钢箱梁桥梁临时安装支架有限元分析

杨永奎，李 浩，万志强

（中国水电四局（兰州）机械装备有限公司，甘肃 兰州730000）

临时安装支架（以下简称支架）是在钢箱梁桥梁安装时受压的主体部分，在支架设计过程中要选择合适型号的材料。当使用的材料强度过低时，会影响支架的整体使用安全性，当使用的材料强度过高时，又会造成不必要的浪费。因此，在对材料选型后要用到有限元软件ANSYS对支架结构做强度分析，这样可以在保证结构安全性的前提下，减少经济浪费。

支架的受力情况相对较为简单，所受载荷主要有上部支撑的钢箱梁产生的压力，以及支架受到的风载等。以上因素会导致支架变形，当支架结构强度不足以满足使用要求时，甚至会有支架发生断裂的危险。因此，在材料选型后对支架进行强度分析显得尤为重要。本次利用有限元软件ANSYS对某项目的钢桥支架进行分析，分析所选的材料是否合适，同时对应力集中的部位进行结构优化，避免危险事故的发生。

1 临时安装支架有限元优化分析设计

ANSYS解决问题的基本流程如图1所示。

图1 有限元分析流程图

2 塔架原始数据及参数

2.1 计算参数

支架的材料为I30a型钢、Φ325×8mm钢管和[12槽钢，材质均为Q235，材料性能数据及设计强度指标见表1。

表1 材料性能数据及设计强度指标

刚度：根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）的规定，支架受载后弹性挠度不超过相应结构设计跨度的L/400。该支架最大L=3.3m，因此挠度控制指标为不超过8.3mm。

柱顶位移：根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）附录B.2的规定，风载荷作用下柱顶水平位移允许值不超过H/400。该支架高度约12m，因此柱顶水平位移控制指标为不超过30mm。

2.2 在有限元软件中建立支架模型

支架一般由钢管、型钢和钢板等材料组成。支架的结构类似塔式起重机的塔身。塔式起重机的塔身由若干个标准节采用螺栓连接的方式构成。支架也可以看作由许多个标准节组成，支架标准节与塔身标准节最大的区别是支架是一体的，各标准节之间非螺栓连接，不能拆卸。

支架的每一个标准节具有相同的拓扑形状、几何尺寸和截面类型。支架由竖向立柱和斜腹杆组成，立柱主要承担竖向载荷，斜腹杆则配合立柱受力。

2.2.1 几何数据

本文支架的几何数据如下：支架外部4根立柱之间的横向距离是3300mm，纵向距离是2000mm，两层水平杆之间的高度为3000mm，立柱上下两端突出短节的长度为500mm。立柱和水平杆的材料为Φ325×8mm钢管，腹杆材料为[12槽钢，支架最上方的水平杆为I30a型钢。直角坐标系原点取在最下端水平面内4根立柱的对称点上，x轴向左，y轴向上，z轴向前。从上向下依次在杆件相交位置设置节点。

2.2.2 进入ANSYS

程序→ANSYS19.2→Ansys→File→change directory选择所设路径（已建好的文件夹）File→changejobname→enter new jobname：beam→Run。

2.2.3 设置计算类型

ANSYS Main Menu：Preferences→select Structural（结构分析）→OK。

2.2.4 选择单元类型

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete...→Add...→select Beam 2 node 188→OK（back to Element Types window）→Close（the Element Type window）。

2.2.5 定义材料参数

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural→Linear（线性）→Elastic（弹性）→Isotropic（各向同性）→input EX：2.03e11，PRXY：0.3→OK。

2.2.6 定义截面

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Sections（截面）→Beam→Common Sections→在Sub-Type下拉框里定义I30a型钢、Φ325×8mm钢管和[12槽钢三种材料的截面。

2.2.7 生成几何模型

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS→分别依次输入各个关健点的坐标。

ANSYS Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines→lines→Straightlines→依次连接各个关键点，生成支架模型（见图2）。

图2 支架模型

2.3 计算载荷

2.3.1 钢梁分段吊装重量

单幅梁段重量约149.543t，由两组支架的各自一半结构承担总重量，为简化计算，计算时将该段钢梁组合总重量加载到一组支架的顶部。

2.3.2 结构强度计算

钢梁总重：149.543t（1495.43kN）。

施工荷载：Q1=1.0kN/m2×4.1m×25.7m×3=316kN。

2.3.3 风荷载计算

基本风压：ω0=0.45kN/m2（北京地区，取n=50）。

地面粗糙度类别为B类，支架高度H=12m。

风荷载近似按阶梯形分布，将其简化为作用在支架节点上的节点荷载。

作用在支架顶部节点处的集中风荷载标准值：

式中：ωk-风荷载标准值（kN/m2）；βz-高度z处的风振系数，结构高度H=12m＜30m，故取βz=1.0；μs-风荷载体型系数，取μs=1.3；μz-风压高度变化系数（地面粗糙度类别为B类），取μz=1.23×0.85≈1.05；ω0-基本风压（kN/m2）。

∴风荷载标准值：ωk=1.0×1.3×1.05×0.45=0.614kN/m2。

钢梁端头面迎风面积：A=42m2。

∴风荷载：Q2=ωk×A=0.614×42=26kN。

2.3.4 支架承重荷载

考虑安全系数1.2，支架承重荷载：F=1.2×（G+Q1）=1.2×（1495.43+316）=2173.72kN。

3 计算方法及步骤

3.1 计算方法和软件

采用三维有限元弹性应力计算软件方法。有限元分析软件：ANSYS。

3.2 计算模型及边界条件

取整个支架为研究对象，为每个单元定义相对应的截面，采用BEAM188单元划分网格。X、Z为水平面，Y为支架高度方向。对支架的12个支腿处施加位移约束，对支架顶部施加承重载荷和风载荷。

4 计算结果及分析

由图3可知，支架最大组合变形为1.3mm，刚度满足要求。

图3 支架变形图

由图4可知，支架最大支反力：Fymax=0.20313E+006N。

图4 支反力表格

由图5可知，支架组合最大应力为31.7Mpa，已知Q235钢材的设计许用应力为215MPa，满足要求。

图5 屈服应力分布图

5 结束语

从结果分析中可以看出，此次设计的支架能够满足钢箱梁桥梁的安装要求。