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文档简介

摘要架桥机是将预制梁片吊装到桥梁支座上的大型专用施工机械,而主导梁是架桥机的主要构件,其成本占到整台架桥机造价一半以上。在满足使用要求的前提下,减少主导梁的制造成本、方便运输和安装是施工单位希望解决的问题。本文以此为目的展开研究。首先在桥梁建设工地现场通过对多种主导梁类型结构架桥机的实际使用情况进行深入调研。然后利用通用的大型有限元软件a n s y s ,对三种主要类型的主导梁结构进行有限元建模和数值仿真分析。通过对数值仿真分析的数据结果进行定量分析比较,得出如下结论:桥梁架设中使用贝雷桁架主导梁结构的拼装架桥机具有较高的性价比。为克服贝雷桁架主导梁结构存在的缺陷,设计出一款新型主导梁结构,并利用a n s y s 对新型主导梁结构的可行性进行了建模和数值仿真分析。从理论上证明了该类型的主导梁结构既能克服贝雷桁架主导梁结构刚度的不足,又能发挥贝雷桁架主导梁结构性价比高的优点。本文的研究分析,既为桥梁架设施工单位选择一款性价比高的主导梁结构类型的架桥机提供了科学依据,也为架桥机的主导梁结构设计提供了一种新的结构形式。关键词:架桥机;主导梁;有限单元法;a n s y sa b s t r a c tb r i d g ec o n s t r u c t i o nm a c h i n ei sak i n do fs p e c i a lm a c h i n et os u s p e n dt h ep r e f a b r i c a t i o ng i r d e rt ot h eb r a c k e t ,a n di t sm a i n b e a mi sm a i nc o m p o n e n t ,w h o s ec o s to c c u p i e sm o r et h a nh a l fo ft h ew h o l ec o s to fm a c h i n e u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fs a t i s f y i n gt h eo p e r m i o nr e q u i r e m e n t ,i ti sak e yp r o b l e mf o rac o n s t r u c t i o nc o m p a n yt or e d u c et h em a i n - b e a m sc o s ta n dt ot r a n s p o r ta n di n s t a l li tc o n v e n i e n t l y , w h i c hi st h ef o c u so ft h i sp a p e r f i r s t l yv a r i o u sm a i n b e a ms t r u c t u r e so ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nm a c h i n eh a db e e nt h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e da tb r i d g ec o n s t r u c t i o ns i t e s t h e nt h r e ek i n d so fm a i n - b e a m sa r em o d e l e da n ds t u d i e db ya n s y s t h r o u g hac o m p r e h e n s i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h ei m i t a t i n gd a t a , ac o n c l u s i o nc a nb eo b t a i n e d t h ea p p l i c a t i o no f t h eb e i l e im a i n b e a mi so fh i g hc o s tp e r f o r m a n c e i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go f t h eb e i l e im a i n b e a m ,an e wm a i n - b e a ms t r u c t u r ei sb e i n gd e s i g n e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss t r u c t u r ei sd e m o n s t r a t e db ym o d e l i n ga n di m i t a t i n ga n a l y s i s i tr u m so u tt h a tt h en e wm a i nb e a ms t r u c t u r ec a nn o to n l yo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fb e i l e im a i n - b e a mi ns t i f f n e s s ,b u ta l s oe x e r tt h ea d v a n t a g eo fb