变跨度架桥机主梁纵向连接螺栓群的力学分析

李 梦，惠记庄,2，王斌华,3，张红俊，史 合

(1.长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064； 2.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064；3.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

随着中国桥梁设计技术的快速发展，桥梁结构变得多样化，需要架设不同跨度的桥梁，而拼装式架桥机可以实现快速高效架梁，便于调用拼组，提高对现场作业环境的适应性[1-2]。由于可以随梁片宽度或桥跨变化进行架设，拼装式架桥机为变跨架桥机关键技术的研究奠定了基础。

架桥机主梁一般多采用桁架式，例如文献[3]介绍了一种桁架双梁式侧位提梁架梁一体架桥机；文献[4]研究了大荷载下采用架桥机三角桁架作为主梁的大跨径施工便桥；文献[5]采用步履式三角桁架双导梁架桥机架设大跨径箱梁；文献[6]介绍了用于大跨径架梁的贝雷桁架双导梁架桥机；文献[7]研究了采用三弦杆桁架主梁结构的大跨度大吨位架桥机；文献[8]采用的贝雷式桁架梁组装式架桥机，适用于单次架设数量不多的桥梁；文献[9]提出具有变跨与拼装功能的双梁三角桁架式架桥机。由上述文献可知，现有的架桥机设备通常是对单片梁或整垮梁片进行架设，而拼装式架桥机可以根据作业需求适用于梁片宽度或桥跨跨度发生较大变化的情况。

本文通过摩擦型高强度螺栓拼接腹板实现架桥机主梁刚度和强度调节，适应不同跨度桥梁的架设。通过ANSYS有限元分析软件模拟螺栓群的受力情况[10-12]，对架20 m与30 m跨时架桥机主梁上下对接后主梁腹板区螺栓群进行仿真计算，验证螺栓的受力情况是否满足要求，并找出受力不合理的螺栓。

1 变跨度架桥机有限元分析

1.1 变跨度架桥机箱型主梁结构

本文设计的架桥机主梁采用双主梁箱型结构，如图1所示。

图1 主梁简图

变跨前，架桥机主梁如图1(a)所示，横截面如图1(b)所示，主梁上部与下部由钢板焊接形成，并通过螺栓进行连接，采用法兰连接的横梁用螺栓连接在主梁上，方便拆卸。变跨后，架桥机横截面如图1(c)所示，架桥机主梁上部与下部之间通过纵向螺栓群拼接增强腹板段，从而使架桥机主梁高度增加，以提高主梁的刚度和强度。

1.2 架桥机工况

根据架桥机的作业步骤，选择对主梁最不利的3个承载工况进行分析[13]，以架20 m跨为例进行说明。

(1)工况1：纵移悬臂过孔工况，见图2。

图2 架桥机悬臂过孔工况

(2)工况2：前天车走到前、中支腿中间位置，后天车吊起梁片时的工况 ，见图3。

图3 后天车开始吊起梁片工况

(3)工况3：架边梁工况，见图4。

图4 架边梁工况

1.3 有限元模型建立

架桥机箱型主梁为钢板焊接结构，采用ANSYS的板壳单元Shell181进行模拟。为了计算螺栓受力，在ANSYS中需要在每个螺栓位置产生结点，利用结点耦合技术模拟螺栓连接。在架20 m跨时共划分板壳单元17 147个，结点16 873个；架30 m跨时共划分板壳单元30 223个，结点29 895个，有限元模型如图5所示。

图5 架20、30 m跨架桥机主梁三维局部模型

2 主梁纵向连接螺栓群的受力分析

2.1 螺栓承载力计算

采用摩擦型高强度螺栓进行连接，具有整体性好、安装过程中的焊接变形对拼装影响小、施工简便等优点[14-15]，因此架20 m与30 m跨时，架桥机主梁上下对接后的主梁腹板区采用该螺栓连接。

