客运专线架桥机主梁的局部稳定性探究

摘要：本文首先分析了客运专线架桥机主梁局部稳定性的影响因素，然后介绍了主梁局部稳定性的计算，最后对主梁的局部稳定性设计进行了阐述。

关键词：架桥机；主梁；局部稳定性

中图分类号： F560.83 文献标识码： A 文章编号：

1客运专线架桥机主梁局部稳定性的影响因素

1．1局部稳定性的影响因素

钢板的稳定性取决于板的幅面尺寸和厚度，归结为合理地确定板的宽厚比、对于箱型截面轴心受压构件的腹板而言为高厚比。一般情况下，厚板不易失稳但不经济，薄板经济但容易失稳。钢板尺寸决定着构件截面的大小，从而影响着整体稳定性。对于大起重量的架桥机而言，其截面尺寸都比较大，截面长细比大，整体稳定性比较好，不易发生整体性失稳。而钢材的强度都比较大，大多选用了比较薄的板就能很好的满足强度要求，往往设计人员就忽视了薄板局部失稳的问题，所以对局部稳定性的控制就显得十分关键了。轴心受压杆件的局部稳定性系数原则上不应低于构件的整体稳定性系数，为此必须合理地选择压杆各部分尺寸，使局部板段的临界应力不低于杆件的临界应力，才能使杆件局部和整体都能安全稳定的工作。

1.2主梁局部稳定性计算的影响因素

利用有限元软件ANSYS来研究在纵向筋和横隔板分别作用时对于主梁局部稳定性的影响。

1.2.1纵向筋对主梁局部稳定性的影响经过上面的计算分析，主梁中部靠近上盖板处的腹板是最容易发生屈曲的部位，按照现行的设计规范，一般是在腹板的上半部设置两道纵向筋，下半部设置一道纵向筋。把有限元模型中的横隔板全部去掉，保留纵向筋，进行屈曲稳定性分析，得出主梁的屈曲稳定性系数为，由此可见，仅仅保留纵向筋的情况下，主梁会发生局部失稳。局部失稳模态为腹板屈曲，且失稳半波长比较大。

1.2.2横隔板对局部稳定性的影响

同样的，将有限元模型中的纵向筋全部去掉，保留横隔板，进行屈曲稳定性分析，得出主梁的屈曲稳定性系数，由此可见，仅仅保留横隔板的情况下，主梁也会发生局部失稳，但所需的临界屈曲应力远小于仅保留纵向筋的情况。其局部失稳模态为腹板屈曲，失稳半波长较仅保留纵向筋时小。

1.2.3纵向筋、横隔板对局部稳定性的影响因素

可见，纵向筋对于防止腹板的屈曲有着更加明显的作用。纵向筋能够把高的腹板分成几个小区隔，减小了腹板的高厚比，从而有效的防止了腹板的屈曲;而横隔板改变的只是腹板的长度，对于失稳影响因素最大的高厚比并没有影响，它的作用主要在于提高主梁的抗扭性，防止主梁的整体扭转变形。在设计主梁的时候，出于减重的需要，对纵向筋和横隔板的布置比较稀散，提高了安全隐患。根据以上的分析，应当严格按照设计规范的要求，安全妥善的布置纵向筋和横隔板，来共同保证主梁的安全工作。

2主梁局部稳定性的计算

箱型梁具有很大的水平刚度和抗扭刚度。主梁的受力情况最为复杂，在外载荷作用下，主梁的腹板和翼缘板受有正压力和剪应力作用，有的还受到轮压力引起的局部压应力，有的还受到多种应力作用。压应力和剪应力除强度问题之外会引起板件失稳，使板发生隆起、内陷等凹凸不平的变形，使板的受载能力减弱从而导致局部失稳，最终引发结构的整体破坏。所以，主梁的局部稳定性验算显得尤为重要。仅仅对一块板件的屈曲稳定性计算就需要经过多次迭代，而且首先还要在强度分析的基础上提取相关数据。计算出来的结果也不能对主梁所有板件有一个直观明了的印象，往往会犯以偏概全的错误，引起严重的后果。为了求解主梁的局部稳定性，最直接的做法就是对整机进行板单元稳定性计算，而屈曲稳定性的计算需要经过多次迭代求解，尤其是用板单元细部结构来进行分析求解时，所需要的时间会比较长，对计算机硬件的要求也很高，更重要的是还会被其他薄弱环节所干扰，所求出来的屈曲失稳模态很多时候不是我们所关心的区域，达不到预期的效果。另一种做法就是把主梁单独拿出来用板单元来进行模拟，但这样做会出现一个很明显的问题，主梁的边界条件不好处理，无法确定主梁两端节点的变形情况，模拟起来就很困难。类似的问题也出现在许多前人的论文中，对于这类问题边界的处理方法，大多是直接把主梁当成两边简支来处理，这样做的确大大提高了进度，但是却极大影响了计算的精度。

