缆索起重机结构有限元分析

田亚男, 张卫星

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009； 2.中国能源建设集团 安徽电力建设第二工程公司， 安徽 合肥 230031)

缆索起重机是指以柔性钢索作为大跨距架空承载构件,供悬吊重物的载重小车在其承载索上往返运行,具有垂直运输和水平运输功能的特种起重机械[1-3]。缆索起重机在水电桥梁工程建设中的使用,尤其在布置场地狭窄、两岸陡峭高山峡谷的水电桥梁工地建设的应用已越来越广。李德钦等[4-6]采用悬链线计算方程、几何分析法、张力状态方程等方法对缆索吊体系进行了全面的验算,并在其荷载试验过程中对结构应力、变形进行了验证,提高了承载索的计算准确性。冉茂学[7]对缆索吊机承载缆进行了优化计算,以及对缆索吊机进行了细部设计优化。余常俊等[8-11]通过缆索吊机施工实例,对缆索吊机的设计方法、安装程序、加载试验方式、风险因素进行分析,为以后大跨、大吨位重力吊装体系的设计和施工提供了经验数据和理论指导。然而,缆索起重机塔架的强度、刚度和稳定性与塔架结构形式密切相关。本文对某工程所用LQ800缆索起重机塔架进行了力学分析研究。

LQ800缆索起重机塔架是一种钢架组合体系,主要有塔架底单元、塔架标准单元、工作平台、钢塔架顶梁和侧索鞍等部分构成。在运行阶段,缆索起重机受主索力、背索力、牵引力、起重力以及风荷载的作用。

1 缆索起重机塔架结构

缆索起重机塔架主体结构由3组塔底单元、3组塔顶单元、2组工作平台、索鞍等组成。缆索吊机4×20T,主索8根,单钩2根, 2×Φ58mm,抗拉强度2 160 MPa,牵引索Φ24mm,抗拉强度2 160 MPa,起重索Φ24mm,抗拉强度1960 MPa。

塔架总高度为19.363m,塔身为钢结构,基础为钢筋混凝土结构,设置6根桩以增加稳定性,塔架跨库两侧用岩锚梁锚固。单个塔架单元尺寸为4 557mm×4 557mm×800mm, 单个工作平台单元尺寸为4 557mm×4 557×4000mm,钢塔架顶梁尺寸为4 557mm×13 671mm×1082mm,索鞍尺寸为4 557mm×6 000mm×2 065mm。塔架立柱采用Φ529mm×10 mm钢管,顶梁采用Φ273mm×10mm钢管,索鞍采用400mm×208mm×29mm×18mm×18mm工字钢和10号槽钢,以及∠125mm×125mm×10mm、∠75mm×75mm×8mm等型钢材料。

2 结构与有限元模型

根据LQ800缆索起重机设计图纸,应用软件MIDAS/Civil建立结构的有限元模型。塔架结构承受荷载包括自重、主索力、背索力、牵引力、起重力、风荷载等。其中,塔架自重通过MIDAS/Civil中的重力加速度模块予以施加。

缆索起重机塔架是一个庞大的空间力系杆件系统,严格依据缆索起重机设计图纸及相关的设计规范手册选取载荷、截面参数,应用MIDAS/Civil软件建立结构有限元模型。结构材质均为Q345钢材,弹性模量E=2.06×1011Pa,密度ρ=7.85×103kg/m3,泊松比μ=0.3。

施工过程中主索与水平方向的夹角最小为3°、最大为16°。塔架结构有限元模型如图1所示。

2.1 边界条件

有限元模型中整体坐标系为笛卡尔直角坐标系, x轴平行于河道方向,y轴垂直于河道方向,z轴沿竖直方向,正方向朝上。塔架底部立柱与基础的法兰连接采用底部刚性约束模拟。塔架系统钢管柱、角钢、槽钢均按梁单元模拟,杆件焊接、铆接及板材加强处按刚接处理。主索预拉力、牵引力、起重力均以节点力方式施加于耳板及定滑轮所在位置。背索采用桁架单元模拟,将预拉力以初始拉力形式施加在桁架单元上。

