伸缩型桁架检查车力学性能分析

吴 升, 陈 东

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

随着基础设施建设在全球范围内高速的发展,桥梁建设工程在建筑施工领域所占的比例和地位日益显著提高[1].为了桥梁的安全稳固,需要定期对其进行检查维护,而桥梁检修车作为专业设备就可满足这一需求.主要功能为对大桥梁底、翼缘等各结构进行全面地检查、维养,为桥梁安全提供保障[2].研发出一种新型伸缩桁架检查车,用SAP2000软件对其进行有限元分析后认为该检查车的极限承载能力满足要求,能够在该地区所处工况下正常工作.针对大型矮塔斜拉桥的特点设计的检查车,不仅满足了维修需求,也为今后桥梁检查车的设计提供了计算理论及工程依据[3].

1 工程概况

项目为六塔中央单索面钢混组合梁矮塔斜拉桥,桥梁总长2 440 m,桥跨组成为84+108+126+189.5+5×285+189.5+126+108+84 m,共14个墩台,桥梁标准段宽度32 m,桥梁设计荷载标准为城-A级.桁架总高约为8.36 m,跨度约为15.6 m,桁架顶端用螺栓连接在桥梁上部,内部设有升降平台供检修人员上下活动,检修车可以在伸缩桁架轨道上来回检查维护.桁架采用钢、铝合金2种材料,既可以保证桁架结构的稳固,又能降低材料成本.矮塔斜拉桥及检查车标准断面如图1所示.

图1 矮塔斜拉桥及检查车标准断面

2 模型建立

检查车主体是桁架结构,采用钢和铝合金方管2种材料,主桁架Q345钢采用方管100 mm×5 mm和方管50 mm×5 mm;伸缩桁架6061-T6铝合金采用方管100 mm×5 mm和方管50 mm×5 mm.

在 AutoCAD 软件中采用线单元和不同截面按不同图层分类建立检查车三维模型[4],输出为DXF格式,根据图层的不同分2次导入SAP2000软件中,在有限元软件中先定义钢、铝的材料属性,再创建方管截面尺寸并指定材料属性,最终完成模型的建立.主桁架和伸缩桁架模型图分别如图2～3所示.

图2 主桁架三维有限元模型

图3 伸缩桁架三维有限元模型

3 荷载工况

根据项目所处的自然地理环境确定模拟所需的相关参数,桁架的各个支座都是铰接约束,荷载施加在杆件节点上[5].为了验算检查车的安全性能,可以按照最不利荷载工况来模拟,若各项参数指标符合规范要求,则认为该检查车在一般荷载工况下具有足够的承载能力进行检修工作.

检查车受到的荷载主要有恒荷载、活荷载以及风荷载.

最不利荷载工况是主桁架内的伸缩桁架全部伸出,检修车停在伸缩桁架的最外端时的情况.

1) 恒荷载.恒荷载主要是指桁架杆件材料的自重,SAP2000软件自动计算添加,主桁架的自重为43.9 kN,伸缩桁架自重为3.9 kN.

2) 活荷载.活荷载分为均布荷载和检修车活荷载,均布荷载按照0.5 kN/m2加载,检修车活荷载为7.5 kN.

3) 风荷载.根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012,按垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按式(1)计算确定.

ωk=βzμsμzω0,

(1)

式中：ωk为风荷载标准值;βz为高度z处的风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;ω0为基本风压.

风振系数βz取1,风压高度系数μz取1.52,体型系数μs计算得1,基本风压ω0为0.50 kN/m2,风荷载标准值ωk=0. 76 kN/m2.计算出主桁架风荷载为8.512 kN,伸缩桁架风荷载为2.28 kN.

使用SAP2000软件模拟桁架在最不利荷载工况时的受力情况,2种桁架加载方式如下所示:

1) 伸缩桁架加载方式:恒荷载为铝合金材料自重,由SAP2000软件自动添加.均布活荷载为0.5 kN/m2,伸缩桁架上12个节点,每个节点均分380 N.检修车活荷载7.5 kN,均分在伸缩桁架最外侧端部4个节点上,每个节点分别为1.875 kN.伸缩桁架风荷载为2.28 kN,均分在迎风面12个节点上,每个节点分别为190 N.

2) 主桁架加载方式:恒荷载为钢材自重,由SAP2000软件自动添加,再加上伸缩桁架对主桁架的作用力.均布活荷载为0.5 kN/m2,主桁架上14个节点,每个节点均分428 N.风荷载为8.512 kN,迎风面共37个节点,每个节点均受230 N.

4 结果分析

4.1 支座节点内力计算

由图1可知,检查车主桁架通过螺栓连接在桥梁上部,伸缩桁架则连接在主桁架上,支座连接是否牢固影响着整个检查车的稳定性.在SAP2000软件中,最不利荷载工况由恒荷载、活荷载以及风荷载组成,运行分析后可以看出支座最大内力在Z轴方向,得出主桁架和伸缩桁架支座节点最大内力分别为36.4、41.7 kN,节点内力详见图4～5.支座最大内力在允许强度设计值内,表明支座螺栓连接足够稳固,不致于突然丧失稳定.

图4 主桁架支座节点内力

图5 伸缩桁架支座节点内力

4.2 节点位移计算

当伸缩桁架全部伸出,检修车在伸缩桁架的最右端,此时检查车处于最不利荷载工况,结构变形最大.由图6～7可知,主桁架最大位移为54.78 mm,伸缩桁架的最大位移为10.43 mm,均小于规范里规定的桁架跨度的1/250,说明检查车具有足够的刚度抵抗变形,不致于发生过大的变形而影响使用.

图6 主桁架节点位移

图7 伸缩桁架节点位移

4.3 杆件轴力和应力比

利用SAP2000软件进行钢、铝合金桁架设计校核和杆件设计强度的验算,计算出桁架杆件的轴力和应力比,结果见表1所示.主桁架承受的最大轴力为205 kN(如图8所示),伸缩桁架承受的最大轴力为29 kN(如图9所示),均小于材料所能承受的最大轴力,表明检查车在最不利荷载工况下,桁架杆件不会发生破坏.检查车主桁架杆件的最大应力比为0.669,伸缩桁架杆件的最大应力比为0.609,小于设计规范规定的最大应力比0.8.表明检查车能够在最不利荷载工况下具有足够的抵抗破坏的能力,桁架杆件设计强度满足要求.

表1 杆件位移、轴力和应力比

图8 主桁架轴力

图9 伸缩桁架轴力

5 结论

1) 检查车在正常使用过程中,主桁架和伸缩桁架的支座节点最大内力分别为36.4、41.7 kN,满足螺栓的强度要求,表明检查车与桥梁的连接稳固.

2) 检查车在最不利荷载作用下,其最不利荷载位置下的主桁架和伸缩桁架的最大位移分别为54.78、10.43 mm,小于规范要求的最大值,表明检查车具有足够的刚度,在实际荷载作用下不会发生垮塌.

3) 检查车在最不利荷载工况下,桁架杆件的最大轴力为205 kN,最大应力比为0.669,在杆件材料强度所能承受的范围内,表明桁架杆件具有足够的强度,不会发生破坏.