邓年春，罗 珊，刘显晖，伍柳毅

(1.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西柳州545005;2.广西工学院，广西柳州545006)

1 工程及施工概况

青草背长江大桥位于重庆三环高速公路南川至涪陵段K48+657～K50+376处，全桥长1 719 m。主桥为788 m单跨连续悬索桥，成桥状态中部主缆设计垂跨比为1/10。全桥共设两根主缆，间距 28.7 m，每根主缆由 88股(每股由1275.2镀锌高强钢丝组成)预制平行钢丝索股组成。主桥加劲梁采用正交异性板流线型扁平钢箱梁，梁高3.5 m，宽(含风嘴)30.7 m;钢箱梁与吊索的连接采用销接式锚板。主桥加劲梁根据制造时划分的梁段数划分成50个吊装段，即跨中吊装段2个、标准吊装段44个、端部吊装段2个、合龙段2个。其中标准吊装段长度为16m，跨中吊装段长度16.6 m，合龙段为标准段长度16 m，端部吊装段长8.32 m。最大吊装重量为241 t(跨中吊装段)。

钢箱加劲梁的架设拟采用300 t步履式缆载吊机，其吊装模拟见图1。缆载吊机的行走机构直接与主缆接触，以主缆作为支撑，传递吊机自身重量和吊装重量，在吊机移位和定位吊装的过程中发挥重要作用。在行走过程中，缆载吊机需要跨越已安装好的主缆索夹。为了实现吊装、移位和跨越索夹的功能，滚轮、行走机构钢结构主体、牵引千斤顶、荷载转换千斤顶和液压马达等组成了行走机构的主要部分。行走机构钢结构主体为长十几米、高一米多的箱形结构，是各种机构及结构的骨架，其上安装有行走轮组、抱箍装置、工作靴装置等，其结构的安全性极其重要。本文拟采用ANSYS有限元软件，对其在各种施工工况下的受力性能进行分析，为缆载机结构设计提供依据。

2 行走机构钢结构主体有限元分析

2.1 分析模型与有限元单元选择

缆载吊机的行走工况和吊装工况不是同时进行的。在移动而未吊装时，通过四个行走轮组骑在主缆上，行走轮组最终与钢结构主体接触的面上的压强需满足设计要求;吊装时，主体下的三个工作靴骑跨在主缆上，其接触面的压强同样需要满足设计要求。行走机构钢结构主体通过销轴与主桁架相连，主桁架上的力通过销轴传给行走机构。钢结构主体为宽度方向对称的箱形结构，采用ANSYS软件分析时，建立二分之一分析模型。

图1 缆载吊机吊装钢箱梁模拟图

钢结构主体实体模型，总长度超过11 m，高度超过1 m，箱形结构内部较复杂。ANSYS分析时，单元的选择，从分析有效性考虑，对大部分简单区域采用solid185单元，对复杂区域采用solid92单元。钢结构主体与主桁架通过销轴连接，分析过程中，采用接触单元。本模型中，将销轴的下半面和钢结构主体圆孔的下半面作面—面接触。将销轴下半面视作刚性“目标”面，用targe170单元来模拟此3－D“目标”面，将钢结构主体圆孔的下半面视作柔性“接触”面，用conta174单元模拟此“接触”面，建立一个“接触对”。

钢结构主体采用Q345钢材，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为325 MPa;销轴采用合金结构钢40 Cr，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为785 MPa。

2.2 建模及网格划分

ANSYS中的模型应简洁，且在关键受力部位能反映出实体的真实情况，经反复试算，此钢结构主体的建模过程为:从solidworks中导入二分之一实体模型后，保留中间较复杂且受力比较大的一部分，将这部分进行布尔运算，尽量地切割出规则的六面体，以方便后续的网格划分;将左右两边模型删除，在ANSYS中采用自顶向下的建模方式自行建模，并进行适当简化，这样在建模过程中实际上也在进行布尔运算;最后使用glue操作将全部模型搭接在一起。

模型在进行了布尔运算之后就可进行网格划分，采用前述的solid185单元和solid92单元对钢结构主体划分网格，并对销轴和圆孔的下半面作面—面接触，建立一个“接触对”。钢结构主体有限元网格模型参见图2，其中 solid185单元8 954个，solid92单元10 307个，targe170单元602个，conta174单元58个，总的单元数为19 921个，总的节点数为32 949个，比单独采用solid92单元进行网格划分时大大减少。

