吊车梁承载力验算静力与动力方法对比分析.pdf

第 54 卷第 20 期 2023 年 10 月Vol.54 No.20 Oct.20232509 建 筑 技 术 Architecture Technology吊车梁承载力验算静力与动力方法对比分析赵 鹏1，孔德祥2，李 健1（1.中冶建筑研究总院有限公司，100089，北京；2.交科院公路工程科技（北京）有限公司，100010，北京）摘要：虽然钢结构吊车梁具有成熟的设计理论，但对于吊车梁形式非常规或荷载比较复杂的情况，传统的设计方法很难适用。基于工程检测实例，利用 ABAQUS 软件中静力通用与动力隐式两种算法分别对已有吊车梁进行验算。结果表明：动力隐式算法计算结果可靠，略保守；动力隐式算法能反映结构全过程的动态受力情况，更加适合复杂情况的结构计算；动力隐式算法能体现结构局部屈曲的发展变化情况；动力隐式算法准静态分析的时间不是真实时间，改变时间对结果影响不大。关键词：钢结构；吊车梁；动力隐式算法；静力通用算法；数值计算中图分类号：TU 391 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)20-2509-04COMPARATIVE ANALYSIS OF STATIC AND DYNAMIC METHODS FOR CHECKING THE BEARING CAPACITY OF CRANE BEAMSZHAO Peng1,KONG De-xiang2,LI Jian1(1.Central Research Institute of Building and Construction,MCC Group Co.,Ltd.,100089,Beijing,China;2.Academy of Transportation Sciences Highway Engineering Technology(Beijing)Co.,Ltd.,100010,Beijing,China)Abstract:Although the steel crane beam has mature design theory,the traditional design method is difficult to apply when the crane beam is unconventional or the load situation is more complex.Based on an engineering inspection example,the static general and dynamic implicit algorithm in ABAQUS software a were used to check the existing crane beams.The results show that:the calculation result of the dynamic implicit is reliable and slightly conservative compared with that of the static general algorithm;the dynamic implicit algorithm can reflect the dynamic situation of the whole process of the structure,and is more suitable for the structural calculation of complex cases,the dynamic implicit method can reflect the development of local buckling of structures,the time of quasi-static analysis of dynamic implicit method is not the real time,and the change of time has little effect on the results.Keywords:steel structure;crane beam;dynamic implicit algorithm;static general algorithm;numerical calculation当前厂房中钢结构吊车梁的设计已经具有非常成熟的理论基础1。通过机器和人工复核，可以设计出满足工程应用的吊车梁结构。现有工程设计软件可以建立吊车梁的整体梁单元模型，利用影响线找到最不利位置，进行整体分析2；局部分析可以提取吊车梁的局部，建立局部实体单元或壳单元模型，将整体分析的内力数据加载到局部模型中，验算吊车梁的局部受力情况；或直接建立吊车梁实体模型，可同时计算整体与局部的荷载效应34。但当吊车梁形式非常规或荷载比较复杂时，利用影响线较难确定荷载的最不利位置，且若想分析结构的局部受力情况，常规方法不再适用。本研究以工程检测鉴定为背景，利用ABAQUS 软件中静力通用与动力隐式两种算法分别对已有吊车梁进行验算，验证动力方法在吊车梁验算中的实用性与可行性。1 工程概况项目可靠性鉴定对象为新三跨（一、二、三跨）厂房，新三跨厂房于 20 世纪 70 年代初建成投产。