极端条件下梁底检修车有限元分析

刘 波，王少华，邓杨扬，张 露

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

对正常运营桥梁进行定期检修，了解其病害程度，同时针对性地采取合理的加固与维修方法，可以大大提高桥梁的使用安全度，预防可能存在的安全事故[1]。而安全可靠的检修设备，能满足桥梁的检修与维修过程中的诸多要求，为桥梁正常运营提供安全可靠的施工、检修手段[2]。

文献[2]针对并行桥梁提出并行桥梁检修车，该车可沿顺桥向移动并上下伸缩，配有可旋转检修平台，可穿过两幅桥完成作业，同时针对检修车自身处于不同工况进行相关数字模拟计算；文献[3]针对检修车空间不足的问题提出MQJ-1型桥梁检修车，以满足安全、美观、舒适的设计要求；由于混凝土桥墩顶帽孔较小，文献[4]介绍一种回转式过墩的桥梁检修车；文献[5]使用ANSYS模拟检修车在6级风作用下的工作状态；文献[6]使用ANSYS分析检修车在正常工作状态下的应力情况。

但对于公铁两用大桥上下两弦，其中上弦结构复杂，空间有限，以上方案均不是达到检修目标的最优方案，另外学者们多以正常工作状态（环境）为研究背景，对于设备处于极端状态的分析存在一定的不足。为实现全桥上弦的维修与养护作业，介绍一种变轨式梁底检修车（以下简称检修车）以解决检修车旋转空间不足的问题，同时以检修车所处的极端环境为研究背景，研究设备安全可靠性能。

2 总体介绍

该检修车由主桁架、驱动机构、回转机构、可伸缩桁架及可调检修平台组成，如图1所示。

图1 检修车结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Inspection Vehicle Structure

根据全桥上弦结构特点，在桥梁底部合理布置检修车检修行走轨道，采用顺桥向单轨、横桥向双轨的轨道设计，如图2（a）所示。

在驱动机构的作用下，检修车沿顺桥向轨道行走通过门型框架，实现从0号工位移至1号工位，如图2（a）所示；到达1号工位，变轨装置与回转机构共同作用完成顺桥向变轨至横桥向，如图2（b）所示；检修车横桥向行走与可伸缩平台实现桥梁上弦检修作业，可调检修平台完成桥梁门型框架检修作业，如图2（c）所示；检修车伸缩通过弦杆，完成上弦梁底侧边检修作业，如图2（d）所示。完成1号工位的检修工作。

图2 检修车工作流程示意图Fig.2 Working Flow Diagram of the Inspection Vehicle

3 检修车受力分析

主桁架与可伸缩桁架作为检修车主要检修设备及重要受力部件，其安全性尤为重要，其结构性能的好坏直接关系到检测人员的人身安全[7]。

根据检修车的极端环境，检修车伸缩桁架收回，考虑横桥向风载荷作用，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）百年一遇大风计算，取Vd=34m/s。

3.1 检修车载荷分析及计算

检修车桁架进行计算时载荷包括：桁架自重，设备重量、活动载荷以及风载荷，活动载荷的动载系数取1.1。其中活动荷载包括升降小车和工作人员的重量。

检修车的结构自重载荷及活动载荷，如表1所示。

表1 检修车的结构自重及活动载荷Tab.1 The Structural Dead Weight and Moving Load of the Inspection Vehicle

3.2 风载荷计算方法

检修车处于动车客运线天窗期，会遇到动车通过的情况。因此，应同时考虑列车水平气动力qv和横桥向风Wd的共同作用。

桥梁客车设计速度250km/h。工作时，检修车检修主航道桥时检修车横梁底部距轨道顶面的高度最小为10.8m。查询《高速铁路设计规范》TB10624-2014，及根据前人相关结论，列车对检修车的水平气动力为qv=30N/m2[8]。桥址为A类地貌，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004），横桥向风载荷计算式：

式中：k0—设计风速重现期换算系数，k0=1；k1—风载阻力系数；k3—地形、地理条件系数，k3=1；Wd—设计基准风压（kN/m2）；Aw—横向迎风面积（m2）。

式中：γ—空气重力密度（kN/m3）；Vd—高度Z处的设计基准风速（m/s）；g—重力加速度，g=9.81m/s2；Z—计算高度（m）。

极端状态：工作高度Z=86m，k2=1.51，k5=1.38，Vd=70.85m/s。

极端状态横桥向风载荷计算分区示意图，分4层桁架2个区域对风载荷进行计算[9]，如图3所示。

图3 极端状态横桥向风载荷计算分区Fig.3 The Calculation Partition of Wind Load in Extreme Conditions for Transverse Bridges

