（机械设计及理论专业论文）基于ansys的造桥机静力与风振分析.pdf

摘要 摘要 造桥机是对混凝土p c 梁进行逐孔现场浇注的大型旌工机械设备，在国内起 步较晚，无专门的规范和标准，且所受荷载很大，对造桥机进行静力分析和风 振分析就十分必要，对保证工程安全和机械设备的应用具有重要的理论和实践 意义。 本论文利用大型有限元计算软件a n s y s 为分析计算工具，并根据造桥机的 结构和旌工原理，应用a p d l 语言，建立了造桥机三维有限元分析模型，详细 分析了造桥机在制梁和移行过程中多种工况的载荷，主要针对造桥机的主梁等 部件进行了强度、刚度的计算，给出了计算结果，并对其主要性能指标进行了 试验检测，完成了应力测试，获得了大量实测数据，其测试值、理论计算值及 有限元计算值吻合的较好，这表明测试、理论计算和有限元分析法是可靠的。 考虑到本文所研究的造桥机工作地处沿海地区，因此对造桥机进行风载荷 适应性研究具有一定意义。 采用a n s y s 对造桥机整体结构进行动力学模态分析研究，计算并获得结 构的前二十阶固有频率及相关振型。选取d a v e n p o r t 脉动风功率谱，利用 m a t l a b 模拟脉动风的风速谱，对部分结构进行随机脉动风压作用下的瞬态动 力学分析，最后再对造桥机机架结构对风荷载的适应性做出评价。 总之，造桥机结构的静力和风振分析，是将先进的设计、分析方法应用于 造桥机设计中，为设计经济、可靠、稳定和高性能的造桥机提供有力的工具和 实现方法。 关键词：造桥机，有限元，a n s y s 软件，试验，静力分析，风振分析 a b s t r a c t a b s t r a c t m o v a b l es u p p o r ts y s t e mi sa d v a n c e dc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t 、而t l lal o to f a d v a n t a g e si nb u i l d i n gap cb o xg i r d e r t h er e s e a r c ho nm o v a b l es u p p o r ts y s t e m i sa n e wf i e l d i nc h i n a , a n dh a sn oc o r r e l a t i v en o r ma n ds t a n d a r d sf o rr e f e r e n c e ，a n d b e c a u s et h ee q u i p m e n tb e a r sh i g hl o a d s ，i ti sn e c e s s a r yt om a k es t a t i ca n d w i n d - i n d u c e dv i b r a t i o na n a l y s i s t h i sa n a l y s i si ss i g n i f i c a n tt oe n s u r et h es a f e t yo f t h ee n g i n e e r i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ee q u i p m e m i nt h i sp a p e r , w i t ht h ef a m o u sf e ms o t = t 、= v a r ea n s y s b a s e do ns t r u c t u r ea n d c o n s t r u c t i o np r i n c i p l e ，t h es p a t i a lm o d e lo fm o v a b l es u p p o r ts y s t e mi sm o d e l e dw i t h a p d ll a n g u a g ea c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r sa n dw o r kc o n d i t i o n s a f t e rad e t a i l m e c h a n i c a la n a l y s i si nm u l t i p l ec o n d i t i o n so fm o v a b l es u p p o r ts y s t e mi sd o n e ，t h e c a l c u i a t i v er e s u l ti sp r o v i d e d t h es t r e s st e s tw o , sc o n d u c t e da n dal o to f t e s td a t aw a s c o l l e c t e db ys t r e s st e s t t h er e s u l to ft e s tv a l u e ，t h e o r e t i c a lv a l u ea n df e mv a l u e m a t c ht o g e t h e rv e r yg o o d ，w h i c hi n d i c a t e dt h e s em e t h o d sw e r er e l i