1、大跨度纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用與仿真分析第二工程公司 王守國內(nèi)容提要：采用兩種方式，利用有限元軟件對纜索吊機(jī)主體承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，通過計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，說明整體系統(tǒng)的有限元分析方式在鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)中具有廣泛的實(shí)際用途，同時(shí)結(jié)合韓江北橋纜索吊機(jī)作了實(shí)例分析。關(guān) 鍵 詞：纜索吊機(jī) 承重系統(tǒng) 整體系統(tǒng)有限元分析 施工仿真1.概述 近年來，在跨越山川河谷的大跨度拱橋施工中，纜索起重機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能可靠的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，起吊噸位、主索跨度也不斷突破歷史新高。我單位在東莞水道特大橋和韓江北橋的施工中均采用大跨度纜索吊機(jī)輔助主橋鋼管拱肋的安裝，取得了良好的效果。 目前纜

2、索吊機(jī)等施工輔助設(shè)施屬于施工方自行設(shè)計(jì)的內(nèi)容，相對于永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了在結(jié)構(gòu)耐久性與正規(guī)程序上有所不同，同樣要求其性能可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、結(jié)構(gòu)先進(jìn)，并應(yīng)符合國家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 纜索吊機(jī)作為大型施工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主體主要由承重系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、起重系統(tǒng)組成，三個(gè)系統(tǒng)相互影響，互相制約。起主要控制作用的是承重系統(tǒng)，即主塔架和主承重索的構(gòu)成，這也是施工設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位。承重系統(tǒng)承擔(dān)設(shè)備使用的所有載荷，其組成構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，至關(guān)重要，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的重點(diǎn)。 本文結(jié)合大跨度纜索起重機(jī)在韓江北橋的應(yīng)用，利用大型通用軟件ANSYS對纜索起重機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真分析。2應(yīng)用背景韓江北橋?yàn)槲蹇缏?lián)拱背靠式鋼管

3、混凝土拱橋，主橋全長558m，跨徑布置85 m +114 m +160 m +114m +80m。主橋鋼管拱肋安裝采用纜索吊機(jī)和節(jié)段扣掛的方式。如圖1所示。 圖 SEQ 圖表 * ARABIC 1 韓江北橋整體布置圖2.1纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)額定載荷：Q=500kN；主索跨度：L=558m；主索最大垂度：0.07L=39m；主塔高度：H=80m（橋面板以上）。2.2纜索吊機(jī)主塔架構(gòu)造 主塔組拼構(gòu)件采用萬能桿件，截面為44m，塔底為全鉸結(jié)構(gòu)。根據(jù)額定載荷、主索跨度及最大垂度等參數(shù)簡單計(jì)算出主索最大索力值為4200kN(一道)，據(jù)此暫定塔架組拼結(jié)構(gòu)形式，塔架豎向立柱采用剛度最大的4根N1桿件形成組合截

4、面，平桿和斜桿由2根N4和N6桿件組成。兩塔柱中心距離為26m。如圖2所示。塔架立柱圖2纜索吊機(jī)塔架圖3主塔架計(jì)算3.1思路利用通用有限元軟件ANSYS建立主塔架整體三維空間有限元模型并進(jìn)行計(jì)算仿真。3.2建立有限元模型塔架建模主塔架作為鋼結(jié)構(gòu)桿件組拼結(jié)構(gòu)，一般有以下幾種建模方法：將塔架兩個(gè)立柱截面換算成等強(qiáng)度及剛度的梁單元截面，一般采用beam44單元；使用空間桿單元link8模擬萬能桿件，桿件之間鉸連接；使用空間梁單元Beam188或Beam4模擬萬能桿件，桿件之間剛性連接； 以上幾種建模方式第一種簡化最大，結(jié)構(gòu)分析只能得出整體位移及截面總彎矩的計(jì)算結(jié)果，無法得到具體桿件的局部應(yīng)力狀況；第

