基于Simulation 有限元分析的新型盖梁托架设计

陈 桥， 邱 根， 易荣华

（1.成都鑫泽机械有限公司， 四川 成都 611330； 2.大邑邑馨社会工作服务中心， 四川 成都 611330；3.四川望锦机械有限公司， 四川 成都 611332）

1 盖梁托架主体结构及工作原理

盖梁托架主体结构如图1 所示，各构件间、构件与墩身已浇注部分间通过连接螺栓、传动螺纹或摩擦力形成一个近似对称的稳定承重体。在盖梁施工前统计标段内所有墩身设计标高（H值），按相近高度划分为6 个区段，各设1 撑杆加长节（图1 序号6）。施工时根据每个墩身H值所处区段，配换对应的撑杆加长节结合球头微调机构（图1 序号4）即可快速准确调出待浇注墩身设计标高和排水坡比。施工时产生的载荷（盖梁载荷、模板载荷、托架自重、施工机具以及施工中产生的其他载荷），一小部分通过摩擦力抵消，剩下的通过件11 传递给件10 然后顺接下传，最后通过件4 传递给墩身沉台[1]。

托架（顺桥向）结构如图1 所示，图2 为托架拼装中的实景图。

2 施工载荷分析

图1 托架结构

图2 托架施工实景图

设计时按施工中最不利的工况对托架做强度、刚度及整体稳定性验算。托架所承受的荷载为工字承重梁顶部对应的盖梁重量、模板重量、托架自重、以及施工过程中所产生的施工荷载及人群荷载等。承重梁所承受砼重划分见图3，各盖梁单元块对应体积及重量如表1 所示。

图3 承重梁载荷分配

表1 各盖梁单元块对应体积及重量（ρ=26 kN/m3）

考虑施工过程中所产生的施工荷载及人群荷载分别计为3 kN/m2、2 kN/m2。

3 托架结构的建模及计算

托架专为工程（墩身盖梁）施工而设计，因此对其结构的整体稳定性、刚度、强度都较一般结构要高，针对托架细部结构复杂、零部件多、计算量大的特点，基于三维实体模型，选用专业的三维软件SolidWorks 中的Simulation 模块对托架进行有限元分析。

3.1 实体建模

考虑到托架的细部结构比较复杂、零部件多、计算量很大，因此在建模过程中进行了一定的简化处理，略去或简化了一些对计算结果影响不大的零件。由于托架的结构形式、约束、载荷可以视为左右对称和前后对称，故计算时取托架模型的1/4 进行分析，以节省程序计算量，提高计算结果的精度，如图4、图5 所示。

图4 三维模型

图5 1/4 模型

3.2 定义材料、模型约束及载荷施加

对模型赋于碳素结构钢Q235B，分析托架在工程施工中具体的可能工况，定义模型的约束为：托架底部球头微调机构的球头螺杆座定义固定约束，主撑杆螺旋撑杆座位置定义固定约束，抱箍摩擦垫位置定义固定约束；由于该计算模型为1/4 模型，故在模型对称面建立对称约束。模型约束情况如图6所示。

载荷施加情况为：根据前面所列表1 中的计算结果，在计算模型上对应位置加载垂直于工字分配梁上表面的均布面力、施加竖直向下的1/4 托架自重载荷，如图7 所示。

图6 约束

图7 载荷

3.3 网格的划分

模型的网格划分情况如图8 所示。网格类型为实体网格；最大单元大小为185.362 mm；最小单元大小为37.072 3 mm；网格品质高；节点总数269 514，单元总数136 533。

图8 模型网格划分

3.4 计算结果分析

经软件计算，托架应力云谱图如图9 所示，由应力云谱图知，托架绝大部分应力均低于145 MPa（低于材料Q235B 的工程许用应力157 MPa），托架最大综合应力为193.8 MPa，位于三角承重架与铰接座连接处，模型应力分布情况与工程实际情况符合，分析结果有效。

托架最大综合应力193.8 MPa，仅发生在托架极少部位，为局部应力集中引起，对结构整体使用性能影响不大，考虑托架实际使用工况的特殊性，在托架三角承重架与铰接座连接处两侧各增加14 mm 加强缀板1 板进行优化以改善受力情况。

托架综合位移云谱图如图10 所示，最大综合位移为0.359 9 mm。托架整体刚度足够，位移情况满足使用要求。

图9 托架应力云谱图

图10 综合位移云谱图

3.5 小结

结合以上对有限元计算结果的分析，所设计托架的强度、刚度及整体稳定性均可满足盖梁施工的要求。

4 结论

成仁（成都至仁寿）高速公路，被喻为“天府第一路”。该工程3 标段共有近120 多座高架桥桥墩，墩柱高度集中在6～12 m 之间，盖梁排水坡比各不相同。若采用传统的满堂支架作盖梁模板的支承方式进行墩身盖梁部分的施工，不仅成本高，准确调坡困难，还会大大超出业主的工期要求，影响整个标段的施工进度。本文所述的新型托架在该标段桥墩盖梁施工过程中的全面应用，为客户成功解决了上述问题，取得了一定的经济社会效益。