2.2 塔架荷载

除重力荷载外,塔架承受的荷载有5类:T1为主索拉力,8根主索,单钩2根,分为4根作用在主索锚轮上,每根T1=195t;T2为背索初始拉力,4根背索作用在架体耳板上,每根T2=10t,与水平面夹角16°;T3为10t牵引卷扬机作用力T3=10t;T4为7.9t起重卷扬机作用力T4=7.9t,塔架结构受力图,如图2所示。

温度荷载分别考虑塔架结构整体升温15℃,降温15℃。

风荷载按《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2012)[12]计算,并换算成节点力,分别沿x、y方向施加在结构节点上,x方向风荷载作用图如图3所示。

本文风载计算公式如下:

F=A×Φ×WZ

(1)

WZ=βZ×μS×μZ×W0

(2)

(3)

其中,F为风荷载;WZ为计算风压;A为构件迎风面积;Φ为填充系数;βZ为z高度处的风振系数;μS为风荷载体型系数;μZ为风压高度变化系数;W0为基本风压,取值为0.64kN/m2;ξ为脉动增大系数;ν为脉动影响系数;φz为振型系数。其中:Φ取0.4;由于整个塔架高度不超过20m,为简化计算,塔架结构统一取βZ取1.5;μS取2;μZ取1。

图1塔架结构有限元模型 图2塔架结构荷载图 图3x方向风荷载图

3 计算分析

由于风荷载沿y轴正方向和沿y轴负方向对塔架结构作用效果相同,故只取风荷载沿y轴正方向的计算结果。

3.1 计算工况

表1 不同工况的参数值汇总表

3.2 计算结果

对9种工况进行有限元分析,部分工况的整体变形、应力云图,一阶屈曲模态图如图4～图6所列。

图4 工况1整体变形、应力云图

图5 工况4整体变形、应力云图

图6 工况7整体变形、应力云图

塔架结构在不同工况下的最大变形、最大应力和背索最大内力计算结果,如表2所列。

结果表明,随着主索与水平方向的斜拉角度的增加,结构整体位移、应力呈现上升趋势;背索内力呈现下降趋势。选取在x正方向风荷载作用下的计算数据为例,如图7所示。

表2 不同工况作用下架体计算结果汇总表

图7不同主索斜拉角度作用下架体计算结果趋势图

图8 一阶屈曲模态图

工况1～3中,最大Von-mises应力为76.4MPa;工况4～6中,最大Von-mises应力为91.5MPa;工况7、8中,最大Von-mises应力为121MPa。工况1～工况8,最大Von-mises应力为121MPa,位于塔底单元竖向钢管底部约束部位。且由规范可知[13],最大计算应力小于材料Q345钢的许用应力295MPa,因此塔架结构满足强度要求。

背索内力最大计算值为3.7×105N。根据背索内力计算结果,由文[14]选取第2组6×7类,直径为26mm,抗拉强度1870MPa,最小破断拉力为454kN的钢芯钢丝绳。

在计算荷载作用下对塔架结构作理想弹性屈曲分析,如图8所示,结构一阶屈曲荷载系数k=7.6。说明塔架结构发生一阶屈曲失稳的临界荷载是计算荷载的7.6倍,因此塔架结构在计算荷载作用下不会发生稳定性破坏,架体结构满足稳定性要求。

4 结 论

本文通过应用有限元软件MIDAS/Civil对缆索起重机结构进行力学性能分析,得到其变形、应力分布情况,并对塔架结构作整体稳定性分析。主要结论如下:① 缆索起重机结构最大位移和应力值均小于许用值,整体结构满足相关规范要求。② 塔架结构整体屈曲分析的临界荷载系数为7.6,架体结构满足稳定性要求。③ 随着主索斜拉角度的增加,塔架结构整体位移、应力总体上也在增大,但是背索内力总体上在降低。故在架体结构运行过程中,需要综合考虑位移、应力、背索内力的制约关系,合理选用材料截面形式。