经计算得：极端状态风载荷为Fh=81521.4N。

3.3 检修车设计计算

依据《材料力学》对主要受力件，即铝合金主桁架进行弯曲应力与形变进行计算。根据铝合金主桁架受力情况，弯曲应力分为竖向应力与横向应力，其中竖向应力主要考虑竖向载荷及自重的作用，横向应力主要考虑风载荷作用。

3.3.1 竖向应力计算

铝合金主桁架主要有四根100′5矩管及腹杆焊接成型，考虑工字钢轨道固定于铝合金主桁架内，故计算截面惯性矩时将其作为铝合金主桁架的一部分进行计算。计算铝合金主桁架截面惯性矩：

式中：Iy—截面对y轴的惯性矩；—上矩管截面对y轴的惯性矩；—下矩管截面对y轴的惯性矩；—工字钢截面对y轴的惯性矩。

根据受力情况，确定铝合金主桁架剪力方程：

弯矩方程：

得到整个铝合金主桁架弯矩最大处在中间位置，最大弯矩Mmax=14123864.23N·mm。

其中，y=795.84mm，得最大弯曲应力σzmax=3.12MPa。

利用叠加法，得最大挠度：

式中：w—竖向挠度；F—竖向载荷；E—弹性模量；l—跨度；q—竖向均布载荷。

3.3.2 横向应力计算

根据受力情况，确定铝合金主桁架剪力方程：

得到整个铝合金主桁架弯矩最大处在中间位置，最大弯矩Mmax=28817255.84N·mm。

其中，z=690mm，得最大弯曲应力σymax=5.53MPa。

wh=0.49mm

式中：wh—横向挠度；qh—横向均布载荷。

4 检修车受力有限元分析

4.1 材料参数及机械性能

检修车的龙门架、伸缩轨道及行走轨道采用Q345b钢材，桁架采用铝合金。材料参数性能[10]，如表2所示。

表2 材料参数Tab.2 Material Parameters

4.2 铝合金主桁架有限元计算

利用ANSYS软件建立铝合金主桁架有限元模型，除斜腹杆采用Link8单元外，其他杆件均采用Beam188单元对桁架进行分析，按计算得到的载荷大小对铝合金桁架进行有限元分析，得到的分布云图，如图4所示。

根据有限元计算结果，最大复合应力为13.30MPa，如图4（a）所示。最大变形为0.56mm，如图4（b）所示。受结构形状的影响，采用变形作为校核指标。根据图5（a）所示，Y方向最大变形为0.28mm，取形变最大处4个节点位移，计算其平均值为0.23mm，理论计算结果为0.25mm；根据图5（b）所示，Z方向最大变形为0.51mm，取形变最大处4个节点位移，计算其平均值为0.40mm，理论计算结果为0.49mm。受计算过程中取值及型材倒角的影响，理论计算值与有限元计算值存在一定的差异，但有限元结果仍满足许用要求，结果可靠。

图4 桁架有限元计算结果云图Fig.4 Cloud Diagram of Finite Element Calculation Results of Truss

图5 桁架变形云图Fig.5 Truss Deformation Cloud Diagram

4.3 极端状态检修车桁架有限元计算结果

同理，利用ANSYA软件建立检修车整体桁架有限元模型，并按极端状态进行约束与加载。

4.3.1 应力与形变结果

桁架最大水平变形发生图6中标记MN处，为（-12.11）mm；最大拉应力发生在图7标记MX处，值为118.79MPa；最大压应力发生在图7标记MN处，为（-116.47）MPa。对分析结果中的各约束点竖向及水平反力进行提取，根据桁架尺寸计算得到小车对轨道的弯矩大小结果，如表3、表4所示。

图6 水平向变形云图Fig.6 Horizontal Deformation Cloud Diagram

表3 约束点的竖向反力（单位：N）Tab.3 Vertical Reaction Force of Constraint Points（unit：N）

表4 检修车对轨道的弯矩及水平反力Tab.4 Bending Moment and Horizontal Reaction of the Inspection Vehicle to Orbit

图7 最大拉、压应力云图Fig.7 Cloud Diagram of Maximum Tensile Stress

4.3.2 结果分析

检修车桁架强度、刚度结果，如表5所示。

表5 桁架分析结果Tab.5 Analysis Results of Trusses

参考桥梁钢结构安全系数取值，同时考虑焊缝处应力折减系数为0.7，取极端状态时安全系数为1.5[11]。由表5可知，检修车桁架拉压杆强度安全系数均＞1.5，满足静强度要求。

检修车悬臂最长为5150mm，取用有效悬臂长度位置的垂直静挠度应不大于有效悬臂长度的1/250，许用静挠度为20.6mm，极端状态下的最大竖向变形为12.11mm，满足主体结构构件静态刚度的要求。