图6 高强螺栓受力

摩擦型高强螺栓的受力如图6所示，螺栓的参数为：直径d=22 mm，预紧力F=190 000 N，摩擦系数μ=0.5，安全系数n=1.4，则单个螺栓许用承载力[16]

2.2 有限元分析结果

运用有限元分析软件建立了在架设20 m及30 m跨时架桥机主梁空间的有限元模型，并针对2种跨径桥梁，分别选择3种危险工况进行结构的强度和刚度分析。

以架30 m跨为例进行说明，在3种工况下主梁上下拼接腹板区的螺栓受力情况分别如图7～9所示。

图7 悬臂工况主梁应力云图

图8 前后天车吊起梁片主梁应力云图

图9 架边梁主梁应力云图

2.2.1 工况1

由图7可知，螺栓受力最大部位位于主梁中支腿附近，螺栓受力大小如图10、11所示，主梁内外侧螺栓受力基本相同，因此只列出一排螺栓受力，螺栓受力具体值如表1、2所示。

图10 中支腿附近主梁上部连接螺栓受力

图11 中支腿附近主梁下部连接螺栓受力

由图10可知，中支腿附近主梁上部螺栓连接最大受力处位于第二列与第八列。由图11可知，中支腿附近主梁下部螺栓连接最大受力位于第三列。由表1、2可知，螺栓受力最大值为31 710.6 N，小于许用力[f]。所以，在悬臂状态下，螺栓受力满足要求。

表2 中支腿附近主梁下部螺栓受力 N

2.2.2 工况2

由图8知螺栓受力最大部位位于主梁中支腿附近及后支腿附近，螺栓受力大小分布如图12～15所示，主梁内外侧螺栓受力大小基本相同，因此只列出一排螺栓受力，螺栓受力具体值如表3～6所示。

图12 中支腿附近主梁上部螺栓受力

图13 中支腿附近主梁下部螺栓受力

图14 后支腿附近主梁上部螺栓的受力

图15 后支腿附近主梁下部螺栓的受力

通过分析表3～6可知，螺栓最大受力为48 343.9 N，小于许用力[f]；所以，在前后天车吊起梁片后、前天车走到前支腿与中支腿之间的状态下，螺栓受力满足要求。

表4 中支腿附近主梁下部螺栓受力 N

表5 后支腿附近主梁上部螺栓受力 N

表6 后支腿附近主梁下部螺栓受力 N

2.2.3 工况3

由图9可知，螺栓受力最大部位位于主梁前支腿与中支腿附近，螺栓受力如图16～19所示，其中图16～18中主梁内外侧螺栓受力基本相同，只列出一排螺栓受力即可，图19中主梁外侧螺栓受力大于主梁内侧，只需列出外侧螺栓最大受力。螺栓受力具体值如表7～10所示。

图16 前支腿附近主梁上部螺栓的受力

图17 前支腿附近主梁下部螺栓的受力

图18 中支腿附近主梁上部螺栓的受力

图19 中支腿附近主梁下部螺栓的受力

表7 前支腿附近主梁上部螺栓受力 N

通过分析表7～10可知，螺栓受力最大值为38 821.3 N，小于许用力[f]；所以，在架边梁状态下，螺栓受力满足要求。

表8 前支腿附近主梁下部螺栓受力 N

表9 中支腿附近主梁上部螺栓受力 N

表10 中支腿附近主梁下部螺栓受力 N

3 结 语

(1)通过螺栓群连接实现架桥机主梁腹板拼接，以调节主梁刚度和强度，利用大型有限元软件ANSYS对架20 m与30 m跨时架桥机主梁进行了强度和刚度分析，结果表明该架桥机可以满足强度和刚度要求。

(2)利用大型有限元软件ANSYS分析了架20 m与30 m跨时架桥机主梁拼接腹板区高强螺栓群的受力情况，并分别对3个承载工况下的高强螺栓群的承载力进行了分析，计算结果表明，螺栓群的受力满足要求。该研究方法同样可以对其他大型箱梁结构螺栓连接的受力情况分析提供参考。