施工吊架静力性能的有限元分析

吴恒

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

桥梁施工吊架属于大型桁架结构，基于贝雷架结构的吊架自重大、制造成本高、施工费时。本文采用了一种新型的桁架结构，该施工吊架，由作业平台，吊索钢丝绳和吊索锚固点三部分组成。其实物图如图1所示，作业平台直接承受作业人员、材料及辅助工具荷载；作业平台由八根吊索钢丝绳悬吊于主梁下方，中央分隔带侧和桥梁外侧各四根（其中两根为主吊索，另两根为保险吊索）；中央分隔带侧吊索由龙门吊机牵引，桥梁外侧吊索由固定于钢管架上的电动葫芦牵引。施工人员在作业平台上可以完成桥梁底部、桥墩、腹板、翼缘板的涂装作业。施工吊架的安全性必须予以高度重视，如果出现强度、刚度不足，易引发施工人员安全事故。基于有限元方法计算桁架能获得很好的计算精度，本文建立了有限元分析模型对采用的施工吊架进行强度、刚度校核计算，以保证其施工安全。

图1 施工吊架实物图

1 施工吊架的结构

施工作业平台骨架外形主视图如图2所示，沿着长度方向分成5个模块，其中6m长度模块数量为4个，中间有一个4m长度的模块。作业平台总长度28m，高度为1.2m，宽度0.9m。图3所示为吊架平台外形俯视图。每个模块采用四种型钢焊接而成，模块之间采用螺纹连接成。四种型钢分别为6.3号槽钢，10号工字钢，1寸无缝钢管（壁厚2.5mm），等边角钢（宽60mm，厚6mm）。主要承力件为底部为工字钢，上部为槽钢，侧面、地面布置多个等边角钢和无缝钢管以提高侧向稳定性和整体刚度。骨架组装好后，在其上牢固安装厚度5cm的竹胶板形成作业平台。

图2 吊架平台外形主视图

图3 吊架平台外形俯视图

施工作业平台施工时承载主要包括自重，施工人员重量，机具、材料等施工荷载。实际作业人员不超过6人。计算中除了吊架自重，按照8000N载荷加载，方向与重力方向相同。

2 有限元分析模型

为了对结构的力学特性进行分析，采用大型通用有限元ANSYS软件进行分析，按照结构的实际结构、型材，建立了有限元分析模型。如图4所示。

图4 施工吊架有限元分析模型

材料参数按以下取值：钢材密度为7850kg/m3，钢结构型材弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比取0.3。

该模型采用了四种截面形状梁单元，共建立206个节点、423个梁。网格划分共846个单元。在两端四个节点上进行了约束。

加载8000N的载荷按照两种情况进行加载。第一种情况是按照正常作业时采取均布加载，将载荷均匀加载到平台底面的节点上，如图5所示为建立的均布加载8000N载荷有限元模型；第二种情况是按照极端工况，当加载8000N载荷集中在平台中间位置为最危险情况。

图5 均布加载8000N载荷有限元模型

3 计算结果与讨论

3.1 按照正常作业时采取均布加载

加载重力与均匀加载8000N载荷后的变形图如图6所示，根据仿真结果，最大变形量27.7mm，小于容许挠度值77.8mm，验算满足要求，安全系数K=2.8。

图6 均匀加载8000N载荷后的变形总位移图

采取均布加载当量应力计算结果如图7所示，最危险截面的最大当量应力为66.3MPa，取碳钢抗拉强度为235MPa，则安全系数K=3.5，满足安全要求。

图7 均匀加载8000N载荷后当量应力图

根据有限元反力计算结果：四根钢丝绳在垂直方向受载较均匀，每根钢丝绳受载在5582～5604N。

3.2 按照极端情况时采取集中加载

加载重力与集中加载8000N载荷（集中施加在结构的中间位置）后的变形图如图8所示，最大变形量为33.7mm，小于容许挠度值77.8mm，验算满足要求，安全系数K=2.3。

图8 集中加载8000N载荷后的变形总位移图

采取集中加载当量应力计算结果如图9所示，最不利截面最大应力为69.1MPa，按照碳钢抗拉强度为235MPa，则安全系数K=3.4，满足安全要求。

图9 集中加载8000N载荷后当量应力图

根据有限元反力计算结果，四根钢丝绳在垂直方向受载较均匀，每根在5581～5605N。

综上所述，该吊架平台结构的强度、刚度及稳定性均满足要求，结构安全。

4 结语

（1）对于本次分析的施工吊架，采用有限元中的梁单元可以准确描述结构组成部件的实际受力特征，按照实际结构组成的尺寸，部件布置安装的方位，约束、受载所采用的有限元法能很准确地分析施工吊架的强度、刚度及稳定性问题。

（2）采用有限元法建立了大型钢结构施工吊架的力学分析模型，按照两种工况进行了强度、刚度、稳定性分析，计算结果表明，所采用的结构强度、刚度及稳定性均满足要求。即使在最危险的条件下当量应力安全系数达到3.4，结构安全。

（3）该型吊架降低了吊架的重量，施工安全方便、制造经济，并可节约工程工期。