移动模架不同形式吊点结构有限元分析及优化

肖勇刚,彭文盈

(长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙 410004)



移动模架不同形式吊点结构有限元分析及优化

肖勇刚,彭文盈

(长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙 410004)

摘要:移动模架施工方法广泛用于中国桥梁施工中,在高墩情形下需对模架进行整体提升,吊点处受力较大。文中以MSS55移动模架整体提升为背景,运用MIDAS FEA软件对2种不同形式吊点结构进行建模分析,针对受力不利位置进行结构优化研究。研究表明,2种形式吊点最大应力均出现在吊点下板与主梁底板相连的圈筋处,增加圈筋的厚度和宽度可改善圈筋部位受力状况,改变竖向加强筋板的数量和位置可使结构受力更为合理。

关键词:桥梁;移动模架;整体提升;有限元建模;吊点形式

移动模架施工技术施工周期短,适用范围广,在桥梁施工中应用广泛,国内外学者也对移动模架作了许多研究。Povoas A.A.、Pedro Pacheco等针对移动模架系统应用于大跨度情形进行了研究;景强、王立超、章征宇等通过有限元建模分析了移动模架在不同工况下的受力,结果表明其强度、刚度、稳定性均满足使用要求;程晔等对移动模架高空拼装技术进行了研究;潘大鹏、姚应洪等研究了移动模架的整体提升技术,并与实际工程进行结合,将移动模架应用于高墩情形;盛英全等对高墩情形下移动模架提升过程进行了动力分析,研究了千斤顶不同步和风荷载作用对移动模架提升的影响;周清长、李海青等研究了移动模架行走过程对桥墩结构的影响,提出了在施工过程中对桥墩的应力和变形加以监测的建议。移动模架整体提升是其应用于高墩情形时的一个重要工序,在整体提升过程中吊点局部结构需承受极大的拉力,对该局部结构进行分析研究很有必要,对实际工程应用也有指导意义。该文运用MIDAS FEA建立有限元模型,对移动模架不同形式吊点结构进行分析和优化。

1 有限元模型的建立

在建某桥梁采用MSS55移动模架施工,桥墩高度大于35 m,采用整体提升的方法将模架一次提升到位。该工程有2种不同的吊点形式:一种采用吊耳形式(称为吊点形式1,如图1所示),另一种采用钢绞线直接锚固于移动模架主梁的形式(称为吊点形式2,如图2所示)。

运用有限元分析软件MIDAS FEA对该结构中2种不同形式的吊点进行建模,研究其在相同吊点拉力作用下的受力。

图1 吊点形式1示意图(单位:mm)

图2 吊点形式2示意图(单位:mm)

建模中采用实体单元对结构进行模拟,吊点形式1模型中建立单元38 835个、节点12 017个;吊点形式2模型中建立单元41 414个、节点13 017个。材料为Q345,弹性模量取206 GPa,泊松比取0.3,密度取7 850 kg/m3。由于结构的对称性,建模中仅取吊点部位结构的一半进行研究。模型如图3和图4所示。

图3 吊点形式1有限元模型

图4 吊点形式2有限元模型

2 结构应力分析

2个模型的von Mise应力云图如图5、图6所示。从中可看出:在相同吊点拉力作用下,主梁受力均出现明显的应力集中效应,吊点部位附近区域应力较大,而远离吊点的部位应力较小。吊点形式1的最大应力为149.281 MPa,吊点形式2的最大应力为136.574 MPa,前者较后者增大9.3%,均出现在吊点下板与主梁底板连接的下部圈筋部位;离吊点下板距离近的位置应力较大,随着距离增大应力值逐渐变小;吊点形式1的应力值大于吊点形式2,在承受相同吊点拉力情况下,吊点形式1中筋板部位受力较为不利。针对该部位应力较大的情况,可通过增大圈筋厚度或宽度等构造措施来改善。

图5 吊点形式1应力云图(单位:MPa)

图6 吊点形式2应力云图(单位:MPa)

吊点下板应力较大部位出现在吊点拉力作用区域附近;顶板上应力较大的部位出现在吊点拉力作用区域上方,在布置有竖向筋板的部位表现得更为明显,但应力值较下板小。可见,竖向加强筋板的构造对顶板应力的分布有着重要影响,在吊点设计时可通过调整竖向加强筋板的构造和位置来实现顶板应力的合理分布。在连接顶板与吊点下板的竖向筋板处,2种形式吊点均出现较大的应力,吊点形式2中应力值比吊点形式1大。这是由于吊点形式1设置了更多的竖向筋板,且分散程度更大。在工程应用中可通过增加竖向筋板的布置及对筋板位置进行优化来使结构受力更趋合理。

