基于ANSYS的架桥机分析

摘 要：文章通过有限元分析软件ANSYS对40m跨桁架式架桥机的过孔、架梁等各个工况进行分析，阐明了有限元软件在架桥机计算分析中的应用。

关键词：架桥机；ANSYS；有限元分析；

0引言

架桥机广泛应用于高速公路、高速铁路、城市轨道交通、水利工程、国防及军事工程等领域。随着现代交通的不断发展，桥梁的载重、跨径和桥面宽度也在不断地增长,桥梁结构形式不断变化，架梁工况日趋复杂，这对架桥设备提出了更高的要求：一方面要求提高架桥机的额定起重量，另一方面要求降低架桥机整机重量方便运输和安装。因此需对架桥机进行细致的结构计算，以确保安全。

ANSYS是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元软件，可以广泛应用于土木、材料、机械、电子、水利等工程的分析和科学研究。本文主要介绍基于ANSYS的HDJH40-160Ⅱ型架桥机分析。

1架桥机结构组成

HDJH40/160Ⅱ型架桥机是为了适应架设公路桥梁而发明的一种先进的架桥机，其主要优点是：前导梁伸缩辅助过孔、免预制梁配重。该架桥机由主梁、导梁、连接梁、副前支腿、前支腿、后支腿、后托轮及相应的动力、转向机构、提升小车(天车)及横移机构、液压机构、电器及控制、横移轨等组成，如图1所示。

图1 架桥机施工现场照片

该架桥机额定起重量160t，桥梁跨径≤40m,主体钢材采用Q235。主梁为三角桁架式结构，采用型钢和钢板焊接而成。主梁是架桥机的主要承力构件，分为左右2列，为了运输方便，每列主梁又分为5节，每节12m，之间通过销轴连接，全长60m。两列主梁通过后上横梁、前框架及前支腿横梁连接在一起。架桥机的结构组成如图2所示。

图2 架桥机结构组成示意图

由于过孔时中托的驱动装置将驱动主梁下弦杆与中托和后托进行相对运动，因此下弦杆和腹杆均采用双槽钢焊接。各主要构件的截面形式如图3所示。

SEC1.主梁上弦截面 SEC2.主梁下弦截面

SEC3.主梁腹杆截面 SEC4.主梁下弦斜撑截面

SEC5.导梁上弦截面 SEC6.导梁下弦截面

SEC7.导梁腹杆截面 SEC8.导梁下弦斜撑截面

SEC9.前支腿担梁截面 SEC10.前支腿截面

图3 各主要构件截面形式图

2架桥机架梁工况

架桥机架梁工况如图4所示。

图4 架桥机架梁工况图

工况一 过孔工况，架桥机导梁伸出19m，主梁伸出中托24m，前支腿携带2.5t重物，两辆天车开至桥机最后做配重,每辆天车自重8.4t。

工况二 前天车满载移至跨中，后天车移至距中托3m处等待起吊。

工况三 前天车满载，后天车在距中托3m处起吊。

工况四 前后天车满载前移，后天车经过中托。

工况五 架边梁工况。

3架桥机有限元分析

该架桥机是由型钢、钢板焊接而成的空间杆系结构。ANSYS提供了可以自由输入材料特性的功能，取材料弹性模量E=2.06×105MPa，，密度DENS=7.85×10-6kg/mm3，泊松比PRXY=0.3。单元的剖分采用BEAM189。Beam189单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛柯梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。Beam189 是三维二次有限应变梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)＝0（缺省）时，每个节点有六个自由度：节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。此单元适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。Beam189 可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定义横截面。

架桥机导梁与主梁、主梁前端与前支腿担梁之间的接触分析可以通过ANSYS的耦合功能进行模拟。

耦合即迫使两个或者多个自由度取得相同的值，这种自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度，耦合只将主自由度保存在分析的矩阵方程里，而删去其它的从自由度。