a b l e m o v a b l es u p p o r ts y s t e ms t u d i e di nt h i sp a p e ri su s e di nc o a s t a la r e a s t h e r e f o r e ， t h ea d a p t a b l er e s e a r c hf o rt h ew i n dl o a do f t h ee n v i r o n m e n ti so fc e r t a i ns i g n i f i c a n c e f o rt h ew h o l ef l a m eo f m o v a b l es u p p o r ts y s t e m t h ed y n a m i c a lm o d e l i n ga n a l y s i si sm a d eb yt h es o f t w a r ea n s y sf o rw h o l e f r a m eo fm o v a b l es u p p o r ts y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ep r e c e d i n gt w e n t ys t e p s n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p eo f t h es t r u c t u r ea r eo b t a i n e d t h i sp a p e rs e l e c t st h e p u l s a t i n gw i n dp o w e rd e n s i t ys p e c t r u mo fd a v e n p o r ta n ds i m u l a t e st h ew i n ds p e e d t i m es e r i e sa n dt h ew i n dl o a dt i m eb ym a t l a b t h es t u d yc a r r yo u tt h et r a n s i e n t d y n a m i ca n a l y s i so ft h es o m ef r a m es t r u c t u r ew h i c hi s l o a d e db yt h er a n d o m p u l s a t i n gw i n dl o a d f i n a l l y , i nt e r m so ft h ew h o l ef r a m eo fm o v a b l es u p p o r ts y s t e m ， t h ee v a l u a t i o nf o ri t sa d a p t a b i l i t yo f w i n dl o a do f t h ee n v i r o n m e n ti sw o r k e do u t i naw o r d ，s t a t i ca n dw i n d - i n d u c e dv i b r a t i o na n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea p p l i e s a d v a n c e dd e s i g na n da n a l y s i si nd e s i g no fm o v a b l es u p p o r ts y s t e ma n do f f e r s e f f i c i e n tt o o la n dm e t h o di nd e s i g n i n gm o v a b l es u p p o r ts y s t e mt h a tm u c hm o r e a b s t r a c t e c o n o m i c ，c r e d i b l e ，s t a b l ea n dw i t hh i g hp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o v a b l es u p p o r ts y s t e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t e s t ，a n s y ss o f t w a r e ， s t a t i ca n a l y s i s ，w i n d - i n d u c e dv i b r a t i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 期：丝2 ：三：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：邋导师签名：j 姒日 期： 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 造桥机是对混凝土梁进行逐孔现场浇注的施工机械设备，它利用钢桁梁或 钢箱梁作为临时支撑梁，可一次完成一跨梁体混凝土的浇注，并可在桥位逐跨 现浇梁体混凝土后，能顺桥轴线纵向移动，也称为移动模架系统( m o v a b l es u p p o r t s y s t e m ，简称m s s ) ，具有性能稳定、安全可靠、标准化作业自动化程度高、防 护措施完善等特点。 