上行式移动模架旋转鼻梁机构的有限元模拟

徐瑞君，王斌华，秘嘉川

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.山东恒堃机械有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

移动模架是现代桥梁、公路、高铁建造施工中普遍使用的大型机械设备[1]，其能标准化施工作业，在满足施工质量的前提下大大提高施工效率，同时由于其操作简单，可以节省很多人力成本[2]。针对不同工况需要不同的移动模架施工法[3-4]，常见的上行式移动模架由主梁、鼻梁、上横梁、下挂梁、支腿、小车、内外模板和液压千斤顶等组成，下行式移动模架由主梁、鼻梁、横梁、牛腿、小车、内外模板和液压千斤顶等组成，其能够高效完成在桥墩上开模过孔与对混凝土合模浇筑等作业[5-6]。

鼻梁在开模过孔作业中会面对很多复杂工况，在对平曲线桥梁路段施工时，因桥梁平曲线半径较小，鼻梁会使桥墩承受偏载，使整体施工安全性降低，故移动模架纵移过孔的可靠性成为施工中关注的重点之一[7-8]。然而传统的移动模架分析很少考虑开模过孔时，鼻梁旋转连接块销轴连接处的应力情况，本文以上行式移动模架开模工况下旋转鼻梁为分析对象，将鼻梁各构件间的旋转连接块旋转到一定的角度，以适应平曲线半径500 m以下的曲线桥梁路段。选取桥墩32.7 m跨距下，桥梁施工直线段(鼻梁旋转连接块0°旋转度)和平曲线(鼻梁旋转连接块3.5°旋转度)两种工况，进行鼻梁开模过孔的有限元分析。

1 上行式移动模架开模过孔原理

图1为移动模架过平曲线桥段的开模行走示意图。上横梁、下挂梁与主梁用销轴铰接，用于支撑浇筑混凝土，鼻梁将把上述机构运送到下一段桥墩处，以便进行下一工况的混凝土浇筑。鼻梁和主梁由高强螺栓连接，开模行进过程中鼻梁承担主梁和设备重量；前支撑为桁架结构，在开模过孔行走时支撑鼻梁；中支腿和后支腿为钢板焊接箱型梁结构，在混凝土浇筑时支撑主梁；在移动模架开模过孔作业过程中，鼻梁由后纵移驱动前进。

图1 上行式移动模架过平曲线桥段开模过孔行进图

2 移动模架有限元模型建立

2.1 ANSYS有限元模型建立

图2(a)所示为上行式移动模架系统的主梁、上横梁、下挂梁和鼻梁有限元计算模型。其中，移动模架的整体结构，包括主梁、上横梁、下挂梁、鼻梁和支腿均采用ANSYS中梁单元BEAM188模拟，鼻梁和主梁由高强螺栓连接，鼻梁整体结构后端和主梁采用全耦合的形式模拟螺栓群的连接。如图2(b)所示为鼻梁旋转连接块处有限元模型局部视图，其中需要精确分析的鼻梁旋转连接块采用板壳单元SHELL181模拟，鼻梁构件间的连接销轴采用实体单元SOLID185模拟。为模拟销轴和套筒之间力的传输情况，销轴和套筒之间的接触面采用接触单元模拟，鼻梁旋转连接块和鼻梁其余部分采用全耦合的连接方式来模拟实际结构，以满足载荷由鼻梁传送至鼻梁旋转连接块处的销轴。

图2 上行式移动模架有限元模型

2.2 载荷施加形式

对于鼻梁结构分析，为使仿真结果更接近于实际工况，需要将移动模架的整体部分建模，满足外载荷传导形式为“下挂梁-上横梁-主梁-鼻梁-鼻梁旋转连接块”的开模过孔实际工况。移动模架开模过孔的载荷施加情况如下：主梁、上横梁、下挂梁与鼻梁自重通过 ANSYS 软件自动计算，外模板自重以外荷载方式施加在有限元模型上。如图1(b)所示，该移动模架共有8个下挂梁，每个下挂梁有受力对称的6个支撑支点，开模纵移过程中，外载荷仅为外模板自重，将其等效施加在下挂梁的支点上。每个下挂梁相同支点编号所受载荷之和，如表1所示。

表1 开模过孔下挂梁施加载荷(单位：N)

2.3 约束条件

在移动模架开模过孔实际工况下，小车与后纵移支撑主梁并驱动主梁前进，前支撑支撑鼻梁并给予鼻梁水平导向，故鼻梁在移动模架开模过孔过程中施加约束情况如下：主梁在后纵移支撑处采用UX、UY、UZ的约束形式，鼻梁前端由前支撑支撑，前支撑滑梁的双滑道分别支撑鼻梁的两根下弦杆，其中一个支撑处采用UY竖向约束，另一个支撑处分别采用UY的竖向约束和UZ的水平约束，并通过改变约束位置模拟移动模架鼻梁从开模纵移原点到纵移终点的多种过孔状态。