5、二種建模相對第一種具體，但由于使用Link單元，桿件不承受彎矩作用，與實(shí)際情況有異，同時(shí)也得不到桿件局部應(yīng)力結(jié)果。而第三種采用空間梁單元Beam188（可自定義截面）模擬萬能桿件，可承受拉、壓、彎、剪的作用，與實(shí)際情況最相符合，詳見圖3與圖4。圖3 纜索吊機(jī)主塔架實(shí)際拼裝圖圖4 纜索吊機(jī)主塔架有限元模型拼裝圖可以看出塔架有限元模型仿真度很高，只有桿件連接處實(shí)際采用螺栓連接，應(yīng)模擬成鉸接形式，而有限元模型的桿件連接為固結(jié)，這一點(diǎn)和實(shí)際有區(qū)別。如果模擬成鉸接形式，固然可采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式，但對塔架進(jìn)行整體受力分析，萬能桿件之間固結(jié)和鉸接的區(qū)別并不大，在這里進(jìn)行了簡化處理。前文提到纜索吊機(jī)主塔架的底

6、部為全鉸結(jié)構(gòu)，具體形式見圖5。圖 5主塔架底部鉸接支點(diǎn)圖為節(jié)省機(jī)時(shí)，塔架模型對這部分進(jìn)行了簡化，采用的方式即以三根剛度很大的桿件模擬成三角板形，對底部交匯處施加位移約束，不約束塔架模型的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成了實(shí)際上的底部全鉸結(jié)構(gòu)的仿真。如圖6所示。圖 6 主塔架底部鉸接支點(diǎn)簡化有限元模型圖至此，纜索吊機(jī)主塔架的有限元模型建立完成，在盡可能得到最大仿真度的同時(shí)，將局部結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡化，合適與否還需要實(shí)踐檢驗(yàn)。 柔性索建模柔性索指纜索吊機(jī)的承重索、后背索及側(cè)向纜風(fēng)等使用鋼絲繩的柔性結(jié)構(gòu)。在本橋?qū)τ谌嵝运黧w的建模全部采用空間索單元Link10來模擬，該單元只受拉不受壓，在簡化分析中承重索并未采用Link單元，

7、而是以集中力的形式模擬。節(jié)點(diǎn)只有三個(gè)平動(dòng)自由度，并可施加預(yù)緊力和重力，具有應(yīng)力剛化的性能，適用于模擬鋼鉸線、鋼絲繩等不受彎矩的柔性結(jié)構(gòu)。建立第一階段模型如圖7所示。圖 7 單獨(dú)塔架有限元模型圖3.3施加載荷和約束模型建立后，進(jìn)入施加載荷的步驟。需要施加的載荷如下： 重力對塔架模型施加重力荷載。 集中力經(jīng)過計(jì)算，將主承重索對塔架的作用簡化為集中力施加到塔架的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。 預(yù)緊力Link10單元模擬塔架穩(wěn)定側(cè)向纜風(fēng)，預(yù)先張緊的索力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值，在實(shí)常數(shù)項(xiàng)予以施加。 約束約束作為模型計(jì)算的邊界條件，控制模型節(jié)點(diǎn)的位移狀態(tài)。在塔架模型中分別對底部全鉸單元及側(cè)向纜風(fēng)和地錨聯(lián)系處模擬成約束狀態(tài)。3.4求解

8、設(shè)定好約束及荷載后，即可進(jìn)入求解器進(jìn)行求解，塔架執(zhí)行的是靜力計(jì)算。3.5計(jì)算結(jié)果 塔架位移 塔架整體位移圖如圖8所示，塔架x向位移最大值151mm。圖 8 單獨(dú)塔架有限元計(jì)算位移圖具體節(jié)點(diǎn)位移如表1所示。表1 單獨(dú)塔架計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移值節(jié)點(diǎn)號UX（mm）UY（mm）UZ（mm）備注13.93.9-0.75采用笛卡兒坐標(biāo)系，X軸由左向右，Y軸由下向上。10050.90.6-4.816378.3-0.8-7.519994-1.5-8.9298136-3.2-9.5334151-4.2-11.4最大位移在塔架頂指向跨中方向。 桿件應(yīng)力取塔底部分的桿件應(yīng)力圖為例，其局部應(yīng)力如圖9所示。圖9 單獨(dú)塔架計(jì)算桿