e i l e im a i n b e a mi nh i g hc o s tp e r f o r m a n c et h es t u d yo ft h i sp a p e rp r o v i d e ds c i e n t i f i cb a s i sf o rt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o m p a n yi nc h o o s i n gam a i n b e a ms t r u c t u r eo fh i g hc o s tp e r f o r m a n c e ,a n dp r o v i d e sak i n do fn e ws t r u c t u r ef o r mf o rt h em a i n - b e a ms t r u c t u r eo ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nm a c h i n ea sw e l l k e yw o r d s :b r i d g ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e ;m a i n - b e a m ;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ;a n s y s长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:易懂么日期多噼乡月矿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口,在年解密后适用本授权书。2 、不保密团。( 请在以上相应方框内打。4 ”)作者签名:导师签名:剧芝红l更癣平b 翔:将玉只f7e t日期:加7 年j ,月,f 日1 1 课题研究背景第一章绪论弟一早三= 百t 匕公路是我国国民经济发展的大动脉,尤其高等级公路和高速公路( 以下均简称高速公路) 以其在运输能力、速度和安全性方面的突出优势,及对均衡国土资源开发、缩小地区差别、建立统一市场经济体系和提高现代物流效率等方面所发挥的重大作用,成为交通运输现代化的重要标志。近年来我国高速公路建设取得了长足进展截止2 0 0 4 年底,高速公路通车里程已超过3 4 万公里为进一步加快经济建设步伐,中央于2 0 0 4 年制定了国家高速公路网发展规划,确定今后十五年内我国国家高速公路网将采用放射线与纵横网格相结合的布局形态,形成由中心城市向外辐射,横连东西、纵贯南北的公路交通大通道,其中包括7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线,总规模大约为8 万5 千公里m ,这意味着我国即将开始新一轮的公路建设热潮。尤需关注的是,国家高速公路网发展规划将侧重点投向了中西部地区。所拟建的高速公路大多要贯穿山川、河流等偏僻地区,由此可见,这意味着桥梁及高架桥路段的建设需求也将会相应增多,建桥工程的进展必然会对公路的早日通车产生至关重要的影响。二十世纪七十年代以来,随着预应力混凝土的广泛应用,桥梁建设中,桥梁上部结构的施工方法迅速发展,其中普遍采用是预制梁安装法“,。简支预制梁桥以其受力明确、制造集中、架梁工序清晰、简易的特点,被当作一种不可缺少的桥梁结构形式广泛应用于公路桥梁设计中n 一。现在,随着新技术、新材料及新工艺的不断发展与成熟,预制梁的跨径已由原来的2 0 3 0 m ,增大到4 0 5 0 m 。众所周知,预制梁的安装是桥梁建设施工中的关键工序,随着桥梁施工机械化程度的不断提高,我国预制梁架设设备的发展经历了一个从人字木桅杆,到钢桁架导梁,再到架桥机的过程。架桥机较好地解决了在江河湖泊和高山峻岭上搭设施工支架的难题,极大地提高架梁工作效率,在桥梁的施工建设中发挥着巨大作用。目前,我国架桥机事业己初具规模,形成了专用型与拼装式架桥机竞相发展的局面。专用型架桥机发展较快,我国现有最大架设跨度5 0 m ,最大起重量为1 6 0 t 的专用架桥设备,而国外已有可架设8 5 0 t 重的整体箱梁的专用架桥设备m 由于结构简单、拼装速度快、运输方便且投资少,拼装式架桥机在我国得到广泛应用“,。改革开发以来,随着高等级公路与高速公路建设步伐的加快,桥梁施工任务日益繁多,桥梁架设工程单位对架桥机的需求量和使用率与日俱增。针对当前我国所使用公路架桥机因种类繁多而造成难于取舍的现状,学会选用一款既安全高效、又经济实用的架桥机,对每个建设单位来说已成为一个颇具现实意义的课题。架桥机属于大型工程机械设备,投资大,使用率有限。而主导梁是架桥机的主要工作部件,重量约占架桥机总重的6 0 ,成本占到了整台架桥机成本的一半以上:同时,主导梁还是架桥机架设预制梁片时最主要的承载构件,其强度和刚度的大小对整台架桥机的安全性能具有较大影响。因此,对架桥机的选用很大程度上就是对主导梁结构型式的选择。本课题是由湖南省路桥集团公司资助的针对架桥机主导梁结构进行分析研究的横向课题,本文力图通过对主导梁结构的分析研究。解决当前架桥机选用中的两个现实问题:其一,桥梁架设施工单位希望在满足施工进度和架设质量要求的前提下,通过某种科技手段,获得充分的科学数据,定量地证明三种现有架桥机的主导梁结构类型中哪一款性价比最高,从而为今后购置或自制架桥机提供重要依据;其二,能否对主导梁结构型式进行必要的改进设计,以求取得更好的经济效益。