工作的需要.

3.3.3 检查车桁架杆件应力比及轴力计算

利用sap2000进行桁架的设计强度的验算，通過有限元计算分析得出检查车所有桁架杆件应力比和轴力图，汇总最大值如下表所示：

由以上的表格得知：不管是伸缩桁架还是主桁架的最大应力比以及轴力都在设计的安全范围内.由于这是验算在工作状态下的最不利位置，所以，整个桁架的其他工作状态下的应力比以及轴力比都比表中的数值小，说明了检查车在正常工作状态下桁架都是安全的，所有桁架杆件不会发生破坏，即检查车的桁架设计强度满足规范要求，可投入实际工程使用.

4 结束语

本研究建立在检查车工作状态下最不利位置的有限元分析模型，分别计算了在该状态下的节点反力、位移值、应力比、轴力值的分布以及变化情况.结果表明检查车桁架结构的主桁架以及伸缩桁架的强度、刚度均在安全工作要求范围内，具有足够的安全系数.分析的结果为检查车的设计、生产、使用以及运维阶段提供了坚实的理论依据和指导方法.

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参考文献：

〔1〕和丽梅.桁架式桥梁检测车结构分析与优化设计[D].长安大学，2008.

〔2〕徐欣.港珠澳大桥轨道安装车结构设计与分析[D].长安大学，2016.

〔3〕陈晓霞，李充，鲁二敬，郁志凯，范东宇.焊接工艺对6082-T6铝合金对接接头疲劳性能的影响[J].焊接技术，2018（12）：22-24+5.

〔4〕张文革，李德信，杨世强.悬索桥桥梁检查车力学性能分析[J].机电工程，2016，33（10）：1169-1175.

〔5〕张启贵，谢后生.铁路钢梁桥检查车三维有限元分析[J].建筑机械，2005（09）：61-63.