3 结构变形分析

吊点下板以上部位发生向上的挠曲变形,吊点下板以下部位发生向内的挠曲变形。2个模型的应变云图如图7和图8所示。从中可以看出:2种吊点形式变形较大处均位于吊点下板以上部位,吊点形式1的最大变形量为2.966 49 mm,吊点形式2的最大变形量为2.332 99 mm,前者比后者增加27.2%。从吊点下板以下部位来看,吊点形式1的变形比吊点形式2的大。

图7 吊点形式1变形云图(单位:mm)

图8 吊点形式2变形云图(单位:mm)

4 结构优化设计

2种吊点形式结构的最大应力均出现在吊点下板与主梁底板连接的圈筋处,在吊点形式1中表现得更为明显。

4.1 吊点形式1的优化

针对吊点形式1进行结构优化设计,通过增大圈筋的厚度或宽度来改善该部位结构的受力。优化方案一、二为增加该处纵向圈筋的宽度,方案一增加5 cm,方案二增加10 cm;方案三、四为增加该处横向圈筋的厚度,方案三增加2 mm,方案四增加4 mm。各优化方案计算结果如表1所示。

各优化方案的计算结果表明:增加纵向圈筋的宽度可有效改善圈筋部位受力,结构最大应力不再出现在圈筋部位;增加横向圈筋的厚度对改善圈筋部位受力效果不那么明显,结构最大应力仍出现在圈筋部位。针对圈筋部位的结构优化采用增加纵向圈筋宽度的形式更为有效。

表1 吊点形式1各优化方案计算结果对比

吊点形式1中吊点下板也出现了局部应力较大的情况,优化方案五采用在该部位增加一块加强筋板的方式来改善。原结构局部应力如图9所示,采用方案五优化后的局部应力如图10所示。从中可看出:采用方案五优化后,结构横向加筋板局部最大应力由原来的146.456 MPa降低至137.096 MPa,减少6.39%。可见,增加加强筋板对吊点局部结构受力具有明显的改善作用。

图9 原结构局部应力云图(单位:MPa)

图10 方案五局部应力云图(单位:MPa)

4.2 吊点形式2的优化

吊点形式2中圈筋部位最大应力出现在纵向圈筋处,故对吊点形式2的优化主要是增加纵向圈筋的宽度。优化方案一、二、三、四分别为增加圈筋宽度20、50、70、100 mm。各优化方案计算结果如表2所示。

表2 吊点形式2各优化方案计算结果对比

从表2可以看出:当纵向圈筋宽度从原结构的100 mm增加至120 mm时,圈筋处应力反而从原来的136.574 MPa增加至164.283 MPa;筋板宽度增至150 mm时,应力增至143.794 MPa,但应力值较方案一减小;圈筋板宽度在150 mm的基础上继续增加时,圈筋处应力逐渐减小。出现方案一、二结果的原因是在距结构对称面120 mm处,吊点下板以上部位设置有贯穿主梁横向的加强筋板,随着圈筋宽度增大,圈筋边缘至上部加强筋板距离逐渐变小,圈筋处最大应力增大;宽度继续增大,圈筋边缘至加强筋板距离又逐渐增大,圈筋处最大应力减小。因此,在工程应用中,圈筋边缘不可与上部加强筋板位置重合,应有一定的错开距离。

5 结论

在移动模架整体提升一次到位过程中,移动模架各吊点部位承受很大的吊点拉力。该文通过有限元建模,研究了不同吊点形式在承受相同吊点拉力情形下的受力,结论如下:

(1)在相同吊点拉力作用下,2种形式吊点最大应力均出现在吊点下板与主梁底板相连的圈筋处,可通过增大圈筋宽度或厚度的方式对该部位结构进行加强。

(2)对吊点形式1圈筋进行加强,增大纵向圈筋宽度比增大横向圈筋厚度更为有效。

(3)增大圈筋宽度可有效改善吊点形式2的圈筋部位受力,但应注意与上部加强筋板位置错开。

(4)竖向加强筋板对吊点部位应力分布有着重要影响,其数量与布置位置会影响吊点处结构的应力分布,在实际工程应用中可对竖向筋板进行设计上的优化使结构受力更趋合理。

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收稿日期:2016-01-15

中图分类号:U441

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0150-04