1 2 架桥机概述架桥机是一种将预制钢筋混凝土或预应力混凝土梁片吊装在桥梁支座上的专用施工机械“。架设桥梁时,架桥机主要用来提升、移动t 梁,使其到达指定位置。我国从上世纪四十年代末开始使用架桥机架设铁路钢板梁,经过几十年的发展,能架设的预制梁片的跨度不断增大,架桥机的吊重与结构形式也不断得到改进,逐步形成了一系列不同类型的架桥机。上世纪八十年代初,我国首台公路架桥机投入使用,经过几十年的发展,国内的公路架桥机形式趋于多样化。但概括起来可分为拼装式架桥机和专用架桥机两种类型”1 ,。1 2 1 拼装式架桥机拼装式架桥机( 如图卜1 所示) 主要利用制式器材。根据需架设梁片的尺寸和重量,现场拼装架桥机主导梁,并配置相应的起重设备、走行装置和支腿,以实现梁体架设。主导梁所采用的制式器材一般为贝雷桁架、万能杆件和军用梁等。其中,贝雷桁架主导梁架桥机适用跨度在5 0 m 及以下;万能杆件主导梁架桥机则较灵活,适用跨度范围较大,但其杆件采用螺栓连接,拼组工作量较大;军用梁主导梁架桥机采用重型结构单元拼装,主导梁承载能力大,适用于大跨度桥梁的架设,从1 6 mn 5 0 m 均可”,。随着架桥机配套设备的标准化,拼装式架桥机除主导梁自行拼装外,其他如横梁也可采用专用架桥机的相应构件。实践证明,拼装式架桥机具有诸多优点,如制式器材运输方便、机动性好、组拼简单、高度低、重心低且稳定性好,可兼做其它结构使用,因此在我国桥梁建设中得到较为广泛的应用。2图卜l 拼装式架桥机图1 2 2 专用架桥机专用架桥机是在主导梁式架桥设备基础上,通过对其结构型式进行改良而发展起来的一种定型的桥梁专用施工机械。根据架桥机主导梁组成数量的不同,专用架桥机又可分为以下两种形式n 一:1 单主导梁架桥机单主导梁架桥机( 如图1 - 2 ) 在上世纪6 0 年代后期设计、生产并投入使用。它图卜2 单主导梁架桥机图采用单臂空腹箱梁做主承力构件,具有整机自重轻、结构紧凑及利用系数较高的突出特点。其架梁采用简支状态架设,对曲线及斜交桥梁架设适应能力强,易于实现架设外边梁。它通常不需在吊梁小车上设置慢速横移机构,而仅依靠整机横移机构来实现移梁与落梁调整,但在落梁时常需多次调整才能就位如果在吊梁小车上设置慢速横移机构,主导梁将要承受弯扭组合载,其结构重量就会增加。由于单主导梁架桥机横移困难,架设边梁多有不便,故它多用于铁路桥梁架设,在多车道高速公路预制梁片架设中使用较少。2 双主导梁架桥机双主导梁架桥机是上世纪7 0 年代在单主导梁架桥机基础上设计生产的,它可将梁片直接从运梁平车上起吊,无需换装就可一次性将梁片架设到位,也不必在墩顶另行横移,它可在前后两方向架梁,主导梁架桥机易于实现吊梁小车的布置,且在反向架梁时,不需要转向。由于双主导梁的承载能力强,且整机横向稳定性能好,目前它在我国公路架桥机中应用最为普遍。但双主导梁架桥机横向尺寸大,这使得它架设曲线桥和斜交桥的适应能力较差。一般而言,双主导梁架桥机的主导梁截面形状多为三角桁架主导梁和箱形主导梁,如图卜3 ,图1 4 所示。目图1 - 3 三角桁架双主导梁架桥机图图卜4 箱形主导梁架桥机前使用的s d l b 型双主导梁架桥机可架设最长为5 5 米、重达1 7 0 吨的预制梁片。由于4横移范围大,整体稳定性好。双主导梁架桥机特别适用于路面幅度较宽的多车道高速公路桥梁路段预制梁片的架设。值得注意的是,拼装式架桥机采用的正是双主导梁结构。在纵移方式上,专用架桥机主要有整机步履式纵移和整机大悬臂轨行式纵移两种。整机大悬臂轨行式纵移方式具有重心低、重量轻、可架设半径较小的曲线桥等优点,但因在悬臂纵移过程中轴重较大对已架裸梁可能造成危害,所以还需采用荷载分配等方法对裸梁进行保护。而步履式纵移方式架桥机施工载荷只作用于己架裸梁的端头和桥台上,不会有上述问题发生,但它也有不足之处表现为结构重量大、成本高、架设曲线桥半径较大,重心相对也较高。1 3 本文研究内容及意义从现状来看,国内桥梁架设单位对不同主导梁结构类型的架桥机评价褒贬不一。为此笔者查阅了大量相关的文献资料,发现当前对架桥机展开研究的学术论文数量虽多。但均是针对某种型号架桥机的整体或部分展开研究,而对架桥机常用主导梁结构类型的性价比的综合研究在学术领域尚属空白。二零零六年三月初,笔者随同导师来到怀新高速公路工地现场,对三种类型主导梁结构的架桥机作了全面细致的调查研究。本文正是在工程建设实践的基础上,先利用大型有限元软件a n s y s 强大的多功能模块,对桥梁建设中架桥机常用的三类主导梁结构进行有限元建模和数值仿真分析,然后根据分析的数据结果,结合架桥机使用的经济性,进行综合的定量分析比较,最终得出的结论是:在高速公路桥梁架设中,使用贝雷桁架主导梁结构的拼装架桥机具有较高的性价比,值得施工单位优先选用。同时,求得的有限元数值分析结果还可为校核主导梁结构承载的安全性及合理用材提供有价值的参考,从而为其改进设计和结构优化提供理论依据。为克服贝雷桁架主导梁结构存在的缺陷,本文设计了一款新型主导梁结构,并利用a n s y s 对其进行建模和数值仿真分析。分析结果表明,这款新型主导梁结构既能发挥贝雷桁架主导梁结构的优点,又能克服贝雷桁架主导梁结构的不足,可为今后架桥机主导梁设计提供依据。总言之,一方面,通过对三种类型主导梁结构性能和经济效益的分析比较,本文为桥梁施工单位选择其中一款性价比最高的主导梁结构提供了充足的数值论据;另一方面,集合各种常用主导梁结构的优点而设计的组合型导梁结构,也值得架桥机设计单位参考借鉴,具有一定的理论和现实意义。