上行式移动模架横梁结构有限元分析

姬方方，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

移动模架造桥机是一种自带模板、利用两根纵梁支撑、对混凝土桥梁进行逐孔向前现场浇注的一种大型桥梁建造设备[1]。因为具有占用空间少、设备投入成本低、对环境适应性强和承载能力强等优点，而被广泛的应用到公路和铁路的桥梁建设工程中[2]。移动模架在投入使用前需要进行强度和刚度校核，以确保施工安全[3-4]。

该文的移动模架为上行式移动模架，其主要组成部分为主梁、鼻梁、上横梁、下挂梁、支腿、小车、内外模板和液压千斤顶等[5]。笔者选取移动模架中由上横梁和下挂梁组成的横梁结构进行研究。采用有限元分析软件 ANSYS 对该上行式移动模架系统的横梁结构在浇筑和开模工况下的受力进行分析计算，校核其结构强度能否满足施工要求，确保结构设计的安全。

1 横梁结构的主要组成结构与作用

横梁结构由上横梁、下挂粱、上横梁滑座横、移推动架、吊杆及上下吊粱组成，其结构图及在移动模架中的位置如图1、2所示，上横梁通过上横梁螺旋顶固定在主梁上面，起到连接下挂粱和主梁的作用，并将收到的力传递给主梁。下挂粱负责悬挂内外模板，混凝土等结构。在开模过孔前，下挂粱可以从中间打开，并在横向机构作用下带动外模板横向移动脱模，使得移动模架能够顺利通过桥墩，移动到下一个工位。横移推动架为横移机构通过横移油缸带动下挂粱和内外模板横向打开和合拢，之后由横梁滑座进行锁定避免发生横向滑动。横移推动架和上横梁滑座通过销轴将上横梁和下挂粱连接在一起，部件之间的接触比较复杂需要进行校核。

图1 移动模架横向总装图

2 移动模架有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

图3(a)、(b)分别为移动模架横梁结构合模和开模状态的有限元计算模型。在ANSYS有限元分析中上横梁、下挂梁、滑座、横移推动架及下吊梁采用板壳元SHELL181来模拟,油缸、螺旋顶旋杆及吊杆用梁单元BEAM188模拟，销轴采用实体单元SOLID185，由于横梁结构为对称结构可以1/2结构建模，并通过对称约束进行仿真。在ANSYS仿真中可以在保证准确度的前提下对模型进行适当的简化，缩减计算时间，提高计算效率。例如下挂粱由五部分组成，每个部分之间通过高强度螺栓进行连接，实际情况下各个部分间可以近似的认为没有发生相对滑动，可以很好的传递力和力矩，在建模时可以将挂粱当成一个整体建模，实现了模型的简化。

图2 横梁结构示意图

图3 有限元模型

2.2 载荷计算

在移动模架开模过孔是时计算模型受到的载荷有：上横梁、下挂梁自重通过 ANSYS 软件自动计算，内外模板的重量以外载荷的形式通过下挂粱与外模板接触的各个支点施加到模型上。移动模架在浇筑时考虑流态混凝土对外模板的侧向压力对横梁结构的影响，通过施加梯度载荷的方式来模仿态混凝土对外模板的作用力，并将其转等效为横向载荷和竖向载荷通过各个支点施加在模型上[6]。为了保证横梁结构的整体强度选取最大受力工况作为核算工况，进行力学仿真。

2.3 约束条件

在实际结构中上横梁通过上横梁螺旋顶固定在主梁上面，因此仿真中将上横梁与横梁螺旋顶接触的部分添加约束(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ)。上横梁滑座和横移推动架通过挂板可以在上横梁上进行横向滑动，通过在接触部分建立摩擦来进行仿真。各个销轴与连接部分的关系同样用摩擦来进行模拟。

3 有限元计算结果

3.1 横梁结构合模状态强度分析结果

采用许用应力法对横梁结构进行强度校核[7-9]，因为移动模架由塑性材料制造而成故其计算应力为：

式中：σs为塑性材料的屈服极限；n为塑性材料的安全系数；[σ]为材料许用应力。

移动模架造桥机在进行浇注时各个位置的横梁结构受力并不相同，为了保证整体结构符合强度要求。需要从中选取最不利工况下的横梁结构进行仿真。通过计算发现第3根横梁受力最大，对其进行力学仿真。

由图4(a)可知:

σmax=204 MPa<[σ]

横梁结构的最大应力发生在上横梁与横梁螺旋顶接触部分的翼板处。由于横梁结构的材料为Q345钢，其材料的许用应力[σ]=230 MPa，故横梁结构满足强度要求。

挂梁销轴、挂梁螺旋顶销轴横移油缸销子和推动芯轴在移动模架中起到连接和固定作用，为了保证结构的安全性也需要进行强度校核。

由图4(b)可知销轴的最大应力：

σmax=127 MPa<[σ]

销轴的最大应力发生在推动芯轴与上横梁的接触部分。

由于销轴的材料为40Cr，其材料的许用应力[σ]=465 MPa，故销轴满足强度要求。

图4 合模状态应力分析结果

横梁结构的组成部分较多，每个应力云图不能一一展示，通过表1式列出各个部件的最大应力。

表1 合模状态各个部件的最大应力单位 /MPa

3.2 横梁结构开模状态强度分析结果

由Von Mises应力云图可知开模状态横梁结构的最大应力：

σmax=166 MPa<[σ]

横梁结构的最大应力发生在横梁滑座连接销轴处。

由销轴的应力云图可知：

σmax=110 MPa<[σ]

销轴的最大应力发生在右侧横移油缸销子与横移滑座接触处符合强度要求。

图5 开模状态应力分析结果

开模状态下横梁结构各个部分的最大应力如表2所示。

表2 开模状态各个部件的最大应力单位 /MPa

4 结 论

(1) 文中分别建立了移动模架横梁结构在开模和合模状态下的有限元模型，并选取危险工况进行仿真，结果表明该结构符合强度要求。

(2) 合模状态移动模架横梁结构的最大应力发生在上横梁与横梁螺旋顶接触部分的翼板处，开模状态横梁结构的最大应力发生在横移推动架与销轴的连接处，两种状态下均满足强度要求。

(3) 利用ANSYS 软件可以有效的分析移动模架横梁结构在不同工况下的受力情况，找出结构的危险位置并加以改进，对解决工程实际问题具有重要的理论和指导意义。