09-大跨度缆索吊机结构体系的工程应用与仿真分析(二)

大跨度缆索吊机结构体系的工程应用与仿真分析其次工程公司王守国内容提要：采纳两种方式，利用有限元软件对缆索吊机主体承重结构进行计算分析，通过计算结果和实测数据的对比，说明整体系统的有限元分析方式在钢构件结构的施工设计中具有广泛的实际用途，同时结合韩江北桥缆索吊机作了实例分析。关键词：缆索吊机承重系统整体系统有限元分析施工仿真1.概述近年来，在跨越山川河谷的大跨度拱桥施工中，缆索起重机以其结构简洁、操作便利、性能牢靠的特点得到了广泛应用，起吊吨位、主索跨度也不断突破历史新高。我单位在东莞水道特大桥和韩江北桥的施工中均采纳大跨度缆索吊机协助主桥钢管拱肋的安装，取得了良好的效果。

目前缆索吊机等施工协助设施属于施工方自行设计的内容，相对于永久结构设计，除了在结构耐久性与正规程序上有所不同，同样要求其性能牢靠、经济好用、结构先进，并应符合国家相应的标准规定。

缆索吊机作为大型施工设备，其结构主体主要由承重系统、牵引系统、起重系统组成，三个系统相互影响，相互制约。起主要限制作用的是承重系统，即主塔架和主承重索的构成，这也是施工设计中的关键部位。承重系统担当设备运用的全部载荷，其组成构件的强度、刚度及稳定性，至关重要，是结构设计计算的重点。

本文结合大跨度缆索起重机在韩江北桥的应用，利用大型通用软件ANSYS对缆索起重机系统进行了模拟仿真分析。2．应用背景韩江北桥为五跨联拱背靠式钢管混凝土拱桥，主桥全长558m，跨径布置85m+114m+160m图SEQ图表\*ARABIC1韩江北桥整体布置图2.1缆索吊机设计参数额定载荷：Q=500kN；主索跨度：L=558m；主索最大垂度：0.07L=39m；主塔高度：H=80m（桥面板以上）。2.2缆索吊机主塔架构造主塔组拼构件采纳万能杆件，截面为4×4m，塔底为全铰结构。依据额定载荷、主索跨度及最大垂度等参数简洁计算出主索最大索力值为4200kN(一道)，据此暂定塔架组拼结构形式，塔架竖向立柱采纳刚度最大的4根N1杆件形成组合截面，平杆和斜杆由2根N4和N6杆件组成。两塔柱中心距离为26m。如图2所示。塔架立柱塔架立柱图2缆索吊机塔架图3主塔架计算3.1思路 利用通用有限元软件ANSYS建立主塔架整体三维空间有限元模型并进行计算仿真。3.2建立有限元模型塔架建模主塔架作为钢结构杆件组拼结构，一般有以下几种建模方法：将塔架两个立柱截面换算成等强度及刚度的梁单元截面，一般采纳beam44单元；运用空间杆单元link8模拟万能杆件，杆件之间铰连接；运用空间梁单元Beam188或Beam4模拟万能杆件，杆件之间刚性连接；以上几种建模方式第一种简化最大，结构分析只能得出整体位移及截面总弯矩的计算结果，无法得到详细杆件的局部应力状况；其次种建模相对第一种详细，但由于运用Link单元，杆件不承受弯矩作用，与实际状况有异，同时也得不到杆件局部应力结果。而第三种采纳空间梁单元Beam188（可自定义截面）模拟万能杆件，可承受拉、压、弯、剪的作用，与实际状况最相符合，详见图3与图4。图3缆索吊机主塔架实际拼装图图4缆索吊机主塔架有限元模型拼装图 可以看出塔架有限元模型仿真度很高，只有杆件连接处实际采纳螺栓连接，应模拟成铰接形式，而有限元模型的杆件连接为固结，这一点和实际有区分。假如模拟成铰接形式，当然可采纳节点耦合的方式，但对塔架进行整体受力分析，万能杆件之间固结和铰接的区分并不大，在这里进行了简化处理。