第二章有限单元数值分析法及a n s y s 简介2 1 有限单元数值分析法简介有限单元法是当前解决工程实际问题的一种有力的数值仿真计算工具,借助于电子计算机数值模拟分析的功能,它可用来求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹性等力学性能进行分析计算,以及结构性能的优化设计等问题。有限单元法的核心思想是结构的离散化,把求解区域看作是由许多小的在节点处相连的子域( 单元) 构成,结构模型给出基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸,所以它能很好的适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和边界条件。而且它还有成熟的大型软件系统支持,故成为当前特受欢迎、应用极广的数值仿真计算方法n ,。2 1 1 数值仿真许多工程问题分析,如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等,都可归结为在给定条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题,但是能用解析方法求出精确解的仅是方程性质比较简单。且几何边界相当规则的极少数问题。大多数的工程技术问题,由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的,则少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径:一是引入简化假设,将方程和边界条件简化为能够处理的问题,从而得到它简化状态的解。但这种方法仅在有限的情况下具有可行性,因为过多的简化将导致不正确甚至错误的解。因此,人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上,借助于现代科学技术的产物计算机,来获得满足工程要求的数值解,这就是途径之二:利用数值仿真模拟技术,它是现代工程学形成和发展的重要推动力之一“,。数值仿真技术是科学计算发展的必然产物。科学计算的目的不仅是获得数据,而主要在于启发和促进人们对自然规律的更深层次认识,进而发现新规律、建立新学科,并应用于生产实践中u ”“。要使研究人员摆脱或减轻分析和理解计算过程中所产生的巨大数据,我们只能借助科学计算可视化,即用直观的图形输出代替数字输出。也就是说,科学计算可视化把计算中所涉及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量而呈现在研究者面前,使他们能够观察到模拟和计算,既看到传统意义上不可见的事物或现象,还可提供与模6拟和计算的视觉交互手段u “”。2 1 2 有限单元法的基本原理有限单元法产生于经典力学。遵循基本的力学原理它的基本思想是用较简单的问题代替较复杂的问题后再求解。这种方法先将求解域看成是由许多称为有限单元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近视解,然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ,从而得到问题的解n ”。当然,这个解不是准确解,而是近视解。有限单元法分析计算的基本原理可归纳如下n 一飞1 连续体的离散化将结构离散化,用有限数量易于分析的单元来表示复杂对象,相邻单元之间仅通过若干个节点连接,每个节点对应有限个自由度,即节点的广义位移。把作用于各单元上的外载荷,按虚功原理转换成各单元的等效节点载荷,用划分好的有限个单元的集合体,代替原来的连续体。2 单元特性分析有限单元法是以节点参数作为基本未知量,根据所取节点的基本未知量不同。可将其分为:( i ) 位移法:以节点位移为基本未知量;( 2 ) 力法:以节点力为未知量;( 3 ) 混合法:以部分节点位移和部分节点力为未知量。在工程上广泛采用的是节点位移法。这种方法根据分块近视逼近整体的构思,选取简单多项式函数近视表达单元各位移分量的分布规律,并把单元任一点位移分量写成统一形式的位移插值函数式,从而可通过单元节点位移向量,表达单元内任一点的位移、应变、应力。此外还要保证单元满足平衡、连续和物理性质等制约条件,利用变分原理或虚功原理建立单元节点力向量和节点位移向量之间的特性关系( 形成单元刚度方程式) 。3 整体分析通过相邻单元在节点上满足平衡或协调条件,运用直接叠加原理,将各单元的特性关系组合成整体连续体的特性关系,即建立整体连续体节点载荷和节点位移之问的关系( 形成整体刚度方程式) ,得到一组离散后以节点位移为未知量的多元一次联立方程组。4 求解未知节点变化量引入边界约束条件之后的联立方程组具有惟一的解,通过各种线性代数方程组的数值求解方法求解,得到结构各节点的位移,而应力、应变等量则通过位移导出。2 1 3 有限单元法分析计算步骤图2 1 所示为有限单元法分析的流程图。一般完整的有限单元程序包含前置处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、解题程序( s o l u t i o n ) 和后置处理( p o s t p r o c e s s i n g )三部分n 一“。6 翮有限元程序前置处理过程o q 巾o - i n g )解丘程序( s o l m i o n )后i 处理过程口。札印洲i n d收集相关壹料t 趺定分析项目获取材辩的机械性质及几何条件边界垂件建立有限元模型( 材料性质几何形状定义t 元素切割的产生)边界条件;加负载条l 加时问变化情形分析分析结果显示打印竺苎型竺ji 舍曩_ 】l 一提出改进方不合曩阔愿解决戚得到量佳图2 - i 有限单元法分析流程图有限单元法求解问题的基本步骤为“n “屯1 问题及求解域定义根据实际问题近视确定求解域的物理性质和几何区域。