9、件局部應(yīng)力圖最大應(yīng)力出現(xiàn)靠近橋中心的一排桿件，值為48.5MPa。萬能桿件材質(zhì)為Q235，容許應(yīng)力170MPa，從計(jì)算結(jié)果看出塔架桿件還有優(yōu)化的余地，可以適當(dāng)減少其用量。根據(jù)計(jì)算應(yīng)力圖分布，擬將塔架立桿N1桿件用量進(jìn)行優(yōu)化，塔架截面桿件形式如圖10所示。圖10 塔架拼裝桿件優(yōu)化截面圖 底部支點(diǎn)反力底部支點(diǎn)反力值代表鉸軸受到的作用力，并由此對鉸軸的尺寸進(jìn)行校核。圖11 支點(diǎn)反力數(shù)據(jù)圖如圖11所示，Y方向最大反力值由上可知為1289kN，X方向最大值3.8kN，Z方向?yàn)?3kN。側(cè)纜風(fēng)地錨反力圖12 側(cè)纜風(fēng)地錨反力數(shù)據(jù)圖如圖12所示，其中1957、1959號節(jié)點(diǎn)表示跨中方向的側(cè)向纜風(fēng)，其拉力分別為

10、590kN、592kN；1958、1960號節(jié)點(diǎn)表示引橋方向的側(cè)向纜風(fēng)，其拉力為763kN、809kN。以上計(jì)算方法是將纜索吊機(jī)主塔架和主索分開，著重在于主塔架的驗(yàn)算，對于主索對于主塔架的作用力簡化成作用在塔架節(jié)點(diǎn)上的作用力，應(yīng)該說和實(shí)際情況還是有所差別，究竟差別多大，還需要進(jìn)一步通過計(jì)算確定。為確定主索簡化對于實(shí)際情況的仿真影響，需要對纜索吊機(jī)的承重系統(tǒng)進(jìn)行整體建模，系統(tǒng)分析，擴(kuò)大有限元分析的范圍。4.纜索吊機(jī)主體承重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析主要內(nèi)容即是將主塔架和主索、后背索等柔性結(jié)構(gòu)統(tǒng)一建模，對主索按照額定荷載施加作用力后，模擬纜索吊機(jī)最大負(fù)重時(shí)的工況，進(jìn)行系統(tǒng)的有限元計(jì)算和分析，應(yīng)該說，這種

11、方式模型的仿真度更加接近實(shí)際狀況，所得到的計(jì)算結(jié)果也要可信一些。4.1建模建模使用的單元是Beam188和Link10，塔架模型仍然采用Beam188模擬桿件，Link10模擬主索，但是主索建模相對側(cè)纜風(fēng)模型，有一個(gè)在自重條件下的找形問題，這種建模的問題也經(jīng)常出現(xiàn)在懸索橋的主纜建模中，在本橋的計(jì)算中，將此問題進(jìn)行了適當(dāng)簡化，采用了直線線型模擬主纜在集中荷載作用下的線型，建立的有限元模型如圖13所示。圖13 纜索吊機(jī)主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限元模型圖4.2施加載荷在系統(tǒng)分析中，目的是研究纜索吊機(jī)承重結(jié)構(gòu)在最大荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，由于模型仿真度較高，塔架直接承受主索和背索的作用，額定載荷作為集中力施加在主

