MSS50双幅整体浇筑式移动模架力学性能仿真分析

史妍妮　吕彭民　梁佳

摘要：以MSS50双幅整体浇筑式移动模架系统为研究对象，用ANSYS有限元分析软件对该移动模架系统进行整体建模。通过模拟仿真计算，得出移动模架系统的应力分布情况和变形情况，校核移动模架系统在最大受力状态下其结构的强度、刚度以及屈曲稳定性，同时给出主梁的挠度曲线，为模架预拱度调整提供理论依据。研究结果表明：该模架系统在最大受力状态下，强度、刚度及屈曲稳定性均满足要求。

关键词：移动模架；双幅整体浇筑；力学性能；仿真模拟

中图分类号：U445.36文献标志码：B

Abstract： An integral model of the MSS50 movable scaffolding system which has the function of double integral pouring was established by using ANSYS. In the finite element analysis software， the stress distribution and deformation condition were obtained， and the stress distribution， flexural rigidity and buckling stability under maximum stress condition were calculated. In addition， the girders deflection curve of movable scaffolding system was given. The simulations could provide theoretical basis for precamber adjustment of the system. The simulation results show that the stress distribution， flexural rigidity and buckling stability of MSS50 movable scaffolding system meet the engineering requirements.

Key words： movable scaffolding system； double integral pouring； mechanical property； simulation

0引言

造桥机是一种特大型造桥专用设备，学名叫滑移模架造桥设备（Move Support System，可简称为MSS），也叫移动模架造桥机[12]。造桥机施工是一种先进的、使用广泛的桥梁施工工法，与传统的预制箱梁、组合安装和架设梁桥等有所不同，它集模板、支撑系统和过孔的功能于一体，在一系列支架难以搭设的地方（例如城市立交、高墩、水上等）施工时，其性能更加优越。

本文研究的MSS50上行式滑移模架系统，是一种新型的可同时浇筑2幅混凝土箱梁的大型移动模架造桥设备，结构复杂，安全性能高。该设备可施工50 m 以内各种跨径的桥梁、鼻梁同主梁间设转铰，可灵活适应不同平曲线半径的桥梁施工，实现整机过连续梁，且可从已浇筑好的箱梁上前移或者后退。为确保施工的安全可靠性，需要对模架的结构进行受力分析。本文采用大型有限元分析软件ANSYS，对该MSS50上行式移动模架系统在浇筑工况下的受力、变形以及屈曲稳定性进行分析计算，验算其结构设计能否满足施工安全的要求，可为该模架结构安全性评价提供参考。

1有限元模型建立

该移动模架主要由主梁、导梁、中支腿、上梁、下横梁、内外模板、螺旋顶等部件组成，结构如图1所示。移动模架全长106.094 m，鼻梁为箱型结构，长50994 m；主梁为钢箱梁，长5510 m，高5.42 m，宽250 m。

1.1ANSYS有限元模型建立

ANSYS有限元分析中主梁、鼻梁、下横梁、中支腿、外模板采用三维空间板壳单元SHELL63模拟，上横梁采用三维空间梁单元BEAM188模拟，上、下横梁之间的吊杆采用三维空间杆单元LINK8模拟。在ANSYS中，梁单元BEAM188可以自定义梁截面形状，这样就可以保证所建上横梁的截面形状与实际相符合，达到准确模拟上横梁的几何结构的目的。

MSS50上行式移动模架系统的整体有限元分析模型如图2所示，主梁内部详细结构如图3所示，共划分单元232 796个，节点218 528个，其中板壳单元225 428个，梁单元6 332个，杆单元364个。

1.2计算荷载

由于该模型采用整体建模的方式，与实际工况接近，则计算结果精准。计算模型受到的载荷有：钢筋混凝土箱梁结构、主梁结构、导梁、上横梁、下横梁、内外模板、螺旋千斤顶、人行道及辅助设备的自重。

为了保证移动模架的强度、刚度满足要求，本文选取移动模架最大受力工况（50 m浇筑施工工况）作为核算工况。该工况混凝土浇筑长度为499 m，混凝土约重2 550 t。混凝土浇筑时作为流体形式，会对模板产生侧向压力，在处理混凝土的自重时，将混凝土对模板的压力荷载直接以梯度荷载的形式施加在外模板上，如图4所示。