2 求解域离散化将求解域近视为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域。3 确定状态变量及控制方法一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示。为适合有限元求解,将微分方程化为等价的泛函形式。4 单元推导对单元构造一个适合的近视解,即推导有限单元的列式,其中包括选择合理的单元坐标系,建立单元形函数,然后以某种方法给出单元各状态变量的离散关系,从而形成单元刚度矩阵。5 总装求解将单元总装形成离散域的总矩阵方程,反映对近视求解域的离散域的要求,即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装在相邻单元节点进行,状态变量及其导数连续性建立在节点处。6 联立方程组求解和结果解释有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近视值。2 2a n s y s 简介2 0 世纪7 0 年代,美国a n s y s 公司开发的功能强大a n s y s 软件,该软件是一套面向工程的大型通用有限元分析软件。所谓面向工程主要是指机械结构系统受到外力负载后所出现的反应,例如位移、应力、温度等,根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态,进而判断是否符合设计要求“”。2 2 1a n s y s 组成a n s y s 的构架分为两层( l e v e l ) l 起始层( b e g i n l e v e l ) 和处理器层( p r o e e s s o r l e v e l ) 。起始层的功能在于开始a n s y s 、进入各个不同的处理器层,处理器层的功能则是接受相关类型目的工作命令n ”。a n s y s 的处理器有:a 一般前处理器( p r e p 7 ) :用于建立有限元模块,不管哪种分析都一定会使用该处理器:b 求解处理器( s o l u ) :定义外力、边界约束条件及进行有限元求解不管哪种分析都一定会使用该处理器:,c 一般后处理器( p o s t i ) :用于静态结构分析、模态分析等:d 优化处理器( o p t ) :处理优化问题。定义目标函数、约束条件:e 时域处理器( p o s t 2 6 ) :仅用于动态结构分析,查看动态分析与时间有关的时域结果。如图2 - 2 所示,a n s y s 中处理器之间的转换通过f i n i s h 命令先回到起始层,然后进入想要到达的处理器位置。2 2 2a n s y s 主要的分析功能和分析过程1 a n s y s 分析功能a n s y s 的主要功能以结构分析为基础,具体表现在以下方面“”1 :( 1 ) 结构静力分析结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解9惯性和阻尼对结构影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行图2 2a n s y s 构架示意图线性分析,还可以进行非线性分析,如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应交及接触分析。( 2 ) 结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同,动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s可进行的结构动力学分析类型包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。( 3 ) 结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求解静态和瞬态非线性问题,包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3 种。( 4 ) 动力学分析a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时,可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性,并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。( 5 ) 热分析a n s y s 程序可处理热传递的3 种基本类型:传导、对流和辐射。热传递的3 种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。( 6 ) 电磁场分析主要用于电磁场问题的分析,如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布,力、运动效应、电路和能量损失等,还可以用于调节器、发电机、磁体、电解槽及无损检测装置等设计和分析领域。( 7 ) 流体动力学分析a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析,分析类型可以为瞬态或稳态,分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生1 0压力、流率和温度分布的图形显示。