基于液压缓震装置的预制墩柱翻转台座受力性能有限元分析

2022-04-07金礼俊

工程与建设 2022年1期

金礼俊

(中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230071)

0 引言

随着我国桥梁建设的不断发展，桥梁快速施工技术是新一代桥梁设计、施工的革命性技术。预制装配式桥梁新型工装设备的设计对于安全、质量、进度等方面均有着重要的意义[1]。当前我国建筑行业生产力快速发展，桥梁施工构件工厂化预制和装配式施工也在桥梁施工中得到快速发展。以预制墩柱翻身过程中翻身工装为例，预制墩柱在存放、运输、安装过程中要进行墩柱的翻转，由于预制墩柱构件长细比较大，因此墩柱的翻身不能像简单的构件那样在空中实现翻身，必须要借助外部翻身工装进行翻身[2]。传统的翻身工装设备体积庞大，灵活性差，且需要大量的钢材，适用范围有限。为了克服传统翻身工艺的不足，通过技术革新、有限元分析，设计一种基于液压缓震装置的预制墩柱翻转台座，达到预制墩柱可以快速翻身且不影响施工质量的目的。结合预制墩柱施工实际情况以及力学基本知识，设计一种带有液压千斤顶和缓震平台的墩柱翻转台座，通过设置液压千斤顶和缓震平台，来提高预制墩柱翻转过程中稳定在由立式向卧式翻转的起势阶段，利用液压千斤顶驱动缓震平台翻转，由此推动立柱模板开始翻转，如图1所示。这一过程稳定可靠，大大提高了施工作业安全性，并有效提高施工效率。预制墩柱在预制场从存放区到装配的过程中都需要进行翻转，应用本文所介绍的翻转台座可以提高施工过程中翻身工装的施工效率、社会效益和经济效益。使用翻转台座完成预制墩柱的翻身，相比传统翻身工装设备施工效率高、灵活性高、成本低、节省空间，翻转台座结构简单、受力清楚、安装操作方便。

图1 翻转台座液压缓震原理图

1 预制墩柱翻转台座设计

1.1 翻转台座设计要点

(1) 通过液压千斤顶控制所述翻转台座钢筋笼模板在缓震平台的顶撑下形成与台面呈30～45°夹角。

(2) 利用龙门吊在预制墩柱模板的上端进行起吊，使立柱模板与纵向翻转梁共同在铰接支座上进行翻转；直至立柱模板的底面触及纵向缓震梁，随即转而由液压千斤顶对立柱模板的底面形成托承，并在液压千斤顶和龙门吊的共同作用下使立柱模板连同纵向翻转梁继续翻转，如图2所示。

图2 台座下部构造图

(3) 在纵向翻转梁朝向固定台座的台面落架时，立柱模板与纵向翻转梁，以及纵向缓震梁的整体重量均由液压千斤顶支撑，完成预制墩柱翻转台座从卧式向立式的缓冲翻转。

1.2 翻转台座工作原理

预制墩柱整体吊装入模时，钢筋骨架放置于翻转台座模板内，按设计及规范要求放置足够数量的高强环形混凝土垫块。翻转台座连接钢筋笼时按设计要求制作、运输、吊装，采用吊车或龙门吊安装应防止扭转变形，如图3(a)所示，根据规定加焊内固定筋。如图3(b)所示，钢筋笼吊装前，应绑好垫块；吊放钢筋笼时，要对准孔位，直吊扶稳，缓慢下沉，避免碰撞；钢筋笼放到设计位置时，应立即固定。施工时先在翻转台座上安装半块柱模，再安装墩柱钢筋笼，然后安装另半块柱模，安装连接螺栓，在翻转台架上翻转直立，吊装就位翻转台座。模板一次性安装调整完成，并在24 h内一次性完成混凝土浇筑，避免模板起锈影响墩柱外观质量。

图3 翻转台座实物

2 预制墩柱翻转台座结构优势与创新点

2.1 翻转台座结构优势

(1) 利用铰接支座设置翻转台座，实现单边翻边，翻转方式简单可靠。

(2) 设置缓震平台，在由立式向卧式翻转的起势阶段，利用液压千斤顶驱动缓震平台翻转，由此推动立柱模板开始翻转，这一过程稳定可靠。

(3) 翻转台座的设计优势在于保证预制墩柱边角部位在翻身过程中不发生损坏，提高墩柱的外观与质量。

2.2 创新点

(1) 本设计的翻转台座通过设置缓震平台来提高立柱模板翻转过程中稳定，从而有效避免倾覆，大大提高了施工作业安全性，并有效提高施工效率；适用于各种不同截面形式的预制构件模板和构件翻转，使用范围广。