前文提到缆索吊机主塔架的底部为全铰结构，详细形式见图5。图5主塔架底部铰接支点图 为节约机时，塔架模型对这部分进行了简化，采纳的方式即以三根刚度很大的杆件模拟成三角板形，对底部交汇处施加位移约束，不约束塔架模型的转动，从而完成了事实上的底部全铰结构的仿真。如图6所示。图6主塔架底部铰接支点简化有限元模型图至此，缆索吊机主塔架的有限元模型建立完成，在尽可能得到最大仿真度的同时，将局部结构适当简化，合适与否还须要实践检验。柔性索建模柔性索指缆索吊机的承重索、后背索及侧向缆风等运用钢丝绳的柔性结构。在本桥对于柔性索体的建模全部采纳空间索单元Link10来模拟，该单元只受拉不受压，在简化分析中承重索并未采纳Link单元，而是以集中力的形式模拟。节点只有三个平动自由度，并可施加预紧力和重力，具有应力刚化的性能，适用于模拟钢铰线、钢丝绳等不受弯矩的柔性结构。建立第一阶段模型如图7所示。图7单独塔架有限元模型图3.3施加载荷和约束模型建立后，进入施加载荷的步骤。须要施加的载荷如下：重力对塔架模型施加重力荷载。集中力经过计算，将主承重索对塔架的作用简化为集中力施加到塔架的相应节点上。预紧力Link10单元模拟塔架稳定侧向缆风，预先张紧的索力转换成应变值，在实常数项予以施加。约束约束作为模型计算的边界条件，限制模型节点的位移状态。在塔架模型中分别对底部全铰单元及侧向缆风和地锚联系处模拟成约束状态。3.4求解设定好约束及荷载后，即可进入求解器进行求解，塔架执行的是静力计算。3.5计算结果塔架位移塔架整体位移图如图8所示，塔架x向位移最大值151mm。图8单独塔架有限元计算位移图详细节点位移如表1所示。表1单独塔架计算节点位移值节点号UX（mm）UY（mm）UZ（mm）备注13.93.9-0.75采纳笛卡儿坐标系，X轴由左向右，Y轴由下向上。10050.90.6-4.816378.3-0.8-7.519994-1.5-8.9298136-3.2-9.5334151-4.2-11.4最大位移在塔架顶指向跨中方向。杆件应力取塔底部分的杆件应力图为例，其局部应力如图9所示。图9单独塔架计算杆件局部应力图最大应力出现靠近桥中心的一排杆件，值为48.5MPa。万能杆件材质为Q235，容许应力170MPa，从计算结果看出塔架杆件还有优化的余地，可以适当削减其用量。依据计算应力图分布，拟将塔架立杆N1杆件用量进行优化，塔架截面杆件形式如图10所示。图10塔架拼装杆件优化截面图底部支点反力底部支点反力值代表铰轴受到的作用力，并由此对铰轴的尺寸进行校核。图11支点反力数据图如图11所示，Y方向最大反力值由上可知为1289kN，X方向最大值3.8kN，Z方向为13kN。侧缆风地锚反力图12侧缆风地锚反力数据图 如图12所示，其中1957、1959号节点表示跨中方向的侧向缆风，其拉力分别为590kN、592kN；1958、1960号节点表示引桥方向的侧向缆风，其拉力为763kN、809kN。 以上计算方法是将缆索吊机主塔架和主索分开，着重在于主塔架的验算，对于主索对于主塔架的作用力简化成作用在塔架节点上的作用力，应当说和实际状况还是有所差别，原委差别多大，还须要进一步通过计算确定。 为确定主索简化对于实际状况的仿真影响，须要对缆索吊机的承重系统进行整体建模，系统分析，扩大有限元分析的范围。4.