图2 行走机构钢结构主体有限元网格模型

2.3 边界条件、荷载及工况的选择

由于钢结构主体采用的是二分之一对称结构，在对称面上作对称约束，在与主缆有接触的支撑部位作全约束。

吊车行走和吊装情况下的荷载是不同的，对这两种情况下的模型施加面荷载。钢结构主体圆孔的厚度为0.07 m，销轴的直径为0.14 m。一台缆载吊机有两个行走机构钢结构主体，一个钢结构主体有两个面与销轴接触，因此共有四个面与销轴接触。行走、无负重时，只考虑行走机构自重和主桁架及附属设备自重120 t，故对受荷面所施加的均布力为30.6 MPa;固定在主缆吊装时，根据提供的缆载吊机设计要求，取额定起重量为330 t，故对受荷面所施加的均布力为84.2 MPa。

不同施工工况下的支座约束不同。缆载吊机在主缆行走、无负重时，考虑两类工况进行计算。一类是缆载吊机处于水平位置，另一类是处于主缆倾斜30°的位置。当缆载吊机在主缆水平位置行走时，四个行走轮组编号参见图3。缆载吊机在行走过程中，当行走轮①跨越主缆索夹时，①不再与主缆接触，此时只有行走轮②、③、④与主缆接触;由于主缆的弯曲，此时行走轮③可能不在主缆上，只有②、④与主缆接触;当行走轮②跨越索夹时，①已经重新与主缆接触，②脱离主缆，此时只有行走轮①、③、④在主缆上;由于主缆弯曲，没有呈一条直线，行走轮③可能脱离主缆，只有①、④与主缆接触;缆载吊机在主缆倾斜30°位置无负重行走时的工况与其在主缆水平位置行走时相同。

缆载吊机固定在主缆进行吊装作业时，考虑两类工况进行计算。一类是缆载吊机处于水平位置，另一类是处于主缆倾斜30°的位置。缆载吊机固定在主缆水平位置作业时，底部3个工作靴的编号参见图3，此时，行走机构钢结构主体底部三个接触面⑤、⑥、⑦与主缆接触;考虑主缆的变形，中间的面⑥可能不与主缆接触，此时只考虑⑤、⑦的接触。缆载吊机固定在主缆30°位置倾斜作业时的工况与其在主缆水平位置时相同。

综上所述，行走机构钢结构主体需考虑12种不同施工工况进行模拟分析。

图3 行走机构钢结构主体支撑面编号

2.4 不同荷载工况下的有限元计算结果及分析

前述的准备工作过后，ANSYS在计算阶段所需的时间大为减少。当仅采用solid92单元进行网格划分时，将产生100 000个左右的单元，每种工况下的计算时间超过了2 h，而采用本文所述的solid185单元和solid92单元时，网格划分完毕后产生的单元总数大为减少，每种工况下的计算时间只需10～20 min，因此节省了大量时间，提高了工作效率，保证了工作进度。

从ANSYS有限元静力计算结果可以得到，缆载吊机在主缆行走、无负重时，行走机构钢结构主体最大应力出现的区域均为支撑面附近;缆载吊机固定在主缆作业时，其最大应力出现在销轴附近或耳板截面未平顺过渡的区域。对模型进行反复设计修改和有限元模拟分析后，得出的分析结果中都未出现应力集中现象。具体的计算结果参见表1、表2。

表1 行走、无负重时各工况下行走机构钢结构主体的最大应力(单位:MPa)

表2 负重时各工况下行走机构钢结构主体的最大应力(单位:MPa)

根据《起重机设计规范》(GB/T 3811－2008)的规定，缆载吊机在无风工作情况下的强度安全系数为1.48，分析行走机构钢结构主体部分时，其许用应力[σ]=325/1.48=220 MPa。从表1、表2的结果可以看出，各工况下的最大应力(von Mises Stress)都未超过许用应力，行走机构钢结构主体的强度满足规范要求。

图4 行走、无负重时的最不利工况下最不利位置等值线

图5 负重时的最不利工况下最不利位置等值线

从表1、表2的数据还可以看出，缆载吊机在主缆行走、无负重时钢结构主体的最不利工况为在水平位置、只有行走轮①、④与主缆接触;其固定在主缆作业时的最不利工况为在水平位置、只有⑤、⑦两面与主缆接触。这两种最不利工况下最不利位置的应力等值线图分别参见图4、图5。

3 结束语

本文采用solid185单元和solid92单元对300 t步履式行走机构钢结构主体进行有限元分析，比采用单一的solid185单元或solid92单元的分析，在保证计算精度的情况下，计算效率更高。通过在不同施工工况下的有限元分析可知，主体结构满足规范要求，且经过不断设计改进之后，有限元分析结果中未出现应力集中现象。但同时也应该看到，部分区域的应力较大，造成这种原因的结果有两个，一是在ANSYS中建模简化模型时，削弱了承载能力，从这点看，算出的最大应力实际上是偏大的;二是少部分区域的设计没有平滑过渡。解决了这两个问题，钢结构主体的设计将更加经济、合理。

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