(2) 翻转台座采用一次性加工成型，灵活性较好且可以重复利用，在翻转过程中台座受力后可保持良好的稳定性。

(3) 本翻转台座通过缓震装置实现了预制墩柱从卧式向立式的缓冲翻转，保证了预制墩柱落架稳定，避免立柱受损变形，保证预制构件质量，从而有效保证工程质量。

3 翻转台座下部稳定性计算分析

3.1 建立有限元模型

本工程设计的翻转台座由工字钢结构单元构成，钢材等级为Q235b。墩柱模板翻转固定需通过吊装设备与翻转架支撑配合完成，同时翻转架也是墩柱浇筑后的存放基础，是决定墩柱能否安全浇筑预制、存放的关键结构，施工前应对翻转架结构进行受力安全性分析。结合施工方案，施工翻转过程翻转架主要承受上部模具与内部钢筋笼重量，重约9.1 t；模具直立后待墩柱混凝土浇筑完毕时，上部重量变为77.4 t，因此认为墩柱浇筑完成时为翻转架受力最不利状况，本节将对该工况下的翻转架结构进行受力变形分析。

3.2 有限元计算分析

3.2.1 分析模型选择

根据设计图，翻转架整体空间尺寸为长2.5 m×宽2 m×高0.8 m，施工翻转通过上部底模边侧铰支座和千斤顶实现，这里重点研究翻转架整体杆系结构受力变形特点，分析模型为翻转架整体杆系结构，与下部基础作用处理为位移边界，上部模板考虑为荷载边界，如图4所示。

图4 翻转台座数值模型

3.2.2 模型处理与计算假定

模型材料为线弹性，不考虑结构缺陷，数值模型中结构采用梁单元。根据实际杆件连接情况，数值模型对相邻梁单元链接处理如下：

(1) 对于实际刚性连接，采取合并公共节点，全位移协调。

(2) 对于实际铰接，采取耦合公共节点自由度，同时释放可转动方向自由度。

3.2.3 荷载及边界条件设置

(1) 荷载：所选模型研究段考虑重力荷载、上部模板及内部墩柱钢混部分对翻转架的压力作用，其中重力通过设置9.8 m/s2惯性力实现，上部结构作用通过刚性面域法施加，主自由度设于局部作用节点面，内力作用于主节点(MPC184单元)。

(2) 边界条件：翻转架下部基础与刚性地面连接，采用底层节点全位移约束，如图5所示。

图5 模型荷载及约束

3.3 有限元分析结果

3.3.1 位移计算结果

位移计算结果如图6～图9所示。

图6 X方向位移

图7 Y方向位移

图8 Z方向位移

图9 总位移

位移计算结果显示，X方向位移分布为邻近翻转轴区域较远侧稍大，峰值约0.03 mm；Y方向位移分布为中侧上横梁跨中位移较远侧稍大，峰值约0.1 mm，峰值点位于横梁与斜撑节点处；Z方向位移分布为中侧下横梁端部位移较远侧稍大，峰值约0.01 mm，峰值点位于斜撑节点处。该工况下，翻转架整体位移较小，最大变形低于1 mm，整体结构刚度较高，抗变形能力良好。

3.3.2 应力计算结果

应力计算结果如图10～图13所示。

图10 轴向应力

图11 XOY面内切应力

图12 XOZ面内切应力

图13 Von-mises应力

应力计算结果显示，整体结构轴向应力分布较均匀，无明显轴力集中过大现象，峰值为16.7 MPa(压应力)，位于中部斜杆端部；XOY面内切应力分布较均匀，无明显剪力集中过大现象，峰值为0.9 MPa，位于中部斜杆端部；XOZ面内切应力表现为上部横梁剪应力较远侧稍大，峰值为0.8 MPa，位于旋转轴附近横梁处；Von-mises应力分布表现为竖向杆较横向杆稍大，峰值为16.7 MPa，位于中部斜杆端部，小于材料应力允许值。该工况下，翻转架整体应力亦较小，整体结构强度、稳定性满足要求。