目前，我国高速铁路建设正如火如荼进行，预应力混凝土梁的施工有架桥 机架设、顶推架设、悬臂灌筑、悬臂拼装、造桥机造梁等几种方法，各有其适 用范围，而采用造桥机架梁系墩顶原位造梁，跨度、墩高适用范围广，不影响 桥下交通，梁施工时的状态与运营工况一致，且省工省料，建造速度快，梁既 可工厂化分节预制，也可在模架上整孔现浇。施工中梁的几何变形易于调整， 梁体质量好且作业安全，因而在铁路和公路桥梁的施工中得到迅速发展和广泛 应用【1 埘。 因此，系统地研究造桥机结构的刚度与强度对确保施工安全、造桥机的有 效利用，以及对相关规范和技术标准的制订，都有着重要的理论与实践意义。 并且，考虑到本文所研究的造桥机工作地处沿海地区，对其进行风载、风振响 应研究也是必要的。 1 2 国内外造桥机的发展简介 1 2 1 国外造桥机的发展 在国外，逐孔向前现场浇注混凝土移动模架造桥技术于2 0 世纪5 0 年代起 源于西欧，1 9 5 9 年在阿尔卑斯修建桥梁时首先应用，周期最快可达两周一孔； 1 9 6 3 西德斯特巴格公司采用穿导梁( 两次走行型) 现浇3 1m 跨简支桥梁。1 9 6 9 年德国p z 公司首先使用桥面下支承双梁一次走行的现浇方案，用于德国 a m s i n c k 立交桥，于1 9 7 3 年定型，其最大适用跨度为5 5m 。该项施工技术，日 - 1 - 第一章绪论 本于1 9 6 8 年引进，美国在1 9 7 7 年试用。如美国亚特兰大的马尔他高架桥，其 跨度为2 3 4 4 4mp c 单箱单室连续梁。此后各国发展很快。工艺较为成熟，尤 其是在中等跨度的桥梁领域，其中比较著名的如意大利的n i c o l a 公司，挪威的 n r s 公司等。从国外造桥机的整体发展趋势来看，国外造桥机工艺成熟，技术 力量雄厚，已经向市场产业化发展，在充分发挥其在中等跨度桥梁架设方面优 势的同时，在大跨度桥梁的建设中，又开辟了新的应用领域【2 l 。 1 2 2 国内造桥机的发展 在国内，最早于1 9 9 0 年由交通部门引进了德国p z 公司设计的l v b 型移动 模架系统，施工了厦门高集海峡大桥。 我国自行研制的第一部造桥机是1 9 9 2 年由铁道建筑研究设计院主持研制的 z q j 3 2 5 6 型移动支架造桥机，该造桥机由八七型铁路应急抢修钢梁和部分新制 部件拼组而成，以节段拼装法为基本施工方法，能拼装3 2 5 6m 跨度的箱形p c 梁，也可以用于梁孔的现浇或架设3 2m 以下跨度的t 型p c 梁。1 9 9 3 年，该造 桥机首次在灵武支线铁路杨家滩黄河特大桥成功地建造了1 0 孔4 8m 和1 5 孔3 2 m 箱形简支梁，开创了我国铁路桥梁史上用造桥机建造中等跨度p c 梁的先例。 近几年来，由挪威n r s 公司设计，并提供机电液部件，由上海等厂生产结 构及模板而出产的造桥机，施工了南京公路二桥引桥部，该桥为双箱单边施工 的5 0m 跨连续梁桥，平均每跨重约6 0 0t ( 单箱) 。在京珠高速公路工程中，亦 有两处使用自带模板的造桥机施工，其最大跨度为3 0m ，双箱单片施工，最大 混凝土梁重小于3 6 0t ( 单箱) ，属小型支架类设备。1 9 9 7 年桥机厂根据挪威公 司的设计，曾为台湾省长虹公司生产了两台该类移动模架，施工了台湾省东西 向快速公路e 4 0 4 标段，其桥为4 2m 连续梁。每跨段梁重4 2 0t 。台湾省在2 0 世纪9 0 年代，以各种方式投入工程使用的该类设备达十余台【3 】。 近1 0 年来，我国用造桥机建造了为数众多的铁路和公路p c 梁桥，造桥机技 术在我国得到了充分的发展。到现在为止，造桥机技术既能架设简支梁，也可 以用于连续梁的架设( 如中铁大桥工程局用大跨度悬拼式造桥机在石长铁路湘 江大桥完成了7 跨9 6m 连续箱梁施工) ，既能架设直线梁，也可以架设曲线梁 ( 如d z 4 2 1 0 0 0 型移动模架式造桥机在厦门海沧大桥东引桥现浇施工了l o 孔连 续曲线梁) 。总之，造桥机技术在我国的发展，充分展示了其在桥梁架设领域的 优越性【1 ，4 】。 第一章绪论 1 3 造桥机的分类及适用梁型 造桥机可按是否带模板进行分类，并进而分为下承式和上承式两种：模架 主梁在现浇钢筋混凝土梁体下面称为下承式移动模架；模架主梁在现浇钢筋混 凝土梁体上面称为上承式移动模架，移动模架类型选用应根据梁体结构设计及 桥下净空要求而定。 1 3 1 带模板的移动模架 适用于现浇制简支梁、连续梁。 ( 1 ) 下承式。 移动模板支架系统m s s 造桥机， 部立模板的结构特点。 d z 系列造桥机，如图1 2 所示， 两侧，上部立模板的结构特点。 如图1 1 所示，具有双下导梁承重，上 具有三根下导梁分置两幅桥梁的中间和 图卜1下承式移动模板支架系统m s s 造桥机图1 - 2 下承式d z 系列造桥机 ( 2 ) 上承式。 移动模板支架系统m s s 造桥机， 下方悬吊模板的结构特点。 d z 系列造桥机，如图1 - 4 所示， 结构特点。 如图1 3 所示，具有单导梁上置，主梁 具有单导梁上置，主梁下方悬吊模板的 第一章绪论 圈1 - 3 上承式移动模板支架系统p i s s图1 4 上承式d z 系列造桥机 造桥机 1 3 2 不带模板的移动模架 适用于湿接拼装制简支梁或胶接拼装制简支梁、连续梁。 ( 1 ) 下承式。 例如z q j 系列造桥机，如图1 - 5 所示，具有外包制梁、上扁担梁承重的结 构特点。 ( 2 ) 节段拼装上导梁式。 例如d p 系列造桥机，如图1 - 6 所示，具有外包制梁、上扁担梁承重的结构 特点，具有单导梁上置，主梁下方悬吊梁段的特点。 田1 - 5 下承式z o d 系列造桥机田1 - 6 上承式节段拼装上导粱式造桥机 1 4 研究目的和意义 在传统的结构设计计算中，大多是依据经验和简化计算做出初步的设计， 再由此设计做出样机。为安全起见，样机试制后，要对其进行各种模拟工况下 第一章绪论 的测试分析，然后根据分析结果进行设计修改。这种完全用试验来指导设计改 进的方法有如下局限性： ( 1 ) 试验必须在有实物的情况下进行，厂家必须进行所有改进结构的试制； ( 2 ) 试验的周期长，费时费力； ( 3 ) 结构改进的目标不明确。 随着计算机技术的日新月异，利用计算机进行结构分析己成为科研人员的 基本素质。运用计算机进行结构分析，可以获得大量的结构反应信息，诸如结 构位移、应力分布等。有限元法等现代数值分析方法伴随着电子计算机的发展 在工程分析中得到了越来越广泛的应用，其中发展最快、应用最广的还是结构 计算和力学分析方面。将有限元分析方法与理论计算相结合，可以用较小的代 价获得有关应力、挠度等大量信息，这对研究结构性能，改进工程设计都有重 要意义。 但是，以上两种措施，都有其不利之处，需要互相补充。 本课题的研究目标是在已有的造桥机设计基础上，应用计算机建模进行有 限元分析，进一步完善设计方案，采用理论分析和工程试验相结合的方法使造 桥机设计趋于更加合理，促进造桥机设计的规范化、标准化。 例如，主梁是造桥机的主要受力部件，其结构强度、刚度必须有充分保证。 在以往此类结构的设计过程中，主要是采用依据个人经验，再加上简单的力学 分析的传统设计方法。由于造桥机所面临的工作环境和受力情况较为复杂，用 常规的方法只能以简化方式对主梁结构从总体上作粗略的分析，很难精确了解 主梁具体部位的受力状态。在这种情况下，只能在设计中使用较大的安全系数 来保证主梁的安全可靠，这样就会增加制造成本，甚至会造成材料的浪费。若 使用有限元分析法，可对主梁在工作过程中出现的各种情况进行理论分析和数 值模拟，从而可较准确、直观地得到主梁各部分的应力、应变等参数的分布情 况【5 】。 最终通过试验，采集相关数据，对计算机模型进一步完善和确认。这样， 改进的有限元分析结果可以为校核造桥机结构承载的安全性及合理用材提供有 价值的参考，并可为其改进设计和结构优化提供理论依据。 第一章绪论 1 5 主要研究内容 本课题研究的是上行式双导梁移动模架式造桥机，是铁道第五勘查设计院 与石家庄铁道学院针对温州至福州高速客运专线而联合设计的产品。 本论文利用有限元分析软件a n s y s 建立三维实体模型，分析造桥机的整体 应力与挠度等情况，并初步分析了风载和风振响应的问题，主要包括以下五个 方面的内容： ( 1 ) 造桥机a n s y s 三维实体模型的建立； ( 2 ) 造桥机主要施工工况构件的静应力分析； ( 3 ) 造桥机静载试验方案的确定与试验结果的分析； ( 4 ) 造桥机风载和风振响应的初步研究； ( 5 ) 对本文进行总结，提出需要进一步研究的问题。 第二章造桥机的基本结构与作业流程 第二章造桥机的基本结构与作业流程 2 1 造桥机的基本结构 本论文所研究的造桥机是用于建造铁路客运专线简支箱梁的大型施工专用 设备。整机全长7 2 6m ，重5 4 0t ，其结构主要由主梁、下导梁、悬臂梁、外挂 架、支腿( 包括前、后支腿、辅助支腿) 、跨内小车、悬臂梁小车、底侧模、 内模以及液压电器系统等部分组成。 该造桥机主要特点是刚度大、适应能力强、功能完备、机械化程度高等优 点。同时，该机具有自行过孔能力，并可兼顾3 2 m 和2 4m 普通高度混凝土箱型 梁的施工。 造桥机主要技术参数见表2 1 。 裹2 - 1造桥机主要技术参数 造桥机整体结构图见图2 - 1 所示。 2 1 1 主梁、下导梁和悬臂梁 ( 1 ) 主梁由八段钢箱梁组成，为对称两根，各段以精制高强度螺栓联接，两 端通过前后横联将两根主梁连成一体。 主梁内设有纵肋角钢和横隔板，并且与挂架相连的部位箱梁内部隔板处设 有双槽钢加强，以保证主梁腹板、翼板的局部稳定性，两箱型梁内侧设有耳梁， 上面铺设两根轨道，作为跨内小车轨道，供吊移下导梁、内模使用。如图2 - 2 所 不o 7 第二章造桥机的基本结构与作业流程 豳 旧 暮 窭 蜷 蜊 霄 。尔r 匿豆 一选基 螂 露 世 一8 匝 喧 德 删 趟 辎 d o 圃 暄 辐 咖 趔 辎 欺 爸 圈 垣 蛙 划 罨 ! l 搴 蜊 丫 刊 匝 第二章造桥机的基本结构与作业流程 主梁尾部设有后尾梁，并铺设有延续轨道，为跨内小车停车、起吊内模等 部件的位置。 么 圈2 - 2 造桥机主粱挂架处截面 ( 2 ) 下导梁由四段箱型梁以及前、后支腿组成，是辅助整机过孔的结构，其 整体侧面图如图2 3 所示。 下导梁每段之间均以精制高强度螺栓及连接板连接。导梁前支腿与箱梁以 穿销连接，后支腿与箱梁以螺栓联接。 其前后支腿底部为梯形螺纹套筒形式，支承在球面底座上，可通过旋动梯 形螺杆，调节支腿高度。 箱梁上翼缘设有方钢轨道，作为辅助支腿运行时的轨道。 