例如，主梁节点 NODE1 通过滑轮与导梁节点 NODE2 连接，仅限制了导梁节点 NODE2横向位移 UX 和竖向位移 UY，则应用耦合功能的命令为：

Cp,next,ux,node1,node2

Cp,next,uy,node1,node2

因为架桥机是对称结构，为了建模方便和节省计算机时，仅进行单列建模分析，架桥机横向连接按对称约束处理。

经以上处理，架桥机过孔工况（工况一）的空间有限元模型见图5、图6。

进入ANSYS求解模块（/SOLU）求解后，进入后处理模块（/POST1）读取架桥机过孔时的变形图见图7、应力图见图8所示。

图5 架桥机有限元模型图6 架桥机前支腿细部处理

图7 架桥机过孔变形图 图8 架桥机过孔应力图

架桥机过孔完成后，导梁缩回主梁内，导梁自重通过下弦两端滑轮传递给主梁。以导梁下弦两端节点为从节点，靠近导梁下弦两端节点的主梁节点为主节点，建立耦合关系。为了避免天车轮压处的应力集中，轮压区按100mm加载。中托轮按约束主梁的横桥向和竖向两个方向自由度，前支点约束横桥向、纵桥向和竖向三个方向自由度。

经以上处理，求解后得工况二的变形图见图9、应力图见图10所示；工况三的变形图见图11、应力图见图12所示。

图9 工况二变形图 图10 工况二应力图

图11 工况三变形图 图12 工况三应力图

工况四的变形图见图13、应力图见图14所示。

图13 工况四变形图 图14 工况四应力图

工况五的变形图见图15、应力图见图16所示。

图15工况五变形图 图16 工况五应力图

各工况的弦杆应力、挠度等验算情况汇总于表1

表1 架桥机各工况验算结果

工况序号 工况描述 弦杆 腹杆 最大

挠度

(mm)

最大应力（MPa） 最大应

力位置 最大轴应力（MPa） 最大轴应

力位置

1 过孔 160.9 中托附近下弦杆下表面 62.7 中托附近靠近桥跨 322.4

2 前天车满载移至跨中，后天车就位等待起吊 115.7 前天车上弦上表面 96.9 中托附近靠近桥跨 68.6

3 前天车满载前移，后天车起吊 123.2 中托附近下弦杆下表面 83.6 中托附近靠近边跨 28.9

4 前后天车满载前移，后天车满载经过中托 103.0 中托附近下弦杆上表面 76.8 中托附近靠近桥跨 27.9

5 架边梁 121.3 中托附近下弦杆上表面 132.1 中托附近靠近桥跨 30.4

架桥机工作级别为A3，荷载组合类别为Ⅱ类，安全系数n=1.33，许用应力为：

[σ]=σs/n=235/1.33=176.7MPa

4结论

利用ANSYS软件对HDJH40/160Ⅱ型架桥机进行计算分析，可以得到以下结论：

（1）用BEAM189三维梁单元可以准确模拟架桥机各工况受力情况。尤其是BEAM189自定义截面形式的功能，可以方便定义各种复杂截面形式，是准确模拟结构截面几何特性的有效方法。同时，通过显示梁单元截面应力可以得到梁单元的应力结果。与SOLID单元相比较，BEAM189单元具有建模简单、计算机时节省的优点。

（2）采用耦合功能可以方便处理两个构件间的接触问题，简化两构件间的传力机理。

（3）HDJH40/160Ⅱ型架桥机在过孔工况（工况一）中托附近下弦杆应力最大，架边梁工况（工况五）中托附近靠近桥跨腹杆应力最大，但都小于许用应力，说明该桥机在过孔及按额定起重的情况下是安全可靠的。

参考文献

[1]袁昕，姜彤.实用ANSYS在桥梁建设装备结构分析中的应用.郑州:黄河水利出版社，2009.

[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析.北京:人民交通出版社，2007.

[3]GB 50017-2003.钢结构设计规范.北京:中国计划出版社，2003.

[4]GB/T 3811-2008.起重机设计规范.北京:中国标准出版社，2009.

作者简介

[1]任荣明（1983―），男，瑶族，广西富川人，南宁市新点线交通勘测设计有限责任公司，助理工程师，主要从事桥涵设计研究工作。

[2]林友斌（1982―），男，汉族，广东英德人，广西升晋交通科技有限公司，助理工程师，主要从事桥涵设计研究工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。