2.1主梁局部稳定性的计算方法

2.1.1刚性平面的建立

既然只关注主梁部分的局部稳定性情况，把要分析的主梁单独用板单元来模拟关注其局部失稳，而其它不关心的部分用梁单元来进行模拟。然后把板模拟的主梁插入到其他梁单元模型中，让两者共同构成一个整体来进行计算。这样就很好的解决了主梁边界约束的问题，但问题在于:板单元的主梁和其它部分的梁单元如何有效的结合起来?为了使板单元和梁单元结合在一起达到成为一个刚性整体的效果。运用ANSYS里提供的刚性平面联接来实现对接。这种刚性连接能够很好的保证端部联接部位的变形协调。将端部梁单元节点网格化成质量点单元，再将质量点单元同板单元上所有的节点依次相连，刚性平面就得以建立。为了检验刚性平面的准确性，在一边主梁采用板梁结合的方式，而另一边主梁依然用梁单元来模拟。其中板单元模拟主梁的那一段，按照图纸把主梁内部的纵向筋和横隔板全部设立。运用ANSYS进行静强度计算检验，看看两边主梁连接节点处的位移和应力情况是否相同。

2.1.2稳定性分析

在静力分析的基础上对设有纵向筋和横隔板的板梁混合的模型进行屈曲稳定性分析，得出主梁局部失稳的屈曲稳定性系数，因此，主梁在工作过程中不会有局部性失稳发生。从主梁的局部失稳模态图可看出，主梁中部靠近上盖板处的腹板发生了屈曲，这个地方受到了来自两个方向的压力作用:一个是来自小车车轮的垂直压力;另一个是来自主梁弯曲所导致的水平方向的挤压作用。因此主梁在这个地方最容易产生局部失稳，由此可见，计算结果是合乎情理的。

3主梁的局部稳定性设计

根据主梁截面尺寸，确定加劲肋的布置形式，方法实用简单，在结构设计中应用十分方便。加劲肋可分为横向加劲肋、纵向加劲肋和短加劲肋等形式。

3.1腹板加劲肋的配置

考虑腹板局部稳定性时，要分为局部压应力σm（轮压作用在腹板上）和无局部压应力（σm=0）两种情况分别对待，均可根据腹板计算高度h0与腹板厚度hw之比确定。

3.2腹板加劲肋的构造要求

加劲肋的间距，除按照腹板局部稳定性计算确定外，还应满足构造要求，以避免间距过大而在施工过程中产生较大的初始波浪变形，或避免因间距过小造成施工复杂。根据构造要求规定，仅配置横向加劲肋时，间距a=（0.5-2）h0，且不大于2m；同时配置纵向、横向加劲肋时，纵向加劲肋的间距为h1=（1/5-1/4）h0，横向加劲肋的间距也应取为a=（0.5-2）h0，且不大于2m。若在受压区还设置有短加劲肋，则短加劲肋的间距a1≥0.75h1。加劲肋是增强腹板的局部刚度，加劲肋应有足够的刚度才能作为腹板的不动支承。加劲肋的截面形式可为板材和型钢。

3.3受压翼缘板加劲肋的配置

受压翼缘板可控制宽厚比来保证局部稳定性，翼缘板宽度较大时用设置纵向加劲肋来降低宽厚比。

3.4板的局部稳定性计算

前述是根据主梁截面尺寸，直接求出加劲肋的配置形式。原则上，在选择好加劲肋的配置方案后，应算出各区隔板的不利弯矩与相应的剪力、不利剪力和相应的弯矩，然后对各区隔板进行验算。如不满足局部稳定条件或过于富裕，还需重新配置加劲肋后再次验算。验算时先根据整个主梁的受力，算出验算各区隔板的弯曲应力σ、剪应力τ和局部压应力σm。

4结论

该方法在以往架桥机主梁的设计中已经使用，实践证实是安全可靠的。根据多次计算的经验，对于由板构成的横向加劲肋，在主梁中称为隔板，隔板通常为薄板，为减轻重量和方便制造，隔板中间开孔。此时主梁受载后，隔板也会发生屈曲变形，因此，我们通常沿隔板开孔的四周镶边，形成T形断面，以防止隔板的失稳。最后给出客运专线架桥机主梁加劲肋的配置形式。

参考文献：

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