XX桥南北引桥TP54/65节段拼装架桥机主框架结构强度计算报告XX科技大学工程计算与仿真研究所XX科技大学土木工程与力学学院引言XX桥南北引桥TP54/65节段拼装架桥机是武汉通联路桥机械技术有限公司新近开发设计的大型造桥机械。
受武汉通联公司委托，XX科技大学工程计算与仿真研究所根据该公司提供的五种工况对XX桥南北引桥TP54/65节段拼装架桥机结构的静力强度进行了有限元计算，其结果报告如下：一、项目说明架桥机结构几何尺寸、材料、载荷情况均由武汉通联公司提供。
1.1 载荷条件计算中的载荷包括架桥机主梁自重,导梁自重,天车（无荷载）重量150 tq=,天车（有荷载）重量2170q=t，单块梁块按120t，满载梁块总重量31500 tq=和风载。
1.2 载荷工况根据通联公司的要求，计算时主要考虑如下5种工况：工况一：满跨加载状态，此时跨长54m，所有节段块（总共1500t）均悬挂在主梁及天车上，天车位于主梁正中间；工况二：导梁最大前悬臂状态时的受力情况及此时的防风计算，此时跨长65m。
风载包括45°斜向下7级风（根据规范7级风压为2/156mN）；工况三：T型（对称）悬拼状态，此时跨长65m。
该工况下前后天车荷载对称加载于中支腿两侧，重点考虑天车位于导梁上及主梁与导梁间接头部位附近时的危险情况；工况四：过孔工况，架桥机整机纵移过孔。
此时架桥机处于纵向行走状态，跨长65m。
该工况下前、后支腿收起，主框架无纵向约束，重点考虑架桥机行走至不同位置时主梁及导梁上的受力状态，和可能的危险情况；工况五：吊运墩顶块状态，此时天车吊运墩顶块在主梁及导梁上全跨行走，跨长65m。
重点考虑天车行走至不同位置时主梁和导梁中的受力状态，和可能的危险情况。
1.3 材料参数根据武汉通联公司提供的资料，XX桥南北引桥TP54/65节段拼装架桥机的整体结构中，主梁部分为Q235号钢；导梁上、下弦杆部分为Q345B号钢，其余部分为Q345号钢。
通过查材料手册得两种钢材的弹性模量、泊松比、质量密度、屈服应力、许用应力如表1所示。
表1 Q345B和Q235钢的机械性能注：计算中，Q235号钢之间的摩擦系数取0.3。
二、计算模型2.1 有限元模型本报告的所有计算是由大型有限元软件ANSYS®完成。
考虑到整个结构的对称性，以及各个工况中载荷的对称性，在工况二的横向风载计算中取整体结构进行计算，其余工况均取结构的1/2进行计算。
架桥机的有限元模型共采用三种单元类型：●主梁采用shell43单元（壳单元）离散，其中，绝大部分网格为形状规则的4节点四边形单元，局部使用了退化的4节点三角形过渡单元；●导轨采用solid45实体单元离散；●导梁采用beam189（梁单元）单元离散，并根据结构实际尺寸定义梁截面，同时建立参考点控制截面方向；经过网格划分，XX桥南北引桥TP54/65节段拼装架桥机1/2结构有限元模型共有101202个节点，91919个单元；而整体有限元模型共有202404个节点，183838个单元，如图2-1～图2-4所示。
图2-1 架桥机1/2模型： (a)俯视图；（b）正视图；（c）侧视图。
图2-2 架桥机整体有限元模型图2-3 主梁部分有限元模型图图2-4 导梁部分有限元模型图2.2 边界条件根据XX桥南北引桥TP54/65节段拼装架桥机的结构特点，在计算时，边界条件如下所述（见图2-5～图2-6）：(I)对称边界条件：在1/2结构模型中，对处于对称面上的所有节点施加对称位移约束边界条件（约束X方向位移及Y、Z方向转动）。