12、索跨中節(jié)點(diǎn)處。整個(gè)模型施加了必要的約束外，同時(shí)承受重力的作用，重力加速度值取10m/s2。4.3計(jì)算結(jié)果塔架節(jié)點(diǎn)位移要對應(yīng)前文的簡化計(jì)算數(shù)值，因此節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)選擇取同一個(gè)部位。詳見圖14。圖14 纜索吊機(jī)主體結(jié)構(gòu)計(jì)算位移圖結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。表2 纜索吊機(jī)系統(tǒng)分析節(jié)點(diǎn)位移值節(jié)點(diǎn)號UX（mm）UY（mm）UZ（mm）備注1000同表110014.67.2716359.5-8.2-9.1199103-8.3-9.6298297-13.2-12.5334365-19.4-14.8跨中主索最大垂度為31.5+12=43.5m，圖15為計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)19891994為跨中節(jié)點(diǎn)編號。圖15 跨中節(jié)點(diǎn)位

13、移數(shù)據(jù)圖桿件局部應(yīng)力取和前文計(jì)算中相同的部位即塔架立柱底部4m節(jié)段，其應(yīng)力圖詳見圖16。圖16主塔架系統(tǒng)分析桿件局部應(yīng)力圖其桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位基本相同，但數(shù)值相差很大，整體分析的桿件最大應(yīng)力為145MPa，而前文簡化計(jì)算為48.5MPa，二者相差近3倍。 支點(diǎn)反力底部鉸軸所受的反力圖17所示。圖17 支點(diǎn)反力數(shù)據(jù)圖從結(jié)果可知，Y方向塔架鉸支點(diǎn)的最大反力達(dá)到了3770kN。5.結(jié)果分析由兩種模型的計(jì)算結(jié)果看，二者相差很大，究竟哪一種算法更符合實(shí)際，從計(jì)算思路來看，有限元模型的仿真度越高其計(jì)算結(jié)果也就越可信，這也是符合實(shí)際情況的。從這點(diǎn)來看，采用整體建模、系統(tǒng)分析纜索吊機(jī)主體結(jié)構(gòu)的方法更加適用

14、和合理，但最終的檢驗(yàn)還是要通過實(shí)踐來進(jìn)行。最近，在韓江北橋的施工現(xiàn)場完成了纜索吊機(jī)的試吊和驗(yàn)收程序，在試吊過程中，對主塔架的位移、主后背索的索力、主索跨中最大垂度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，觀測數(shù)據(jù)顯示：a.塔架最大位移發(fā)生在雙鉤在跨中起吊1.0倍額定載荷時(shí)，西岸塔架位移380mm，計(jì)算數(shù)據(jù)為365mm；b.主索最大垂度經(jīng)現(xiàn)場觀測主索跨中雙鉤起吊1.0倍額定載荷時(shí)，最大垂度為43m，計(jì)算數(shù)據(jù)為43.5m；c.平衡后背索索力現(xiàn)場估測為4500kN，計(jì)算數(shù)據(jù)為4800kN。從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，整體建模進(jìn)行有限元分析得到的結(jié)果和實(shí)際比較吻合。6.結(jié)論即使采用整體建模、系統(tǒng)分析的方法，仍然對實(shí)際施工結(jié)構(gòu)作了一定程度的簡化，如實(shí)際主索繞過塔架頂部索鞍是通長布置的，由于本橋纜索吊機(jī)的塔頂索鞍采用摩擦式整體鑄鋼的結(jié)構(gòu)，存在的索鞍索道對于主索的摩擦阻力無法準(zhǔn)確測量，因此在建立模型時(shí)將主索在塔架頂簡化，把跨中主索和塔背的主索在塔架頂部斷開設(shè)置，分別設(shè)置了預(yù)緊力，這對于計(jì)算結(jié)果有一定影響。但無論如何，將主索對塔架的作用簡化為集中作用力的方式和實(shí)際情況相差甚大，在今后的施工設(shè)計(jì)中，應(yīng)審慎使用。由此可以得出結(jié)論，對于這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的施工設(shè)計(jì)