图2 - 3 造桥机下导粱侧面图 ( 3 ) 悬臂梁是造桥机整机过孔时吊运下导梁使用的构件，其上有一部悬臂梁 小车。悬臂梁是由h 型钢与槽钢焊接而成的桁架结构。 悬臂梁分两节，以精制高强度螺栓联接，其根部通过高强度螺栓与主梁连 接。顶面设有方钢轨道，供悬臂梁小车行走使用。整体侧面图如图2 - 4 所示。 9 - 第二章造桥机的基本结构与作业流程 图2 - 4 造桥机悬臂粱侧面图 2 1 2 前、后支腿和辅助支腿 前、后支腿是造桥机主梁的直接支承结构，其主要作用是：一是支承造桥 机工作载荷，并将载荷传递到桥墩或混凝土箱梁；二是通过支腿转换来完成整 机过孔移位；三是调节主梁高度。以下对其简要介绍。 ( 1 ) 前支腿。 前支腿支承在前墩墩顶，是造桥机工作状态的前支点，如图2 - 5 所示。 前支腿整体结构为门式结构，由上横梁、上下立柱、上下铰支座以及横撑 杆组成。上铰座与主梁用螺栓相连，下铰座与支腿相连，支承在墩顶。通过调 节下铰座的梯形螺纹装置，辅助以顶升千斤顶，来调节前支腿的支承高度。 图2 - 5 造桥机前支腿图 ( 2 ) 后支腿。 后支腿支撑在已经浇筑好的混凝土箱梁上，是造桥机的后支点，如图2 - 6 所 示。主结构为两个箱型立柱，与主梁以螺栓连接。立柱底部设有滑座，在整机 过孔时，通过油缸顶推作用，在滑道上滑移，完成整机过孔移位动作。并可通 过横移千斤顶来调整后支腿的横向位置，采用顶升千斤顶和调节下铰座的梯形 1 0 第二章造桥机的基本结构与作业流程 螺纹装置来调节后支腿的支承高度。 图2 - 6 造桥机后支腿图 ( 3 ) 辅助支腿。 辅助支腿是造桥机整机过孔时的辅助行走机构，如图2 7 所示。 它是通过辅助支腿墩联接在主梁上，其底部行走轮置于下导梁顶面轨道上， 反抓轮则以下导梁上翼板下面两侧的耳梁为行走轨道。 2 1 3 纵移机构 图2 - 7 造桥机辅助支腿图 纵移是指造桥机的纵移过孔。主要机构有：纵移油缸、滑座、滑道及连接 板等。造桥机的纵移机构示意图如图2 8 所示。 第二章造桥机的基本结构与作业流程 耻 产刊 同制匡荔裂 2 1 4 外挂架 圈2 - 8 造桥机纵移机构图 外挂架位于主梁的两侧，对称布置，以穿销连接在主梁上，用于支承、固 定外、底模板，并将其载荷传递给主梁，横向挂架截面图如图2 - 9 所示。通过横 向挂架开合的动作，不仅可实现底侧模的脱模，而且能够保证主机过跨。 2 1 5 底侧模和内模 图2 - 9 造桥机横向挂架截面圈 ( 1 ) 底侧模。 底侧模由底模和侧模组成，如图2 1 0 所示。 底模是箱型混凝土梁的支撑成型体系，由钢板和型钢组焊而成。相邻模板 间，以及模板与模架上弦杆间均用普通螺栓联接。 1 2 第二章造桥机的基本结构与作业流程 蕊。一一一：职 田2 - 1 0 造桥机底侧模图 ( 2 ) 内模。 内模是箱型混凝土梁的内腔成型体系，由梁内支架、模板、液压电气系统 等组成，如图2 1 1 所示，左侧为打开位，右侧为收缩位。 2 2 造桥机的作业流程 图2 - 1 1 造桥机内模圈 2 2 1混凝土箱梁制作的工艺流程 采用造桥机来制作箱梁，其工艺流程主要利删： ( 1 ) 造桥机就位； ( 2 ) 调整底侧模； ( 3 ) 钢筋于加工场集中加工、专用运输车运输到桥位、吊车吊装后人工绑扎、 预应力孔道采用预埋金属波纹管成孔； ( 4 ) 安装内模； ( 5 ) 砼在拌合站集中拌制、砼输送车运输、混凝土输送泵泵送配合布料杆及 砼泵车入仓； ( 6 ) 混凝土达到设计强度后张拉预应力筋； 13 第二章造桥机的基本结构与作业流程 ( 7 ) 孔道压浆、封端；造桥机纵向前移至下一孔位 施工工艺流程图见图2 1 2 。 图2 - 1 2 施工工艺流程图 2 2 2 造桥机的作业流程 通过以上分析可知，造桥机的施工作业工况较为复杂，下面仅对该论文涉 及到的几个阶段简要介绍。 ( 1 ) 准备吊移下导梁工况。 造桥机准备吊移下导梁，如图2 1 3 所示。主机拼装完毕后，将主机前移到 一1 4 第二章造桥机的基本结构与作业流程 首跨的位置，此时主梁前支腿支撑于桥墩垫石上，跨内前小车吊起下导梁，准 备前移下导梁，并且悬臂梁小车回到悬臂梁根部，准备辅助下导梁前移。 图2 - 1 3 准备吊移下导粱工况 ( 2 ) 进入制梁前工况。 进入制梁前工况如图2 1 4 所示。下导梁前移到下一跨的位置、用垫块将下 导梁前后支腿支撑于桥墩上。合拢外挂架；编底腹板钢筋笼、吊入内模、编顶 板钢筋笼，放下吊杆，调整标高；装端模。 图2 - 1 4 进入制粱前工况 ( 3 ) 进入制梁工况。 制梁工况如图2 1 5 所示。该阶段主要完成浇注混凝土，捣固、养护，拆端 模、脱侧模。并且初张拉，脱底模。 图2 1 5 进入制梁工况 - 1 5 - 第二章造桥机的基本结构与作业流程 ( 4 ) 过跨到下一位工况。 如图2 1 6 所示。起动液压系统，在油缸配合下解开外挂架中部联接，张开 外挂架。去掉主梁前支腿垫块，辅助支腿落在下导梁上；去掉主梁后支腿垫块， 准备主机前移。当制梁完成后，主机前移到下一跨的位置。 图2 - 1 6 过跨到下一位工况 重复以上工序，可以完成制梁全程。 2 3 本章小结 本章概述了作为铁路客运专线简支箱梁的专用设备造桥机的主要结 构，重点对主梁、下导梁、悬臂梁、外挂架、支腿( 包括前、后支腿、辅助支 腿) 、底侧模、内模等部分的结构外型做了简单介绍。 并且，在介绍了混凝土箱梁制作的工艺流程之后，采用图示的方式描述了 造桥机主要的四个施工作业工况：准备吊移下导梁工况、进入制梁前工况、进 入制梁工况、过跨到下一位工况。