( 8 ) 声场分析a n s y s 软件的声学功能用来研究含流体的介质中声波的传播,或分析在流体中的固体结构的动态特性。( 9 ) 压电分析用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) d c ( 直流) 或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。2a n s y s 分析过程a n s y s 软件分析过程主要包括三个功能模块:前处理模块、分析求解模块和后处理模块n m 。( 1 ) 前处理模块前处理模块主要实现三种功能:参数定义、实体建模与网格划分。用于定义求解所需的数据用户可以选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元、以及定义耦合和约束方程。a n s y s 不仅提供了广泛的模型生成功能。使用户可以快捷建立实际工程系统的有限元模型,还提供了三种不同的建模方法:模型导入、实体建模和直接生成。用户可以选择其一或其组合来建立实体模型。a n s y s 系统的网格划分功能十分强大,使用非常便捷。从使用选择的角度来说,网格划分可分为系统智能划分与人工选择划分两种。( 2 ) 分析求解模块在前处理阶段完成建模及网格划分后,用户即可通过求解器求解阶段获得分析结果。在这一阶段里,用户通过定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项,然后开始有限元求解。a n s y s 提供的直接求解器可以计算出线性联立方程组的精确解。此外。a n s y s 程序还提供了一个有效的稀疏矩阵求解器,它既可用于线性分析,又可用于非线性分析。( 3 ) 后处理模块在a n s y s 后处理中,通过友好的用户界面,用户易于获得求解过程的分析结果并对其进行运算,分析结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等,输出形式则有图形显示和数据列表两种。由于后处理阶段同前处理阶段和求解阶段完全集成在一起,故求解结果己存于数据库且能立即查看。一殷而言,后处理访问数据集的方法有两种,其一,利用通用后处理器p o s t l 来查看整个模型或选定的部分模型在某一时间步的结果,从中可获得等值线显示、变形形状以及检查与解释分析的结果和列表。其二。利用时闻历程后处理器p o s t 2 6 来查看模型的特定点在所有时间步内的结果,从中可获得结果数据对时间或频率关系的图形曲线与列表。还能从时间历程结果中生成谱响应2 2 3a n s y s 结构动力学分析1 结构动力学分析理论结构动力学分析是在惯性和阻尼起重要作用时,用来确定结构或构件的动力学特性的技术,还可用来求解随时间变化的荷载对结构或部件的影响。与静力学分析不同,动力学分析要考虑随时间变化的力荷载及其对阻尼和惯性的影响。按作用在结构上动力荷载类型的不同,结构动力学分析分为模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学分析和谱分析等几种类型n ”。动力学问题分析的数学模型采用如下形式的微分方程:m p q ) + c k ( o4 - k p ( t ) = f ( o( 2 1 )式中:m :结构质量矩阵c :结构阻尼矩阵k :结构刚度矩阵f :随时间变化的荷载函数( f ) :节点位移矢量丘o ) :节点速度矢量丘( ,) :节点加速度矢量不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解u ”。模态分析:设定,( f ) 为零,而矩阵c 通常被忽略。谐波响应分析:假设f ( o 和卢( f ) 为谐函数。瞬间动态分析:方程保持上述的形式。结构动力学分析的最终目的是确定在动力载荷作用下,结构的内力、位移、反力等量值随时间变化的规律,从而找出其最大值,作为设计、分析或验算的依据,以便设计时能满足刚度和强度的要求,采取减振或防振的相应措施。本文将对架桥机几种主导梁结构类型进行动力学模态分析。2 a n s y s 结构模态分析结构模态是由结构本身的特性与材料特性所决定的,与外载条件无关。模态分析用来确定结构的动态特性参数固有频率和振型,这两个参数是承受动态荷载结构设计中的重要参数,是动力学分析的起点,也是对复杂或薄弱环节结构破坏形式做出判断的有效形式1 2 9 1 。结构在受迫振动时的动力响应与结构的动力特性密切相关,分析结构的动力特性,最主要的就是计算结构的自振频率和振型。结构受载荷没有达到平衡状态,或者由于结构的弹性和惯性作用,使结构围绕平衡位置振动时,其位移、应力等都是时间的函数,各点产生位移、速度与加速度,这就是动力学问题的基本概念。1 2因固有频率和主振型只与结构的刚度特性( 材料的弹性模量,截面的几何特性和边界条件) 和质量分布有关,所以,可利用自由振动的微分方程式来分析。由式( 2 - 1 ) 得结构的无阻尼自由振动的方程:雌o ) + 脚( ,) = o( 2 2 )若结构作简谐运动:( ,) = xs i n ( 国r + 口)( 2 3 )式中,x = ( x 1 ,x 2 ,x 。) 为未知列向量,该向量表示结构振动的形态;元素的上角标是自由度号;s i n ( 耐+ 球) 为时间的函数,表示结构振动是各节点的动位移随时间的变化规律。