基于有限元法造桥机支撑托架的静力学分析

李权才，吴俊峰，武翠荣

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.郑州机械研究所，河南 郑州 450001;3.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州 450015)

基于有限元法造桥机支撑托架的静力学分析

李权才1，2，吴俊峰3，武翠荣1

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.郑州机械研究所，河南 郑州 450001;3.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州 450015)

基于有限元分析与动态仿真技术，利用ANSYS软件对造桥机支撑托架进行了有限元建模，并对支撑托架进行了静力学分析，通过对支撑托架的等效应力云图以及托架变形前、后位移的分析，从静力学的角度为支撑托架的改进提供了相关的分析数据.

造桥机;支撑托架;有限元法;静力学

造桥机，又名移动模架，是一种自带模板，利用箱梁支承，对桥梁进行现场浇筑的一种大型施工机械设备.支撑托架是造桥机的主要部件之一，是造桥机的支撑基础，共2套，每套由相同的左右两部分组成.支撑托架插入桥墩侧洞中以传递垂直力.支撑托架中上张拉梁和下张拉梁的左右两端利用高强精轧螺纹钢对拉与桥墩固结成一个整体.下张拉梁中部设置与墩身表面吻合的弧形板，减小对桥墩的压应力.传统的桥梁施工是先制好一段桥梁，再安装到桥墩上，造桥机可事先移动到桥墩位置上，往模架中浇注混凝土后，整孔桥梁一次性凝固完成.一跨浇完之后，主支腿首先过孔，附着于下跨的桥墩上，然后主机横向打开，主机纵移过孔后再合拢，制下一个梁［1］.造桥机施工现场如图1所示.

图1 造桥机施工现场

下面以DXZ32/900造桥机支撑托架为例，对其进行静力学分析.

1 支撑托架有限元模型的建立

造桥机支撑托架为三角形框架结构，有2个支座，一是插入墩身侧洞的上支座总成;一是由弧形板、筋板及上张拉梁组成的下弧形支座.根据施工单位及制造厂家提供的技术参数要求，支撑托架制模最大支点反力为2×377 t，过孔最大支点反力为2×160 t.移位台车沿横梁移动，制模位置的计算载荷为377 t，过孔位置(制模位置外伸4 800 mm)计算载荷为160 t.根据原设计结构，建立支撑托架的有限元计算模型［2－3］，三维模型如图2所示.

图2 托架的三维模型

2 典型工况的静力学分析

在造桥机支撑托架有限元分析计算中，通常有8种计算工况.以第1种典型工况为例，分析计算该工况的静力学情况.过孔位置:垂直计算载荷160 t，上张拉梁每侧拉力160 t，下张拉梁每侧拉力20 t，选择最大过孔受力节点施加载荷.其他工况的静力学分析方法类同第1工况.

2.1 支撑托架中间横梁部分重新划分单元

支撑托架在工作过程中，横梁是主要的承载部件，所以为了更好地分析横梁的受力情况，特别对中间横梁制梁位置和过孔位置重新划分网格单元，此次划分的主要形式是等长均匀化密集化划分单元.编写程序可以重新划分网格单元.重新划分过的网格单元大小的横梁如图3所示.

图3 重新划分网格后的横梁模型

2.2 支撑托架整体加载过程

加载是一个非常重要的过程，把加载过程通过编程进行分析，可以得到工况1受力情况如图4所示，支撑托架位移如图5所示.

加载过程的程序如下:

2.3 工况1支撑托架变形和应力分析

通过编写相关程序，进行详细分析，可以得到工况1支撑托架各部分的变形和应力云图.托架变形前、后位移如图6所示.

图6 工况1托架变形前、后的位移

由图6可得到支撑托架工况1的最大变形位移量为9.894 mm.支撑托架单元形状及应力云图如图7所示.

图7 支撑托架单元形状及应力云图

由图7可得到支撑托架整体的最大应力为234.296 MPa.榫头附近应力云图如图8所示.

图8 榫头附近应力云图

由图8可得到支撑托架榫头附近的最大应力为149.377 MPa.横梁应力云图如图9所示.

图9 横梁应力云图

由图9可得到横梁的最大应力为234.296 MPa.外斜撑及短斜撑应力云图如图10所示.

图10 外斜撑及短斜撑应力云图

由图10可得到外斜撑和短斜撑的最大应力为83.141 MPa.内斜撑应力云图如图11所示.

图11 内斜撑应力云图

由图11可得到内斜撑的最大应力为74.249 MPa.立撑应力云图如图12所示.

图12 立撑应力云图

由图12可得到立撑的最大应力为84.612 MPa.弧形板及筋板应力云图如图13所示.

图13 弧形板及筋板应力云图

由图13可得到弧形板及筋板的最大应力为70.619 MPa.下纵撑及下张拉梁应力云图如图14所示.

图14 下纵撑及下张拉梁应力云图

由图14可得到下纵撑及下张拉梁的最大应力为56.202 MPa.上张拉梁应力云图如图15所示.

由图15可得到上张拉梁的最大应力为114.434 MPa.

图15 上张拉梁应力云图

综上各部分的应力图，得到工况1支撑托架关键部位的应力见表1.

表1 工况1支撑托架关键部位最大应力值 MPa

3 结语

通过对造桥机支撑托架进行有限元法分析，建立了支撑托架的三维模型，计算得出了支撑托架各部分的应力云图以及托架变形前、后的位移，掌握了支撑托架上的应力分布情况，找到了应力的薄弱环节，为后续的结构设计改进提供了参考依据.为下一步对支撑托架的设计，尤其变形前后的位移以及应力分布提供了有效的数据.

［1］王金诺，于兰峰.起重运输机金属结构［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［2］王国周，瞿履谦.钢结构原理与设计［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［3］刘尔烈.有限单元法及程序设计［M］.天津:天津大学出版社，2004.

Statics Analysis of Bridge Fabrication Machine Surport Bracket Based on the Finite Element

LI Quan-cai1，2，WU Jun-feng3，WU Cui-rong1
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Zhengzhou Mechanical Engineering Research Institute，Zhengzhou 450001，China;3.Huadian Zhengzhou Machinery Design Research Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450015，China)

Based on the Finite Element Method analysis and dynamic emulation technique，a Finite Element Method model of bridge fabrication machine＇s support bracket is built through using the ANSYS software.Through the analysis on the equivalent stress cloud map of the support brackets and the displacement before and after support bracket deformation，from a static perspective，some relevant analyze data are provided for the improvement of support bracket.

bridge fabrication machine;support bracket;finite element method;statics

1002－5634(2012)03－0074－04

2012－03－09

李权才(1975—)，男，内蒙古乌兰察布人，讲师，工学硕士，博士研究生，主要从事机械设计及理论方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)