1.3约束条件

主梁中支腿结构用空间三维板壳单元SHELL63进行模拟建模，在中支腿底部添加约束（UX、UY、UZ、ROTY、ROTZ），释放X方向扭转约束（ROTX）。

主梁后支点支撑在液压千斤顶上，加约束时可在主梁后支点下方模拟铰支座建模。用空间三维板壳单元SHELL63模拟铰支座顶部，用空间三维梁单元BEAM188模拟液压千斤顶；将梁单元顶部与千斤顶顶部面板的中心耦合，梁单元底端建立全约束；最后对千斤顶顶部面板其余节点与主梁后支点底部面板的节点方向耦合。

2有限元计算结果

2.1主梁结构的强度与刚度计算

主梁浇筑施工时，在混凝土自重与设备自重共同作用的情况下竖向总变形云图，如图5所示。

由分析可知主梁结构最大竖向总变形为

Uymax=86.2 mm

竖向总变形取绝对值，最大竖向变形位于主梁跨中间位置，处于施工方向第7、8号上横梁中间主梁的内侧腹板偏上部位。

造桥机现行强度计算采用的是许用应力法，对于塑性材料制造的零件，其计算应力[35]

σ≤σ=σsn

式中：σ为计算应力；[σ]为材料许用应力；σs为材料屈服极限；n为安全系数。

在桥梁混凝土浇注的过程中，滑移模架系统在工作过程中对最危险工况下的强度限制有其要求，对浇筑成型的混凝土箱梁结构的变形也有严格的限制。因此，还应该对滑移模架系统的刚度进行分析，即主梁的净变形[69]。主梁净变形是指不考虑滑移模架系统自重情况下主梁的变形。工程项目一般要求对混凝土浇注施工的挠跨比小于l/700，即最大净挠度UY净≤71.428 mm。主梁净变形云图如图7所示。

最大竖向净变形发生在施工方向第7号上横梁位置的主梁顶板处，故主梁刚度满足要求。

各横梁位置处的主梁的竖向净变形具体数值见表1，横梁编号：施工方向从1～14。各横梁位置处的主梁净变形值的曲线图，如图8所示。该曲线为预拱度调整提供依据。

虑其结构稳定性，以及结构失稳时的临界荷载[10]。本文利用ANSYS有限元分析软件中的屈曲稳定性计算分析模块，对主梁的屈曲稳定性进行分析计算。

由于用ANSYS进行结构的非线性屈曲分析需花费大量的时间和计算机资源，因此，在进行主梁的屈曲稳定性计算时，不考虑移动模架系统的模板部分和下横梁部分，将外模的自重和混凝土重量转化为集中外载荷的形式加载在主梁上。

经过模拟仿真计算后，可得出MSS50移动模架系统的主梁一阶失稳变形图，如图9所示。由一阶失稳变形图可知，主梁一阶失稳处于主梁中间内侧腹板靠近顶板部位，一阶屈曲特征值λ为1.721，可满足主梁的稳定性要求。

2.3横梁结构强度与刚度计算

该移动模架系统的横梁结构分为上横梁和下横梁两部分，上横梁用梁单元模拟，下横梁用板壳单元模拟。横梁结构有限元模型单独建立。

2.3.1浇筑状态横梁结构强度与刚度计算

移动模架造桥机浇筑施工的过程中，处于墩顶附近的横梁受力较大，选取受力最大的横梁进行受力分析。此横梁所承担的所有载荷共2 262 kN。计算结果如下。

横梁结构竖向变形云图，见图10，最大竖向变形为10.795 mm，位于下横梁底部开模连接处。横梁结构Von Mises应力云图，如图11、12所示。

上横梁最大应力为122 MPa，由于材料用Q235B焊接而成，材料许用应力[σ]=158 MPa，故满足强度要求。

下横梁最大应力为170 MPa，材料用Q345B焊接而成，材料许用应力为[σ]=233 MPa，故满足强度要求。

2.3.2开模状态横梁结构强度与刚度计算

移动模架造桥机在开模过程中，横梁仅承受模板自重，此时1根横梁所承的所有载荷共318 kN。计算结果如下。

3结语

（1）本文通过利用ANSYS有限元分析软件对MSS50上行式移动模架造桥机结构进行整体建模，对移动模架系统结构的静强度、刚度以及屈曲稳定性进行分析计算，得出该MSS50上行式移动模架系统在最大受力工况下，其主梁结构的强度、刚度和屈曲稳定性均满足设计的安全要求。

（2）通过对该移动模架系统的模拟仿真分析，本文得出了模架施工时的主梁挠度曲线，该曲线可为模架的预拱度调整提供依据。

（3）对于移动模架系统的横梁结构，分别选取浇筑工况和开模工况中受力最大的横梁分别进行受力分析，经分析计算可知，横梁系统的强度和刚度均满足安全要求。

参考文献：

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[责任编辑：杜敏浩]