经运算( f ) = 口2 zs i n ( 耐+ 口)( 2 4 )将式( 2 - 3 ) ,( 2 - 4 ) 代入( 2 - 2 ) 式得k x 一口2 m x = 0( 2 - 5 )此为一个典型的广义特征值问题。若结构发生自由振动,它应当有非零解。有k 一( - 0 2 m l = 0( 2 6 )式( 2 - 6 ) 是多自由度体系自由振动频率方程,是关于。高次代数方程。它的次数为结构的自由度数n 。因此方程( 2 6 ) 有n 个根遁,露,对应于n 个砰方程组( 2 5 ) 有一组线性无关的解肖,o = l 2 ,辟) 。在振动分析中,厅) 2 和x 1分别是结构的第1 阶固有频率和与其对应的主振型“,。通过对结构进行模态分析可以使设计出的结构避免共振或以特定频率进行振动,也可以使工程师认识到结构对于不同类型的动力荷载是如何响应的,还有助于在其他动力分析中估算求解控制参数m ,本文将在随后章节中应用a n s y s 对架桥机多种类型的主导梁结构进行结构静力学分析及结构动力学分析。第三章架桥机主导梁结构的有限元分析综观公路桥梁建设工程所使用的架桥机,当前国内广泛使用的架桥机是下列三种双主导梁结构类型:贝雷桁架主导梁架桥机、三角桁架主导梁架桥机和箱型主导梁架桥机。双主导梁架桥机结构主要由双主导梁、前、中、后三个行走转换支撑、横梁、吊梁小车( 1 # 和2 # ) 、液压系统和电气控制系统等组成,其基本构造如图3 - 1 所示。后姐吊粱悻中姨主鞣雠恻j 滓li艚ll陆删n m m m 邢m 1 f i n f l m n 雕 n 脑 m m 垤工j l滑舀il摩糊露i i摩刘鬟1 2图3 - 1 双主导梁架桥机基本结构图双主导梁构件是双主导梁架桥机的主要工作部件,同时还是架桥机架设预制梁片时最主要的承载构件,重量约占架桥机总重的6 0 ,其强度和刚度的强弱对整台架桥机的承载性和安全性具有较大影响。在分析验算架桥机的力学特性时,必须要对架桥机的主导梁做出详尽的力学分析,以求证主导梁是否具备足够的安全储备而确保整台架桥机正常安全工作。因此,评价一台架桥机整体力学性能的好坏,关键就是衡量主导梁结构力学性能的大小。在对架桥机的主导梁进行应力分析时,除了要进行必要的静强度计算外,还需作相关的动力学分析。架桥机属大型工程机械,设备投资大,且运输、安装、维护工作量大。双主导梁作为架桥机中的核心构件,其成本( 材料购置成本和安装维护成本) 占到了整台架桥机的二分之一强,事实上,主导梁结构经济性能的大小直接决定了架桥机的经济性能的大小。因此,在满足施工进度、质量及安全要求的前提下,桥梁架设施工单位往往希望所购置或自制的主导梁结构型式是当前所使用的几款主导梁结构中,性价比最高的架桥机。本章将利用a n s y s 软件对三种类型的主导梁结构进行有限单元建模,从多角度对三种主导梁结构进行数值仿真分析比较,结合不同主导梁结构类型的架桥机在桥梁架设工程中的使用成本估算,定量地进行综合并分析,最终提供科学数据,作为施工单位在选择架桥机主导梁结构类型的依据。3 t 架桥机主导梁结构类型简介架桥机的三类双主导梁均是由多节段拼接而成,架桥机整体长度则是在许可承载范围内根据架设预制梁片长度选用合适的节段数。但是,从结构形式上来看,这三种架桥机的双主导梁差别较大。下面分别介绍架桥机三类主导梁类型的结构特点。3 1 1 贝雷桁架结构贝雷桁架拼装架桥机( 以下简称贝雷桁架架桥机) 的主导梁( 如图3 - 2 所示)由贝雷桁架片拼装而成,作业于两个桥跨上,其长度可根据架设梁片长短进行调节,此类架桥机可架设5 0 m 以下的预制梁片。其单边主导梁( 断面宽度为图3 2 贝雷桁架架桥机双主导梁图1 0 6 m ) 采用了3 排单层附带加强弦杆,每隔3 m 在贝雷桁架的端部设置一个竖向剪力支撑架,同时在贝雷桁架主导梁的底部每隔3 m 安装一水平剪力支撑架,以加强贝雷桁架主导梁在上下、左右两平面内的稳定性及横向刚度。两组主导梁下部还分别设置3 个可行走支架,用高强螺栓与支架横梁连为整体,因主导梁与支架连接部位应力较大。下弦杆需加强。在主导梁的上部纵向按0 8 m 间距横向设置一根8 号方形型钢钢枕,用u 型螺栓与各排贝雷桁架上弦杆联接,同时作为横向联接系,使单边贝雷桁架主导梁近似于箱型框架结构,既提高了主导梁的整体刚度,又保证了上弦杆横向屈曲稳定性的要求。运梁小车的走行钢轨铺设在方形型钢钢枕上方,走行钢轨采用4 3 k g 轨,通过横向方钢钢枕与贝雷桁架的连接可以使架设的预制梁片重量能分散分布在各排贝雷桁架片上,并进一步提高主导梁的整体性和横向刚度。其中,两侧的贝雷桁架主导梁中心问距可根据架设预制梁片的宽度采用合适的净宽。一般工程中,贝雷桁架片之间的销孔连接传统上采用圆柱钢销形式。近年来,研究人员在工程运用实践及理论分析计算中,发现这种圆柱钢销的连接由于受圆柱钢销和销孔之间间隙的影响,在载荷力作用下,销钉会在间隙之问移动,造成拼接结构发生一定的刚体位移n ”,致使贝雷桁架拼组结构的竖向、横向刚度降低,从而直接影响结构的整体刚度及使用的安全和稳定性能。因此,对于拼接长度较长且承受大载荷的架桥机主导梁而言,若采用圆柱销连接则会产生较大的扰曲变形,特别是当架桥机纵移跨越到下一桥墩,主导梁处于悬臂状态时会导致下垂扰度更大,直接影响到架桥机使用的安全性。考虑当前销接技术的最新方法并结合贝雷桁架结构特点,对拼装主导梁所有销接的部位均可采用充盈式锥形钢销连接。充盈式锥形钢销( 如图3 3 所示) ,设计为外柱、内锥形式,主要由四部分组成:套筒,材料为6 0 s i 2 m n 弹簧钢,设一通长开口,可在锥销作用下扩展,以实现外柱直径的变化,达到减小销栓与连接节点孔隙的目的;锥销,材料为3 5 c r m o 调质钢或4 0 c r 钢,它是钢销的主要受力部分,一方面通过与套筒的配合,实现“充盈式”连接的目的,另一方面传递连接节点的荷载;扣环;螺栓或螺母。