(II)耦合边界条件：该边界条件又分两种情况，一是定义局部刚性区域，将单节点与多节点进行耦合；二是单节点与单节点的直接耦合。
局部刚性区域施加于主梁与导梁间的接头部位，将导梁根部的一个节点与主梁上一定范围内的多个节点进行耦合，产生一定的刚性区域。
耦合范围的尺寸由设计图读出。
直接耦合施加于导梁与导梁横联之间，在相对应的节点上耦合X、Y、Z方向平动以及X、Z方向转动（即ROTX、ROTZ）五个自由度。
(III)接触边界条件：主梁底部两侧有1801800的导轨承载面，在这些承载面和其对应的支撑面间施加接触边界条件。
(IV)铰支边界条件：对主梁导轨下的支撑块体施加铰接边界条件（约束中间固定点的所有自由度）。
(V)导梁简支边界条件：当导梁下方有支腿作用时，简支约束（即约束X向和Y向位移）导梁下弦杆，约束宽度中支腿为1.8m，前、后支腿为0.5m；针对不同的工况，边界条件（III）～（V）的施加位置也有所不同（具体将在各个工况的分析中进行说明）。
图2-5 边界条件(I)～(II)示意图图2-6 边界条件(III)～(V)示意图三、计算结果3.1 工况一、满跨加载状态此工况主要考虑的荷载包括天车自重150 tq=，梁块重量（总共31500 tq=），主梁自重和导梁自重。
其中梁块的重量按实际施工中每个梁块的悬挂位置加载到对应的节点上。
工况中考虑的边界条件为2.2节所述的（I）～（V）项，边界条件及荷载的分布如图3-1所示。
图3-1 工况一边界条件及荷载分布图图3-2～图3-3给出了主梁及导梁在满跨加载状态下等效应力的分布云图。
该工况下主梁部分的最大Mises等效应力为229Mpa，位于中支腿上方附近的梁块吊挂处（如图3-2所示）；导梁部分的最大Mises等效应力为195Mpa，位于前支腿一侧导梁的上弦杆根部（如图3-3所示）。
图3-2 满跨加载状态下主梁等效应力分布图图3-3满跨加载状态下导梁等效应力分布图图3-4给出了架桥机在Y方向的位移分布云图，最大Y向位移为115.1mm，位于后方导梁尾部；次大Y向位移为-112.9mm，位于外伸吊挂处。
图3-4 满跨加载状态下Y向位移分布图3.2 工况二、导梁最大前悬臂状态其防风计算3.2.1 ︒45斜向下7级风作用下的最大前悬臂状态受︒45斜向下7级风作用时，需考虑的荷载为天车重量150 tq=，主梁自重，导梁自重和风载；考虑的边界条件为2.2节所述的（II）～（V）项。
建模过程中，风载被作为均布力加载到接触面上，对于导梁部分，将均布力转化为节点集中力加载到有限元模型上。
均布力与节点集中力的换算公式为：q S Fn μ⨯=⨯其中，F为节点集中力，q为均布力，S为面积，n为节点数，μ为面积换算系数（对于导梁，μ取0.4）。
风载的分布见图3-9～图3-10。
图3-9 ︒45斜向下7级风作用时主梁的风载图3-10 ︒45斜向下7级风作用时导梁的风载（侧视图）图3-11～图3-12给出了最大前悬臂状态下受︒45斜向下7级风时主梁和导梁的等效应力及位移的分布云图。
主梁部分的最大Mises等效应力为125Mpa，位于主梁与中支腿接触部分附近的腹板上；导梁部分的最大Mises等效应力为76.9Mpa，位于上弦杆根部附近。
图3-11 ︒45斜向下7级风作用时主梁部分的Mises应力分布图3-12 ︒45斜向下7级风作用时导梁部分的Mises应力分布图3-13为︒45斜向下7级风作用时架桥机的Y向位移分布云图，最大Y向位移为-630.3mm，位于悬臂部分导梁的前部。
图3-13 ︒45斜向下7级风作用时架桥机的Y向位移分布3.3 工况三、对称悬拼状态此工况主要考虑的荷载包括天车重量2170 tq ,主梁自重和导梁自重。