根据《铝合金结构设计规范》，双轴对称截面轴心受压构件的稳定性计算系数应按下式计算：

式中：ηc—修正系数，取ηc=1.0；ηhaz—焊接缺陷影响系数，若无焊接时ηhaz=1.0；φ—轴心受压构件的稳定系数。

选取检修车桁架杆件用到（50×50×5）mm和（100×100×5）mm两种方管，其截面惯性矩Ix=Iy。方管惯性半径i=ix==，算得：

i50=18.484mm；i100=38.837mm

通过找出桁架结构中受压应力最大，最危险的杆件，确定其长度l，算出长细比λ=li，查《铝合金结构设计规范》附表B-1确定稳定系数。选取各个工况中最危险的受压杆件进行校核，稳定性校核结果，如表6所示。

表6 受压铝合金杆件稳定性校核Tab.6 Compression Aluminum Alloy Bar Stability Check

同理，按照《钢结构设计规范》对桁架中钢结构杆件稳定性系数进行计算选取，选取各个工况中最危险的受压钢材料杆件进行校核，稳定性校核结果，如表7所示。

表7 受压钢材料杆件稳定性校核Tab.7 Stability Check of Compression Steel Members

检修车受压杆件稳定性安全系数均＞2.5，桁架结构满足稳定性要求。

5 检修车极端状态轨道校核

5.1 极端状态

5.1.1 轨道受载分析

极端状态由于风载荷作用，检修车会对轨道产生一个弯矩及水平载荷作用。根据前文反力结果，可计算得到轨道所受弯矩。初步假设轮压区提供的反力能够平衡风载荷产生的弯矩，且三个作用力分布呈线性分布，如图8所示。

图8 轨道受力图Fig.8 Orbital Force Diagram

检修车总重（包括驱动部分）G=77.46kN

得到：F1=89.73kNF2=38.1kNF3=(-89.1)kN。结果中出现F3为负值，而轮压区仅能提供支持力，需去除F3重新计算。

得到：F1=289.4kN；F2=(-250.6 )kN。结果中出现了单侧反力为负的情况，而实际情况下轮压区仅能提供竖向的支持力而不能提供拉力，仅靠轮压不能使检修车平衡，必须考虑泊车时手轮的作用重新进行计算。泊车状态手轮顶住轨道。此时受力分析，如图9所示。

图9 轨道受力分析Fig.9 Force Analysis of Orbit

重新计算得到图12中各个力的大小：

得到：F1=540.8kN，F2=-502.1kN，F风载=40.2375kN。

5.1.2 轨道有限元模型及加载

采用SOLID45单元建立轨道模型，约束轨道上表面的UX，UY，UZ位移。按以上分析得到的载荷大小对轨道各轮压区及手轮压紧区域进行加载。

5.1.3 改进前轨道强度分析结果

轨道的应力分布，如图10所示。

图10 未改进轨道应力云图Fig.10 The Stress Cloud Diagram of the Unimproved Orbit

极端状态下，轨道所受最大应力为761MPa，远大于Q345b强度极限，轨道不能满足强度要求，必须对泊车方案进行改进，在检修车下端设置拉杆固定。

5.2 改进后极端状态

通过设置驻车装置固定桁架一侧的点1、2两处，如图11所示。设置驻车装置后，轨道只受竖向力和横向风载荷影响，考虑最不利工况，单根轨道单侧受力。

图11 拉杆固定位置示意图Fig.11 Schematic Diagram of Fixed Position of Tie Rod

按以上计算得到的载荷大小对轨道进行有限元分析，得到的应力分布云图，如图12所示。

图12 改进后轨道应力云图Fig.12 Improved Orbital Stress Cloud Diagram

极端状态下，轨道所受最大应力为225.7MPa，轨道的强度安全系数为1.53，满足极端状态安全系数大于1.5的要求。

6 结论

这里介绍的变轨式梁底检修车结构简单，空间占有率低，安全性能高：（1）通过理论分析计算，铝合金主桁架在Y方向最大变形为0.25mm，Z方向最大变形为0.49mm，与有限元计算计算结果UY为0.23mm，UZ为0.40mm对比，差异在可控范围内，保证有限元计算结果真实可靠。（2）根据有限元计算结果，检修车在极端状态最大拉应力为118MPa，安全系数为2.91，大于最小安全系数1.5，满足静强度要求；最大形变为12.11mm，小于许用静扰度20.6mm，满足结构静态刚度要求；桁架受压杆最小安全系数为3.64，大于最低安全系数2.5，满足稳定性要求，保证检修车桁架结构的安全可靠。（3）通过在检修车下端增设拉杆，降低轨道最大应力，使其满足许用要求，为检修车的安全提供保证。