铝合金梁外桁架检查车力学性能分析

孙睿成

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

关键字：SAP2000；检查车；桁架结构；力学分析

0 引言

桥梁作为我国连接各地的主要交通要道，影响着城市之间的经济发展和社会进步，在现代交通体系中发挥着不可或缺的作用.为提高桥梁的使用安全性和耐久性，需要定期的对桥梁进行全方位的检查与维护要求[1].衡亚霖设计了一种性能好、稳定性高的检查车，研究表明通过增大履带与主揽接触面积使整体的抗风性能增强[2].和丽梅改良了一种桁架式高性能的检查车，研究表明该检查车的工作平台通过稍轴与旋转桁架连接，在结构上有了创新[3].邓巧利通过研究港珠澳大桥组合梁梁外检查车，指出目前国内检查车的不足，提出改进并通过有限元分析计算，使得检查车既达到了安全可靠，节能环保，又提高了经济效益[4].

本文以一种铝合金梁外桁架检查车为例，在真实负载驱动系统运行的环境下，进一步提升梁外检查车的安全性和效率性.运用SAP2000软件对该铝合金梁外桁架检查车进行有限元模拟，研究检查车结点位移，支座反力等是否满足正常使用要求.

1 工程概况

该工程为云南某地的高速公路桥，桥面距江面163 m，设计车速为80 km/h，桥梁标准宽度25.5 m，荷载设计标准为城-A级标准.桁架梁高23.5 m，跨度14.8 m.检查车主要由桁架系统、龙门架、驱动系统、电器控制组成.其中桁架系统主要由桁架梁和栏杆组成，桁架结构主要承受自重及操作人员、维护检查器具物品等荷载.为了增加桁架材料的耐久性，主体采用材质6061-T6规格的铝合金管(力学性能详见表1)，可以有效减轻检查车的质量并大幅提高桁架的使用寿命.其中方管的截面尺寸为100 mm×100 mm×6 mm和50 mm×50 mm×5 mm，分为作为上下弦杆和腹杆.维修人员可通过检查车端部沿桁架爬笼进入检查车中，进行维护检查作业.检查车不使用时应停靠于过渡墩旁，临时停靠时采用工具使检修车与轨道固定，避免滑移.检修人员可以通过使用无线遥控发射器来控制检查车运行.

2 SAP2000有限元分析计算

2.1 检查车模型的建立

有限元模型建立得是否合理，直接影响着有限元后续的计算精度和进程.该铝合金梁外检查车采用的桁架结构，因杆件构件和连接节点数量较多，结构构造较复杂，为了简化模型，运用AutoCAD软件按照不同的截面尺寸大小分类进行三维建模，接着将模型文件输出为dxf格式，并在有限元软件SAP2000中打开，如图1所示.按照标准定义材料为6061-Ti铝合金的属性参数，并分别分配到不同尺寸的杆件中，完成桁架模型的创建.

表1 6061-T6铝合金的力学性能

图1 桁架结构模型

2.2 有限元计算工况

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，桁架结构的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].为了检验检查车的安全性，需要在工作状态下分析其荷载下的力学性能，分为2种实际工况：工况1，在正常使用极限状态中，操作人员作用于桁架跨中处，风荷载水平作用于桁架平面(6级)；工况2，在正常使用极限状态中，操作人员作用于桁架悬臂端处；风荷载水平作用于桁架平面(6级)[6].

在分析计算桁架主体强度时，结合有关设计标准和实际工作的情况，需要考虑以下荷载：

1) 恒荷载.主桁架自身重力为30.357 kN，在进行有限元软件SAP2000分析时，系统默认自行添加.

2) 活荷载.分别为施工人员及焊接或喷漆设备重力：均布荷载20 kN、小车集中荷载10 kN和两端桁架爬笼的重力2 600 N.

3) 风荷载.根据《起重机设计标准》，检查车最大运营风速为6级(12 m/s)，桁架结构风荷载为

PW=CKhqA，

式中：C为风力系数；Kh为风力高度变化系数；q为计算风压；A为迎风面积.

根据《起重机设计规范》(GB 3811—2008-T)，直边型杠桁架结构风力系数C=1.7.桥面距江面高度163 m处，取Kh=2.23.桁架截面2点间隔比a/b=724/700=1.03≈1；桁架的充实率φ=各杆实际积/结构轮廓面积=0.26，参考新规范表，挡风折减系数η=0.654.

