港珠澳大桥轨道安装车结构设计与模态分析

司癸卯,邵现田,王杨煦,陈 哲,徐 欣

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室, 西安 710064)



港珠澳大桥轨道安装车结构设计与模态分析

司癸卯,邵现田,王杨煦,陈 哲,徐 欣

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室, 西安 710064)

提出了一种专门用于港珠澳大桥在浅水区非通航孔桥进行轨道安装的安装车,利用SolidWorks建立了安装车的三维模型,并且用ANSYS Workbench对下桁架分别进行了有预应力和无预应力的模态分析,得到了前6阶的固有频率及其主振型.通过与激振源的频率进行比较,结果表明,在正常工作时,下桁架不会发生共振.

轨道安装车; 结构设计; 模态分析

珠澳大桥是目前国内桥梁设计使用年限最长的大桥,其使用寿命可达120年.港珠澳大桥全桥主梁设置有专项检查车,分为梁外检查车与梁内检查车.梁外检查车在钢箱梁外依靠梁外轨道系统行走,不影响行车通行,能够实现连续的检测作业,如图1所示.梁外检查车的轨道有一部分已在地面上完成安装,但是由于钢箱梁的运输及架设的需要,有一部分的轨道需要在钢箱梁架设完成之后在海面上完成安装[1].由于作业对象是跨海大桥,涉及高空作业、临水作业等危险环境,施工环境复杂,而传统的作业方式由于其自身特点的限制而无法完成轨道安装作业,所以设计了一种专门用于安装这类轨道的平台结构——轨道安装车.

图1 港珠澳大桥梁外检查车

1 作业对象桥梁的结构型式

港珠澳大桥浅水区非通航孔桥上部结构采用的是跨径为85 m等跨径等截面组合连续梁,整墩分幅布置(见图2),桥梁标准横截面宽度为33.1 m,单幅桥宽16.3 m,两幅桥梁之间有0.5 m间隔[2].在设计轨道安装车时,考虑到桥面标准横截面宽度达33.1 m,如果按照这个尺寸设计会使得轨道安装车的整体结构过于庞大,对整个结构的制造、运输、安装等都带来一定的难度,所以按照单幅钢箱梁的尺寸参数来设计.

图2 桥梁截面布置图

2 轨道安装车结构设计

轨道安装车采用在移动车体上安装桁架式工作装置的结构型式.桁架体由上桁架、支撑架、下桁架、立柱支架、支架座组成,桁架与桁架之间主要采用高强度螺栓钢板来进行连接.根据轨道安装车的工作要求与桥梁的结构特点与尺寸,设计好结构尺寸参数,利用SolidWorks建立模型,如图3所示.

图3 轨道安装车整体结构

轨道安装车在作业过程中,需要频繁地进行绕墩的操作,所以支撑架与下桁架之间采用回转机构来连接.在作业时,下桁架伸展到桥底提供一个工作人员可以行走的作业平台,对钢箱梁左右两侧的轨道进行安装操作.为了平衡下桁架的自重,在平台的另一端放置配重块进行稳定性平衡.在工作中,下桁架所受弯矩比较大.利用两桥体主梁之间的间距,用钢索把下桁架端部吊起连接到上部的立柱支架上,以保证作业平台工作时的受载平衡性及平稳性.轨道在桥底两侧对称分布,安装时需要在钢箱梁底部左右两侧分别安装,因此,在作业平台上设计有运送小车把轨道移动到安装位置再进行安装.

3 轨道安装车的工作模式

在开始安装工作前,作业平台伸展到桥下,连接好钢索(见图4),通过推动小车把两根轨道运送到安装位置.首先安装内侧的轨道(见图5),即靠近回转中心这一侧的轨道,安装完毕,继续推动小车将另一根轨道移动至外侧的安装位置,即远离回转中心这一侧(见图6).轨道安装完毕,在进行绕过桥墩操作时,把小车推回到靠近回转中心处,解开钢索,电机驱动回转结构旋转,带动下桁架旋转,卡车行走,带动整个桁架体行走,从而实现绕墩操作(见图7).

图4 轨道安装车连接钢索

图5 轨道安装车安装内侧轨道

图6 轨道安装车安装外侧轨道

图7 轨道安装车进行绕墩操作

4 下桁架的模态分析

在安装轨道时,工作人员需要在平台上频繁移动,来安装不同位置的轨道,同时下桁架还要不停进行回转绕墩操作,在工作过程中作业平台的载荷会一直发生变化,而且很容易受到不同振型和不同频率的振动源的影响.作业过程中,当桁架结构的工作频率和固有频率比较接近时,使得桁架结构产生比较大的振动,从而引起较大的动应力导致结构发生破坏[3].所以,在进行结构设计时需要考察桁架结构的振动特性,要对桁架结构的固有频率和振型进行分析,进而避免在工作中结构可能发生的共振现象.