3 有限元计算结果

3.1 鼻梁旋转连接块有限元结果分析

鼻梁开模行走时，会遇到直线段和平曲线桥梁的施工工况，对于平曲线桥梁的施工工况，可将鼻梁的旋转连接块自旋一定角度，以更好地适应这种弧线段施工工况，故需要对旋转连接块处的销轴及其套筒进行力学仿真分析。

图3、图4为鼻梁旋转连接块旋转0°和3.5°时销轴的最大VonMises应力云图，其中，0°旋转角上销轴和下销轴最大Von Mises应力分别为151 MPa和57.8 MPa，3.5°旋转角上销轴和下销轴最大VonMises应力为159 MPa和59.6 MPa，0°和3.5°工况时的最大应力接近，均小于许用应力[σ]=523 MPa[9]，故均满足强度要求，且在0°和3.5°工况下的最大应力均发生在开模纵移行进到鼻梁旋转连接块与前支撑接触处。

图3 0°旋转角上销轴(左)及下销轴(右)最大应力

图4 3.5°旋转角上销轴(左)及下销轴(右)最大应力

图5、图6为鼻梁旋转连接块旋转0°和3.5°时套筒的最大VonMises应力云图，其中，0°旋转角上套筒与下套筒最大Von Mises应力分别为162 MPa和36.7 MPa，3.5°旋转角上套筒与下套筒最大VonMises应力为162 MPa和34.2 MPa，0°和3.5°工况时的最大应力接近，均小于许用应力[σ]=230 MPa[9]，故均满足强度要求，且在0°和3.5°工况下的最大应力均发生在开模纵移行进到旋转连接块刚好脱离前支撑时，且在旋转连接块与前支撑脱离接触处到鼻梁前端还未与下一个前支撑接触期间，套筒应力稳定在最大值附近。

图5 0°旋转角上套筒(左)及下套筒(右)最大应力

图6 3.5°旋转角上套筒(左)及下套筒(右)最大应力

图7、图8为鼻梁开模过孔按顺序纵移不同距离时，在鼻梁旋转连接块分别旋转0°和3.5°工况下，对应的销轴及其套筒的最大VonMises应力分布图，图中开模纵移距离为22 m处即为上述开模纵移行进到鼻梁旋转连接块与前支撑接触处，此时销轴处于最大应力状态。开模纵移距离为30 m处为鼻梁前端开始与下一个桥墩的前支撑接触处，此时上销轴和上套筒的应力急剧变小，移动模架整体回复到下一阶段的开模纵移原点状态。

图7 鼻梁旋转连接块0°旋转角开模纵移不同距离VonMises应力分布

图8 鼻梁旋转连接块3.5°旋转角开模纵移不同距离VonMises应力分布

3.2 开模纵移至最危险工况时移动模架整体有限元结果

由图7、图8可知，开模纵移最大应力发生在鼻梁旋转连接块3.5°旋转角开模纵移23 m时。此时整体轴向应力为49.1 MPa，竖向变形为67.2 mm，满足所需强度、刚度需求，如图9所示。

图9 开模纵移至最危险工况时移动模架整体有限元结果

4 结束语

1)移动模架鼻梁承担了桥梁建造施工中，运送混凝土浇筑机构的重要任务，其结构狭长，需要根据具体施工工况进行力学分析，提供安全保障。移动模架在过平曲线桥梁时，将鼻梁各构件间进行不同的角度旋转以适应不同的平曲线桥梁，在提高移动模架施工效率方面具有很大的优点。

2)通过本文分析得出鼻梁在直线段(鼻梁旋转连接块0°旋转度)与平曲线(鼻梁旋转连接块3.5°旋转度)两种开模过孔工况下，应力满足工况所需。

鼻梁开模纵移过程中，根据不同纵移距离对应的VonMises应力分布图得出：开模纵移中，旋转连接块处销轴的最大应力发生在旋转连接块移动至前支撑时；套筒的最大应力发生在到旋转连接块刚好脱离前支撑时，且在旋转连接块与前支撑脱离接触处后到鼻梁前端还未与下一个前支撑接触期间，套筒应力稳定在最大值附近。

3)对比鼻梁旋转连接块0°和3.5°旋转角时鼻梁的力学性能，可知与桥梁直线段施工(鼻梁旋转连接块0°旋转度)相比，平曲线(鼻梁旋转连接块3.5°旋转度)施工下，鼻梁旋转连接块处应力不会明显增大，验证了鼻梁构件间设置旋转连接块以适应平曲线桥梁的可行性。