工作状态时，下桁架结构的总迎风面为

A=φA1(1+η)=0.26×(32.62×0.724)×

(1+0.654)=10.156 m2.

以此类推，上桁架结构的总迎风面积为

A=φA1(1+η)=18.75 m2.

桁架结构在6 级风作用时，受到的风载荷为

PW=1.7×2.23×150×18.75=16 437 N.

根据《建筑结构可靠性设计》(GB 50068—2018)按正常使用极限状态设计时，采用标准组合：1.3活荷载+1.5风荷载+1.5集中荷载+1.5均布荷载，分别定义2种工况.

通过SAP2000软件模拟出2种工况下的加载方式：

1) 工况1.用SAP2000软件默认自行添加桁架的恒荷载，添加的均布荷载为0.618 kN/m，由于检查车走道板长度为32.62 m，主桁架上共设置144个节点，每个节点平均施加140 N的力.添加小车的集中荷载为10 kN，施加于主桁架一侧端部8个节点上，每个节点平均受到1 250 N的力.添加的桁架爬笼的重力大约是2 600 N，平均施加在桁架两侧端部的8个节点上，每个节点平均受到325 N的力.桁架的风荷载大约为1.6437 kN，迎风面共有100个节点，每个节点平均受到165 N的力，考虑检查车桁架结构强度.

2) 工况2.恒荷载、均布荷载、风荷载以及爬笼质量依照工况1施加在桁架结构上；添加小车的集中荷载作用施加于主桁架跨中部位，考虑检查车桁架结构强度.

2.3 运行结果分析

2.3.1 支座处节点内力计算

根据钢箱梁的结构形式，这种铝合金梁外桁架检查车采用悬挂式吊车方案，驱动机构通过钢轮履带轮倒置于工字钢轨道上.桁架与驱动机构通过龙门架相互连接在一起，在电机的驱动下运行，所以检验龙门架的承载力及螺栓强度等情况，必须要分析检查车支座处的受力情况[7].按照规范计算工况1，通过SAP2000将恒荷载、活荷载、风荷载按照实际情况定义出工况，得到支座节点内力图(见图2)，分析得出桁架支座处最大内力出现在竖直方向，为32.077 kN.计算工况2得到竖直方向最大的支座节点内力为25.972 kN(见图3).发现数值都小于此处螺栓的连接强度，表明检查车制作连接牢固可靠，在实际工作状态下此处的连接强度符合设计要求.

图2 工况1下的节点内力

图3 工况2下的节点内力

2.3.2 节点位移计算

当桁架处于工作状态下，桁架主要承受检修人员和维护检测器具等物品的质量以及高空位置上的风荷载、活荷载与均布荷载.检查车运动至端部区域时，此时桁架结构在其端部处的变形最大.当检查车运动至跨中区域时，此时桁架在其跨中点处的位移变形将最大.

应用SAP2000分析得到，当梁外检查车处于端部时，桁架的最大位移为9 mm(见图4)，当检查车处于跨中时，桁架的最大位移为 1.4 mm(见图5).分析所得最大位移小于《铝合金设计规范》(GB50429—2007)最大挠度的容许值，检查车在该工况下能正常工作.

2.3.3 桁架杆件轴力计算及应力比

通过SAP2000有限元分析得到轴力和应力比来演算桁架杆件的设计强度.当检查车在工况1下作用于悬臂端时，最大应力比为0.546，最大轴力为23.611 kN(见图6).当检查车在工况2作用于跨中时，最大应力比为0.34，最大轴力为 14.02 kN(见图7).这2种工况所计算的应力比和轴力均符合设计规范，低于6061-Ti铝合金所能承受的最大应力比和轴力.说明检查车在实际工作状态下桁架结构安全牢固，且力学性能符合其规范要求的.

图4 工况1下的节点位移云图(单位：mm)

图5 工况2下的节点位移图及变形图(单位：mm)

(a) 应力比云图

(b) 轴力分布

(c) 轴力数据图6 工况1下的应力比和轴力数据

(a) 应力比云图

(b) 轴力分布

(c) 轴力数据图7 工况2下的应力比和轴力数据

3 结论

1) 该桁架结构支座处最大反力为32.077 kN，表明螺栓和龙门架的连接强度符合设计要求.

2) 该桁架结构在正常使用过程中最大节点位移为35.4 mm，在许可范围内，表明检查车具有较好的稳定性.

3) 该桁架结构正常使用过程中最大应力比为0.546，最大轴力为23.511 kN，表明该桁架检查车的设计强度能达到使用要求.