造桥机的有限元建模、静力分析以及安装试 验都是以此为研究对象的，本章关于造桥机的基本结构与作业流程的介绍，为 下面章节的展开做好了铺垫。 1 6 第三章造桥机有限元建模 第三章造桥机有限元建模 3 1造桥机设计的传统计算方法 对于像造桥机这样承受空间力系的复杂结构，在有限元方法得到应用之前， 一般采用传统计算方法进行简化计算。这些复杂结构根据不同类别有着各不相 同的金属结构，它们都分别由许多构件组成，而其构件则由杆件、板件或壳体 组成。 传统计算上，首先按受力情况将这些构件划分为： ( 1 ) 轴心受拉构件和轴心受压构件； ( 2 ) 受弯构件； ( 3 ) 拉弯构件和压弯构件； ( 4 ) 受扭构件； ( 5 ) 弯扭构件； ( 6 ) 其它复合受力构件。 结构设计计算一般采用许用应力法，当结构在外载荷作用下产生很大变形， 内力与载荷呈非线性关系时，采用极限状态法。计算内容主要是验证在载荷最 不利组合下，金属结构及其构件的强度( 含疲劳强度) 、刚性和稳定性，是否满 足相关规范的要求1 们。 对于造桥机，首先需要初步估计各部分质量，包括主梁部分、前后支腿、 外挂架、模板、辅助支腿、悬臂梁及悬臂梁等部分，计算中以总体结构为对象， 分析造桥机各种工况，施加不同荷载，计算出主梁、前后支腿、辅助支腿、外 挂架、模板、悬臂梁、下导梁的受力情况，进而设计各部结构并计算出各部的 应力和变形等情况。 可以看出，该方法在结构外形、边界约束和受力状态等方面进行了较多的 简化，其解有一定的参考价值，其计算精度显然受到一定限制。尤其是过去对 造桥机结构的计算分析，涉及到局部应力计算问题较少( 例如，主梁与支腿连 接处) ，而事实上，局部受力状况有可能最为恶劣，因此这里也是设计人员最为 关心的部位。 - 1 7 第三章造桥机有限元建模 3 2 有限元法在造桥机结构分析中的应用 3 2 1 有限元法简介 众所周知，弹性力学的经典解析法中，通常都是从研究连续体中微元体的 性质着手，在分析中容许微元体的数目无限多而它的大小趋近于零，从而得到 描述弹性体性质的偏微分方程，求解微分方程可以得到一个解析解。这种解是 一个数学表达式，它给出物体内每一点上所要求的未知量值。然而，对于大多 数工程实际问题，由于几何形状的不规则、材料非线性或不均匀等原因，要得 到问题的解析解，往往是十分困难的。 有限元法的基本思想，是将弹性连续体划分成有限个单元体，它们在有限 个节点上相互连接，在一定的精度要求下，对每个单元用有限个参数来描述它 的力学特征，而整个连续体的力学特征可以认为是这些小单元力学特性的总和， 从而建立起连续体的平衡方程。有限元法是一种有效的数值计算方法，是近代 工程数值计算分析方法领域的重大突破【1 卜1 2 】。 在有限单元法中，为了简洁清晰地表示各个基本量以及它们之间的关系， 也为了便于应用计算机进行实际计算，广泛采用矩阵表示和矩阵运算。在平面 问题中，不论是平面应力问题还是平面应变问题，物体所受的体力只有x 和y 两个分量，它们可以用列阵表示为 = 2 、，i - 阻】，r ( 3 1 ) l j 同样，物体所受的面力也只有x 和】，两个分量，可用列阵表示为 每 ：【- f r ( 3 - 2 ) fj 三个应力分量可用列阵表示为 p = b 。1 7 ，l x y r ( 3 - 3 ) 三个形变分量可用列阵表示为 扛 = 瞄；占，j r ( 3 - 4 ) 两个位移分量可用列阵表示为 - 1 8 - 第三章造桥机有限元建模 杪 = - v r 因此，几何方程可表示为 扛 = 罢考鲁+ 考 平面应力问题的物理方程可用矩阵表示为 简写为 式中， 例= 1 - 2 h e 纠2 可 1 对 1 o0 p = 【d 怡 1 对 z 1称 oo 上兰 2 为刚度矩阵。 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 _ 8 ) 有限单元法的解题分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤。 ( 1 ) 结构的离散化。 结构的离散化是有限单元法的基础。所谓离散化的过程简单地说，就是将 分析的结构物划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置结点，把相邻的 单元体在结点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。如果分析的 对象是桁架，可以取每根杆件作为一个单元，因为桁架本来就是由杆件相互连 接组成的。但如果分析的对象是连续体，那么为了有效地逼近实际的连续体， 就有选择单元的形状和确定单元的数目和划分方案等问题要考虑。 ( 2 ) 选择位移模式。 在结构的离散化完成之后，就可以对典型单元进行特性分析。为了能用结 点位移表示单元体的位移、形变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中 位移的分布做出一定的假定，假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称 为位移模式或位移函数。位移函数的适当选择是有限单元法分析中的关键。