模态分析过程分为4个步骤:建立模型、定义边界条件、扩展模态结果和后处理[4].在进行网格划分时需注意,网格划分的细致程度与求解阶数有关系,求解的阶数越高,网格划分越细.边界条件会对结构的固有频率与振型产生影响,需要对模型进行正确合理的约束.在模态分析中不存在结构载荷和热载荷,但是在求解预应力结构的模态时,需要考虑结构承受的不变载荷,因为它会导致预应力的产生[5].

4.1 下桁架无预应力的模态分析结果

桁架结构是一个多自由度的振动系统,由于低阶频率被激发的概率很高,所以对系统的动态响应影响较大,一般前5阶是最容易激发的,较高阶的则影响不大.在对下桁架进行分析时提取其前6阶的模态[6].在下桁架结构没有受预应力时,计算得到的各阶固有频率及其振型,如表1所示.

表1 下桁架无预应力的固有频率和振型

下桁架结构没有受预应力时对应的前6阶的振型图如图8～13所示.

图8 第1阶振型图

图9 第2阶振型图

图10 第3阶振型图

图11 第4阶振型图

图12 第5阶振型图

图13 第6阶振型图

4.2 下桁架有预应力的模态分析结果

桁架结构预应力的主要来源是放置于水平工作平台一端的配重块,使桁架结构始终处在不变载荷的作用下[7].在本文中配重块的质量m=4 697.3 kg,因此需要探讨这一不变载荷是否影响结构的振动特性,有预应力的模态分析的也提取前6阶模态,分析的结果如表2所示.

表2 下桁架有预应力的固有频率和振型

下桁架结构在受预应力时对应的前6阶的振型图如图14～19所示.

通过对比有预应力作用及无预应力作用时的模态分析可以得出,下桁架的第1阶的固有频率及振型变化不明显,而第2～6阶的固有频率与振型有明显的变化,这是由于配重块载荷产生的应力场对整体刚度产生了影响造成的,所以在进行模态分析时必须将预应力的影响考虑在内.

图14 第1阶振型图

图15 第2阶振型图

图16 第3阶振型图

图17 第4阶振型图

4.3 结果分析

图18 第5阶振型图

图19 第6阶振型图

5 结论

本文对轨道安装车进行了整体结构设计,用SolidWorks建立了模型.用ANSYSWorkbench对下桁架分别进行有预应力和无预应力的模态分析,分析结果得出,下桁架在正常工作时不会发生共振的危险.

[1] 刘鹏,贺拴海,赵英策.港珠澳大桥大节段钢箱梁海上运输关键技术研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2015(1):85-90.

LIU Peng,HE Shuanhai,ZHAO Yingce.Study on key technologies of maritime transportation of steel box girder of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2015(1):85-90.

[2] 王艳峰,潘军.港珠澳大桥钢-混组合梁制造及安装关键技术[J].交通科技,2015(2):34-37.

WANG Yanfeng,PAN Jun.Key technologies for manufacture and installation of steel-concrete composite beams in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Transportation Science & Technology,2015(2):34-37

[3] 倪振华.振动力学[M].西安:西安交通大学出版社,1988.

NI Zhenhua.Vibration mechanics[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press,1988.

[4] 黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.

HUANG Zhixin,LIU Chengzhu.ANSYS Workbench 14.0 super learning handbook[M].Beijing:People’s Posts and Telecommunications Publishing House,2013.

[5] MCLACHLAN N,ADAMS R,BURVILL C.Tuning natural modes of vibration by prestress in the design of a harmonic gong[J].Acoustical Society of America,2012,131(1):926-934.

[6] AU S K.Model validity and frequency band selection in operational modal analysis[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2016,81:339-359.

[7] 焦洪宇,杨洋,顾义杰.基于ANSYS Workbench的汽车扰流板预应力模态分析[J].常熟理工学院学报,2015(4):79-82.

JIAO Hongyu,YANG Yang,GU Yijie.Based on ANSYS Workbench car spoiler prestressed modal analysis[J].Journal of Changshu Institute of Technology,2015(4):79-82.

[8] 和丽梅.桁架式桥梁检测车结构分析与优化设计[D].西安:长安大学,2008.

HE Limei.Structure analysis and optimization design of truss type bridge inspection vehicle[D].Xi’an:Chang’an University,2008.

Structural design and modal analysis for track installation vehicle of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

SI Guimao,SHAO Xiantian,WANG Yangxu,CHEN Zhe,XU Xin

(Key Laboratory for Highway Construction Technique and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Taking the structures of non-navigable span in shallow water area of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge as reference,we designed a installation vehicle specifically used for installing the tracks of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge.The 3D model of the vehicle was build with SolidWorks and the modal analysis was separately carried on the lower truss with prestress and without prestress by using ANSYS Workbench,obtaining the first sixth orders of inherent frequencies and the principal vibration modes.By comparing the above mentioned frequencies with the working frequencies of main vibration sources.The results show that resonance never occurs under normal working condition.

track installation vehicle; structure design; modal snalysis

司癸卯(1963—),男,副教授,博士.E-mail:smart@chd.edu.cn

TH 12

A

1672-5581(2017)02-0136-05