基于有限元分析的架桥机主梁纵向连接螺栓群的力学分析*

关 川

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，广西 南宁 530000)

0 引言

随着我国桥梁设计水平快速提高，桥梁结构多样化的需求日益凸显，桥梁架设跨度需根据实际情况确定。拼装式架桥机可根据跨度调用拼组，适用于不同跨度桥梁的架设[1]。架桥机主梁通常为桁架式结构，当前相关研究人员对桁架式主梁架桥机进行了大量研究[2]。李义堂研究了双梁桁架式侧方架梁提梁一体架桥机；吴典忠分析了基于大载荷的三角桁架主梁架桥机[3]；邹兵提出了三角桁架双梁式拼装、变跨架桥机[4]。但以上研究的架桥机适用于整垮梁片或单片梁架设，而拼装式架桥机可依据桥梁实际架设要求，适用于变跨桥梁的架设。

文中采用高强度摩擦型螺栓对架桥机主梁腹板进行拼接，实现了主梁强度和刚度的可调，可应用于不同跨度桥梁的建设。基于有限元分析软件对螺栓群的受力情况进行模拟分析，对30 m及20 m跨度桥梁架设时的主梁腹板螺栓群进行仿真分析及计算，验证各螺栓受力满足要求，并确定受力不合理螺栓。

1 变跨度架桥机有限元分析

1.1 箱型主梁结构分析

文中架桥机主梁为箱型双主梁结构[5]，如图1所示。

架桥机变跨前主梁结构及其横截面分别如图1(a)、图1(b)所示。主梁上、下部分别采用钢板焊接，并通过螺栓连接。横梁通过法兰连接，并采用螺栓与主梁连接，以便于拆卸。架桥机变跨后的横截面如图1(c)所示，其主梁上、下部分采用增强腹板及螺栓群进行连接，以提升主梁高度，增加其强度及刚度。

1.2 工况分析

针对架桥机工况，选取主梁承载情况最差的3个工况分析，文中以20 m跨度为例展开研究[6]。

(1)工况1：纵移悬臂过孔工况，如图2所示。

(2)工况2：后天车起吊梁片，前天车位于前、中支腿中部工况，如图3所示。

(3)工况3：边梁架设工况，如图4所示。

1.3 有限元建模

架桥机主梁为钢板焊接的箱型结构，对此文中通过有限元分析软件ANSYS中的Shell181板壳单元进行建模[7]。螺栓受力计算中，在各螺栓点设定节点，采用节点耦合技术在ANSYS中模拟螺栓连接。架设20 m、30 m跨度时，分别划分板壳单元17147个、30223个；分别设定节点16873个、29895个，文中所构建有限元模型如图5所示。

2 螺栓群受力分析

2.1 承载力计算

高强度摩擦型螺栓连接具有施工方便、焊接形变对装配影响小、整体性好的特点[8]。文中主梁上、下部分对齐后，采用该螺栓对腹板区进行连接。高强度摩擦型螺栓受力情况如图6所示，参数如表1所示。

表1 高强度摩擦型螺栓参数

由螺栓参数可知，单螺栓许用承载力为：

[f]=μF/n=6.8×104N

2.2 有限元分析

采用ANSYS软件，分别建立20 m、30 m跨时主梁有限元分析模型，并分别选取3种最不利工况对主梁的刚度及强度进行分析。

文中以30 m跨为例进行分析，主梁在3种工况中的拼接腹板区螺栓受力情况如图7～图9所示。

(1)工况1

由图7可知，主梁中支腿处螺栓受力最大，该处主梁上、下部分螺栓受力如图10所示，受力值如表2所示，主梁内侧及主梁外侧螺栓的受力情况一致。

表2 中支腿处主梁上、下部螺栓受力值

由图10可知，中支腿处主梁上部螺栓受力最大点为第二列、第八列，下部螺栓受力最大点为第三列。由表2可知，主梁上、下部螺栓受力最大值为3.2×104N，未高于许用力[f]，由此可知悬臂工况下，螺栓受力满足要求。

(2)工况2

由图8可知，工况2下螺栓最大受力点为主梁中支腿及后支腿处。中支腿处主梁上、下部螺栓受力情况如图11所示，受力值如表3所示；后支腿处主梁上、下部螺栓受力情况如图12所示，受力值如表4所示。主梁内侧及主梁外侧螺栓的受力情况一致。

表3 中支腿处主梁上、下部螺栓受力值

表4 后支腿处主梁上、下部螺栓受力值

由表3、表4可知，中支腿及后支腿处的螺栓受力值为4.8×104N，未高于许用力[f]。前天车位于前、中支腿间，前后天车吊起梁片时螺栓受力情况满足要求。

(3)工况3

由图9可知，工况3下螺栓最大受力点为主梁前支腿、中支腿处，此时前支腿处主梁上、下部螺栓受力情况如图13所示，受力值如表5所示；中支腿处主梁上、下部螺栓受力情况如图14所示，受力值如表6所示。

表5 前支腿处主梁上、下部螺栓受力值

表6 中支腿处主梁上、下部螺栓受力值

由表5、表6可知，螺栓最大受力值为3.9×104N，不高于许用力[f]，因此边架梁工况下，螺栓受力满足工况需求。

3 总结

1)为增强架桥机主梁的强度及刚度，采用螺栓群完成主梁腹板的连接。通过ANSYS有限元分析软件分别对20 m、30 m跨主梁的刚度及强度进行仿真分析，由分析结果可知文中架桥机满足刚度及强度需求。

2)针对20 m、30 m跨主梁腹板螺栓群在3种最不利工况下的受力情况，采用ANSYS进行分析计算，由计算结果可知螺栓群受力情况满足使用需求。本文研究为其他箱型主梁架桥机的螺栓连接受力分析提供了借鉴。