考虑的边界条件如2.2节所述的（II）～（V）项。
采取以下三种情形进行计算分析：(i)天车走行至距中支腿27.5m时，此时两个天车都在主梁上，距中支腿较远，对中支腿作用有较大的弯矩；(ii)天车走行至距中支腿32.5m时，是施工中天车行走的最远距离，此时前方天车刚好全部位于导梁上，后方天车仍在主梁上；(iii)天车走行至距中支腿37m时，此时两个天车都在导梁上，与前两种情况相比，危险性更高。
图3-20 工况三边界条件及荷载分布图对所考虑的(i)与(ii)的受力状态，主梁部分的最大等效应力都位于主梁与中支腿接触部分附近的腹板上，而导梁中的最大Mises等效应力都出现在后支腿附近的下弦杆上，如图3-21、3-22 所示。
同时整体的最大Y向位移出现于后方天车下方的导梁上，如图3-23 所示。
对考虑的受力状况(iii)，即天车走行至距中支腿37m，两天车都位于导梁上。
此时后天车车轮距主导梁接头处的最小距离为1m。
此时主梁部分的最大Mises 等效应力的作用点发生变化，位于主梁与导梁间接头部位附近的腹板上，最大值为191Mpa，如图3-24 所示。
而此时主梁与中支腿接触部分附近的腹板上的最大Mises等效应力为161Mpa。
导梁部分的最大Mises等效应力为196Mpa，仍位于后支腿附近的下弦杆上。
此时最大Y向位移为-73.9mm，仍然发生在后方天车下方的导梁上。
表二列出三种情况下，主梁与中支腿接触处的最大应力，导梁中的最大Mises等效应力和最大Y向位移。
表2 主梁与导梁中的应力和位移可知主梁中有两处危险点，一处是主梁与中支腿接触部分附近的腹板上，天车行走至的不同位置对此处受力情况的影响不大。
另一处危险点是主梁与导梁接头部位附近的腹板上，此危险点对后方天车的位置敏感。
当后方天车行至导梁上时，主梁与导梁接头处有较大应力集中。
图3-21 天车距中支腿32.5m时主梁的应力分布图3-22 天车距中支腿32.5m时导梁的应力分布图3-23 天车距中支腿32.5m时的Y向位移分布图3-24 天车距中支腿37m时主梁的应力分布3.4 工况四、过孔状态此工况主要考虑的荷载包括天车重量150 tq ,主梁自重和导梁自重。
考虑的边界条件如2.2节所述的（I）、（II）、（IV）项。
经过分析，有以下三种较危险情形需要进行计算校核：(i)行走0m时，即前、后支腿刚刚收起，即将开始行走时，此时后方导梁为最大悬臂状态；(ii)走行至前支腿位于主梁与导梁连接处附近的导梁下方，此时主梁中中支腿附近及主导梁连接处会有较大的应力集中；(iii)走行至前、中支腿均位于导梁下方时，此时主梁中中支腿附近及主导梁连接处会有较大的应力集中。
行走到最后，行走距离为52m，此时与工况二的前悬臂状态类似，而悬臂长度比工况二时要短，所以未列入危险状态。
图3-25 工况四边界条件及荷载分布图架桥机走行0m时，主梁及导梁的Mises等效应力分布如图3-26～图3-27所示。
主梁部分的最大Mises等效应力为125Mpa，位于中支腿上方的筋板处；导梁部分的最大Mises等效应力为182Mpa，位于前支腿上方的下弦杆处。
Y向位移的分布如图3-28所示，最大位移为-630.5mm，位于后方导梁尾部。
图3-26架桥机走行0m时主梁的应力分布图3-27架桥机走行0m时导梁的应力分布图3-28 架桥机走行0m时的Y向位移分布架桥机行走至30m时，前支腿已经位于主梁与导梁连接处附近的导梁下方，而行走至35m时，前后支腿均位于导梁下方，而且后支腿靠近主导梁连接处。