在 有限单元法应用中，普遍地选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的 数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由所有光滑函数的局部看来都可以用 - 1 9 - q b 1ijj且 称坐： 第三章造桥机有限元建模 多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式项数和阶次的选择则要考 虑到单元的自由度和有关的解的收敛性要求。 ( 3 ) 分析单元的力学特性。 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。 利用几何方程，由位移表达式 驴 = 【 7 ( 3 - 9 ) 导出用结点位移表示单元应变的关系式 忙) = 【8 t ( 3 - 1 0 ) 式中， 厂 单元内任意一点的位移列阵； l l 称为形函数矩阵； 协1 7 为单元的结点位移列阵； 话 是单元内任意一点的应变列阵。 利用物理方程 扫) = 【d 】【8 】p 7 ( 3 1 1 ) 式中，矗 单元内任意一点的应力列阵； d 与单元材料有关的弹性矩阵。 利用虚功原理建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式，即 单元的刚度方程 忸 1 = 陆) 7 ( 3 - 1 2 ) 式中，i 七l 单元刚度矩阵。 ( 4 ) 计算等效结点力。 弹性体经过离散化后，假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元， 但是作为实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因而， 这种作用在单元边界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要 等效移置到结点上去，也就是用等效的结点力来替代所有作用在单元上的力。 移置的方法是按照作用在单元上的力与等效结点力，在任何虚位移上的虚功都 相等的原则。 ( 5 ) 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程。 k = 忸 ( 3 - 1 3 ) ( 6 ) 求解未知结点位移和计算单元应力。 p = 【d 】吲p t ( 3 - 1 4 ) - 2 0 - 第三章造桥机有限元建模 目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域 都发挥着重要作用。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元 分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 和a l g o r 等。 本论文拟采用a n s y s 软件进行造桥机的结构分析。 3 2 2a n s y s 软件简介 a n s y s 是美国匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年开发出 来的集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元 分析软件，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r 、 n a s t r a n 、a l o g o r 、i - d e a s 、a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。它涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电 子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。3 0 多年来，a n s y s 不断地发展、 改进提高，功能不断地增强，引领着有限元技术发展的潮流。目前，a n s y s 已经发展到了1 0 0 版本。 a n s y s 功能强大，本文中主要应用了结构分析功能。 结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动行为，研究结构的强度、刚 度和稳定性。a n s y s 中结构分析可分为以下几类 1 4 - i s ： ( 1 ) 静力分析：用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特 性。 ( 2 ) 模态分析：计算线性结构的自振频率及振型。 ( 3 ) 谱分析：是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和 应变( 也称响应谱或p s d ) 。 ( 4 ) 谱响应分析：确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。 ( 5 ) 瞬态动力学分析：确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑 与静力分析相同的结构非线性特性。 ( 6 ) 特征屈曲分析：用于计算线性屈曲荷载，并确定屈曲模态形状( 结合瞬 态动力学分析可以实现非线性屈曲分析) 。 ( 7 ) 专项分析：断裂分析，复合材料分析，疲劳分析。 ( 8 ) 显式动力分析：它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目 前求解这类问题最有效的方法。 2 1 第三章造桥机有限元建模 3 2 3 结构分析中应用a n s y s 软件的必要性 造桥机实际结构为空间结构，按照传统计算手段无法考虑结构的空间效应， 对于造桥机这种受力复杂的结构更是无能为力，因此利用大型有限元程序进行 数值分析具有重要的意义。 根据造桥机的结构形状，综合考虑a n s y s 的功能、工作量等因素，选取 一个较合理的建模方案，对造桥机进行结构分析。 通过计算机建立计算模型一有限元分析一应力应变显示一判断决策 一修改结构形状一有限元分析一应力应变显示重复进行，直到满 足设计要求为止，上述集成有限元分析系统反映了当今世界上有限元方法在 机械结构领域的应用水平和发展趋势，也是完成造桥机设计及优化的重要手 段【l 们。 3 3 建立造桥机a n s y s 模型 3 3 1 确定建模方案 一个复杂结构，特别是对于一个受力复杂结构，可以有多种建模方案，要 合理选择方案，既要满足计算精度要求，又要节省机时，降低工作量，并计算 结果直观化，一目了然，也是应用有限元法的主要研究课题之一。经研究，主 要有两种方案可选择； 方案一：以造桥机总体结构为对象，将主梁、前后支腿、外挂架、悬臂梁 等部分都用梁、杆单元建模，建立空间梁、杆结构模型，对造桥整体受力行为 进行分析研究。此方案建模工作量小，计算速度高，但是不能较好地反映局部 ( 例如主梁内部隔板) 受力的问题。 方案二：以造桥机总体结构为对象，将主梁、前后横联、前支腿、后支腿 等部件用壳单元建模，而外挂架、跨内横联、悬臂梁等部分都用梁、杆建立杆 系结构模型，这样建立杆壳结合的结构模型。此方案建模工作量大，计算机要 求较高配置，但是结果直观明确，能较好地反映局部受力变形等问题。 综合上述分析，经过多次建模、试算，特别考虑到主梁内部设有多排联接 杆件，若采用方案一则无从建立，故本论文选择方案二，来建立造桥机的有限 元模型，对其进行结构分析。 2 2 第三章造桥机有限元建模 本论文着重研究造桥机在四个工况下的各部受力及变形，故在建模时，主 要按照这四种工况来确定约束条件和施加各种荷载。 3 3 2 建立几何模型 对于造桥机这个复杂结构，在不影响计算精度的前提下，做一些适当的简 化是必要的。一则可以减少许多繁琐的工作，大大减少工作量，- n 可以缩短 设计周期，为进一步改善设计创造条件。结构简化时并不是简单地去掉一些部 位，而是按照等刚度原则进行等效处理，即要求结构简化前后，在相同的受力 状态及边界条件下，各节点产生相同的位移，也就是说消耗的变形能相同。 鉴于此，在建立造桥机各部结构的几何模型时，保证模型与实际结构尽可 能相一致，以使模型能够反映造桥机的力学特性的原则下，对实际结构作必要 的简化： ( 1 ) 因为主梁的后尾梁部分较小，且处于支腿外侧，建模时略去； ( 2 ) 假定主梁中所有焊缝为连续全透焊，且不考虑焊缝处材料特性的变化， 认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料性能相同； ( 3 ) 主梁与横梁通过螺栓联接，螺栓被施以较大的预紧力，横梁与主梁的连 接钢板紧密贴合，能进行力的传递，将横梁与主梁假设成一体； ( 4 ) 忽略主梁结构上的螺栓孔、前后横梁与主梁的联结等对分析结果影响不 大的微小结构。 3 3 3 确定约束条件 约束条件的确定是建立有限元模型中的重点，不恰当的约束方式，会导致 计算结果与实际有较大出入，甚至计算失败。主要有主梁与前后支腿的连接方 式、外挂架的刚性移动等问题。 ( 1 ) 主梁结构有限元模型中的主要约束问题的关键是要保证主梁承受的支 承反力与实际相同，并且尽可能避免出现局部应力集中现象。 其一，主梁与前、后支腿接触处的支承处理：实际结构中，主梁与后支腿 采用法兰板多排螺栓连接方式，在建模时将二者刚性连接；主梁与前支腿由两 个支座通过销轴连接，建模时将这里处理为铰接。 其二，前、后支腿与桥台的支承处理：造桥机结构设计此处为球铰机构， 2 3 第三章造桥机有限元建模 故在建模时确定为铰接。 ( 2 ) 对结构进行有限元分析，为了使数值存在且唯一，必须消除结构中的刚 体位移，以保证结构总体刚度矩阵非奇异。外挂架与主梁连接处为销轴，致使 外挂架出现横向位移，故在建模时将相应的自由度约束。 3 3 4 荷载的处理 有限元法中认为，力是通过节点来传递，在整体刚度方程中的载荷项均为 节点载荷。因此，当单元受有均布载荷或其它非节点载荷时，必须将其向节点 移置，即将非节点载荷换算成为作用在节点上的效果相当的集中载荷( 称等效 节点载荷) 【1 7 l 。 对于造桥机所受外载荷的处理，是将作用在造桥机上的载荷简化为等效载 荷加到相应部位上。在有限元模型中，载荷按如下方式处理： ( 1 ) 造桥机的自重：在前处理程序中输入材料的密度，在求解程序中输入重 力加速度，程序便根据所输入的单元截面形状、实常数等信息，自动将其处理 为分布载荷加载到结构上。 ( 2 ) 混凝土梁以及内模等重量：将其简化为集中载荷和均布荷载，通过计算 后直接施加在外挂架的相应部位上。 ( 3 ) 造桥机所受的风载：考虑风载所引起的附加横向力的影响，将计算后得 到的作用在主梁、挂架、外模( 混凝土梁片) 以及悬臂梁等部件上的风载，加 载到其相应的位置，