缆索吊机主体承重结构系统分析 系统分析主要内容即是将主塔架和主索、后背索等柔性结构统一建模，对主索依据额定荷载施加作用力后，模拟缆索吊机最大负重时的工况，进行系统的有限元计算和分析，应当说，这种方式模型的仿真度更加接近实际状况，所得到的计算结果也要可信一些。4.1建模 建模运用的单元是Beam188和Link10，塔架模型仍旧采纳Beam188模拟杆件，Link10模拟主索，但是主索建模相对侧缆风模型，有一个在自重条件下的找形问题，这种建模的问题也常常出现在悬索桥的主缆建模中，在本桥的计算中，将此问题进行了适当简化，采纳了直线线型模拟主缆在集中荷载作用下的线型，建立的有限元模型如图13所示。图13缆索吊机主体结构系统有限元模型图4.2施加载荷 在系统分析中，目的是探讨缆索吊机承重结构在最大荷载作用下的结构反应，由于模型仿真度较高，塔架干脆承受主索和背索的作用，额定载荷作为集中力施加在主索跨中节点处。整个模型施加了必要的约束外，同时承受重力的作用，重力加速度值取10m/s2。4.3计算结果塔架节点位移要对应前文的简化计算数值，因此节点位移数据选择取同一个部位。详见图14。图14缆索吊机主体结构计算位移图 结果数据如表2所示。表2缆索吊机系统分析节点位移值节点号UX（mm）UY（mm）UZ（mm）备注1000同表110014.67.2716359.5-8.2-9.1199103-8.3-9.6298297-13.2-12.5334365-19.4-14.8 跨中主索最大垂度为31.5+12=43.5m，图15为计算结果数据。节点1989～1994为跨中节点编号。图15跨中节点位移数据图杆件局部应力 取和前文计算中相同的部位即塔架立柱底部4m节段，其应力图详见图16。图16主塔架系统分析杆件局部应力图 其杆件最大应力出现的部位基本相同，但数值相差很大，整体分析的杆件最大应力为145MPa，而前文简化计算为48.5MPa，二者相差近3倍。支点反力 底部铰轴所受的反力图17所示。图17支点反力数据图 从结果可知，Y方向塔架铰支点的最大反力达到了3770kN。5.结果分析 由两种模型的计算结果看，二者相差很大，原委哪一种算法更符合实际，从计算思路来看，有限元模型的仿真度越高其计算结果也就越可信，这也是符合实际状况的。从这点来看，采纳整体建模、系统分析缆索吊机主体结构的方法更加适用和合理，但最终的检验还是要通过实践来进行。 最近，在韩江北桥的施工现场完成了缆索吊机的试吊和验收程序，在试吊过程中，对主塔架的位移、主后背索的索力、主索跨中最大垂度进行了实时监控，观测数据显示：a.塔架最大位移 发生在双钩在跨中起吊1.0倍额定载荷时，西岸塔架位移380mm，计算数据为365mm； b.主索最大垂度 经现场观测主索跨中双钩起吊1.0倍额定载荷时，最大垂度为43m，计算数据为43.5m； c.平衡后背索索力 现场估测为4500kN，计算数据为4800kN。 从实测数据来看，整体建模进行有限元分析得到的结果和实际比较吻合。6.结论 即使采纳整体建模、系统分析的方法，仍旧对实际施工结构作了肯定程度的简化，照实际主索绕过塔架顶部索鞍是通长布置的，由于本桥缆索吊机的塔顶索鞍采纳摩擦式整体铸钢的结构，存在的索鞍索道对于主索的摩擦阻力无法精确测量，因此在建立模型时将主索在塔架顶简化，把跨中主索和塔背的主索在塔架顶部断开设置，分别设置了预紧力，这对于计算结果有肯定影响。但无论如何，将主索对塔架的作用简化为集中作用力的方式和实际状况相差甚大，在今后的施工设计中，应审慎运用。由此可以得出结论，对于这种结构困难、高风险的施工设