通过上述零件的配合,钢销得以紧固。实验表明,采用这种充盈式锥形钢销连接方式,贝雷桁架主导梁消除了9 0 以上的销孔变位m ,有效地提高锥销套筒扣环螺母图3 - 3 充盈式锥形钢销结构示意图了贝雷桁架梁的竖向和横向刚度。同时,贝雷桁架间的连接位置与加强弦杆间的连接位置相互错位,又进一步消减拼装产生的连接销孔变位移。3 1 2 三角桁架结构三角桁架架桥机主导梁的整体结构为刚性桁架,通过长为l o m 的节段桁架,如图3 - 4 所示拼接而成,在整体双主导梁前后各设置横向连接横梁,两边主导梁组成一水平框架。桁架截面为空间三角形结构,即一根上弦杆、两根下弦杆,并采用腹杆和水平联横向相连,其横截面形式如图3 5 所示。上下弦杆是主导梁的主受力构件,可采用角钢、槽钢或钢管等制造。腹杆多采用三角形腹杆体系,腹杆一方面起连缀作用,将弦杆连成一体并使其整体工作,另一方面承受出现在臂架内一定大小的剪力。这里所使用节段桁架主导梁的上下弦杆均由两根槽钢背靠背6图3 - 4 三角桁架架桥机三角桁架节图3 5 三角桁架主导粱横截面通过加强筋焊接而成( 其中上弦杆所用槽钢3 2 0 8 8 1 0 ;下弦杆所用槽钢为2 2 0 * 7 7 * 7 ) 。在上弦杆的上面铺设吊梁小车的走行钢轨,在两根下弦杆之间用h 型钢( 1 0 # ) 焊接连成桁架形式。腹杆采用两根同一规格槽钢( 1 0 0 4 5 4 ) 组焊而成。上、下弦杆与腹杆的连接处通过板材采用组焊形成刚性连接,能够承受和传递弦杆与腹杆间的全部弯矩,以提高桁架的稳定性和刚度。双主导梁是由节段桁架拼接形成,各节段桁架之间的连接是通过充盈式锥形钢销来实现。3 1 3 箱型结构箱型主导梁架桥机的主导梁( 如图3 - 6 所示) 是由节长为l o m 箱型截面的板梁式桥架拼接而成。每节主导梁由上、下盖板和两块垂直腹板焊接而成,为了减轻主导梁的自重,在两块腹板上各开四个方孔,形成空腹箱型主导梁。在每节箱型主导梁的内部安装若干垂直加强筋。以保证上下盖板和垂直腹板在受载时具有足够的稳定性和刚度,减少扰曲变形节段箱梁之间的连接通过高强连接螺栓紧固,并在上下盖板连接处各设置一块连接板,以加强连接强度和刚度。箱型主导1 7梁的截面形式如图3 7 所示。图3 - 6 箱型主导梁架桥机的箱型主导梁图图3 7 箱型主导梁截面图上述架桥机的三种双主导梁类型虽然在结构形式存在较大差别,但是整体双主导梁均由节段拼接而成。三角桁架主导梁和箱型主导梁的节段梁长均为1 0 米,贝雷桁架主导梁则是由长为3 米的标准通用件一贝雷桁架片拼装。为定量分析比较贝雷桁架主导梁、三角桁架主导梁和箱型主导梁三者的力学性能,本文选取了三角桁架主导梁、箱型主导梁的一个节段和长为1 2 米的拼接贝雷桁架主导梁作为本文的研究对象,利用大型有限元软件a n s y s 的强大分析功能,选取几种工况来分析这三类主导梁结构的力学性能,以提供三者性价比分析的定量数据。3 2 主导梁结构的a n s y s 有限元分析3 2 1 主导梁结构的有限元建模在用有限单元法进行结构分析求解过程中,关键环节是合理建立结构的有限元模型。该过程包括几何建模、材料属性的定义、单元选择与网格划分以及确定边界条件和载荷。在a n s y s 中要区分两种模型:实体模型和有限元模型。实体模型包括点、线、面和体,有限元模型包括节点和单元。结构建模可以先建立实体模型,再利用a n s y s 提供的分网工具划分为有限元模型,也可以直接定义节点、单元建立有限元模型。对于较大型的结构分析通常是先建立实体模型,再转化为有限元模型。载荷可以在实体模型上加载,也可以在有限元模型上加载,但是,在求解前所有载荷都将转化到有限元模型上c 一- 。有限元分析的计算精度很大程度上取决于结构的有限元模型。因此,模型应尽可能如实反映结构的力学特性。有限元模型的建立一般应遵循下列准则m ,t1 、在保证计算目的和精度的前提下。控制单元数量,关键在于对所关心的区域进行模拟。在实际建模过程中可以考虑采用局部细化网格或者通过建立结构的子模型以减少单元划分数量。2 、合理选择单元类型,减少输入数据量和计算时间。根据所分析结构的几何形状特点、载荷形式、约束等因素确定单元类型。3 、结构的计算模型中不允许有危形结构或局部机动变形。所谓危形结构,就是指在受到很小的载荷作用时就会产生非真实的大应力响应的结构。如一个拉的非常平直的绳子受到横向力作用时就是典型的危形结构。所谓局部机动变形,是指受到很小的作用力,即可产生非常大的不真实变形的结构,如一组平行四边形状的四连杆结构- 这类非弹性结构在机构运动学中可能存在,但在弹性体中是不允许存在的。因此在计算模型中要小心分析,使之得到有效约束。4 、避免病态方程。位移法有限元计算中,如果遇到两个方程系数的差值过大( 一个非常柔的结构和一个很刚的结构相连接时就会产生这种情况) ,就会出现两个大数减法,这就大大减少了计算精度,甚至得出错误结果。这就是数值计算理论中的病态方程。5 ,正确确定边界条件。工程结构问题的数学模型都有自己相应的边界条件,在有限元建模时应保证模型边界条件与结构应用中边界条件尽可能一致。用a n s y s 分析求解工程结构问题时,如果模型建立的结构与实际结构完全一致,无论从问题的复杂程度,还是从节省计算资源方面来考虑,都是不可取的。因此,需要在满足一定准确性的前提下,对实际结构进

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