其特点是厂房面积大，新三跨横向与纵向长度分别为96 m 与 168 m；厂房高，吊车梁轨道标高 28.000 m；高一、二跨的跨度为 36 m，高三跨跨度为 24 m，此三跨每跨厂房各有 2 台 A5 级 75/20 t 桥式起重机。吊车梁中部横向加劲肋间距为 2 m，梁端横向加劲肋间距为 1.5 m，纵向加劲肋通长设置，与上翼缘间距为1 m。吊车梁上翼缘设置轨道，起重机轮可在轨道上滚动。2 分析计算为研究吊车梁整体受力情况，采用 ABAQUS 建立吊车梁有限元实体单元模型，单元选用 C3D8R，收稿日期：20230711作者简介：赵鹏（1990），男，辽宁鞍山人，工程师，硕士，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 20 期2510如图1所示，本次计算选取24 m跨度吊车梁进行验算。吊车梁截面为焊接 H 型钢，截面尺寸为 H3 572 mm 740 mm18 mm25 mm，材料为 16 Mn 钢，材料参数见表 1。1点2点3点4点5点6点7点图 1 24 m 跨度吊车梁有限元模型表 1 材料参数密度/（kg/m3）弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa7 850206 0000.3295梁两端翼缘底部设置固定约束，梁顶面与钢轨简化为绑定约束。由于梁平面外侧有辅助桁架与吊车梁横向加劲肋相连，限制了吊车梁的平面外位移，因此在横向加劲肋相应位置设置梁的平面外约束。根据设计资料与现场测量，最大轮压为 37 t，轮距为 7 m，两台起重机最小间距为 2 m，每台起重机一侧有 4 个轮，两两一对，车轮直径为 0.8 m。依据GB 500092012建筑结构荷载规范5，计算时分别考虑起重机竖向荷载和小车横向刹车荷载，荷载取值见表 2，可变荷载分项系数取 1.4。轨道梁表面与车轮表面摩擦系数取 0.2。表 2 荷载取值 kN车轮竖向荷载标准值车轮竖向荷载设计值小车横向刹车荷载标准值小车横向刹车荷载设计值3895446.39采用 ABAQUS 中的静力通用算法与动力隐式算法准静态分析分别建立吊车梁计算模型。静力通用算法根据影响线将起重机布置在最不利位置处，施加表2 中的荷载，如图 2 所示（其中 d 为起重机最外侧车轮中心与吊车梁边的距离）；动力隐式算法使起重机车轮沿轨道从梁的一边滚动至另一边，滚动时间设置为 9 s，施加表 2 中的荷载，如图 3 所示。3 结果对比与分析3.1 吊车梁挠度计算对比提取静力通用算法中吊车梁跨中梁底 7 个点的挠d=3.065 m24 m（a）d=7.13 m24 m（b）图 2 静力通用算法影响线（a）最大弯矩（最大挠度）影响线；（b）最大剪力影响线d24 m前进方向图 3 动力隐式算法车轮滚动示意度值，见表3，最大值为10.03 mm，最大挠度值位于跨中中点处，此时d=3.065 m（图2）；选取梁跨中 7个点（图1），提取动力隐式算法中吊车梁梁底挠度与d的关系曲线（图4）。表 3 吊车梁跨中梁底 7 个点的挠度 mm点挠度19.0829.5639.95410.03510.0169.6779.231 点挠度02468103 4 5 6 7挠度/md/m2 点挠度3 点挠度4 点挠度5 点挠度6 点挠度7 点挠度图 4 动力隐式算法梁底各点挠度与 d 的关系由图 4 可知，吊车梁最大挠度发生在 4 点，位于跨中中点，d=2.889 m 处，此时最大挠度为 10.64 mm。动力隐式算法的最大挠度比静力通用算法大 6.1%；由于静力通用算法是利用影响线且将结构简化为简支2023 年 10 月2511赵鹏，等：吊车梁承载力验算静力与动力方法对比分析梁确定 d 值的，而动力隐式算法真实体现吊车梁运动全过程的结构响应，因此动力隐式算法的 d 值与静力通用算法有所差距。两种算法计算的跨中挠度值均小于 GB 500172017钢结构设计标准6中规定限值 24 mm，满足要求。3.2 吊车梁强度计算对比提取静力通用算法中吊车梁跨中位置处等效应力最大值 max，中=72.79 MPa，d=3.065 m；支座处剪应力最大值 max=140.0 MPa，d=7.13 m；支座处等效应力最大值 max，支座=295.0 MPa，d=7.13 m。提取动力隐式算法中吊车梁跨中梁底 7 个点的等效应力与 d 的关系曲线（图 5），最大等效应力为78.26 MPa，当 d=2.616 m 时位于跨中附近第 5 点；提取动力隐式算法中支座位置腹板处最大剪应力与 d 的关系曲线（图 6），此时 max=140.0 MPa，d=7.073 m；提取动力隐式算法中支座位置腹板处最大等效应力 max，支座=295.0 MPa，此时 d=7.073 m（图 6）。1 点等效应力2 点等效应力3 点等效应力4 点等效应力5 点等效应力6 点等效应力7 点等效应力3 4 5 6 7806040200等效应力/MPad/m图 5 动力隐式算法梁底各点等效应力与 d 的关系3002502001501005003 4 5 6 7d/m等效应力应力/MPa图 6 动力隐式算法支座腹板应力与 d 的关系对比可知，动力隐式算法计算结果较静力通用算法计算结果略保守，两者相差不大。3.3 起重机局部屈曲计算对比静力通用与动力隐式算法均出现支座处梁下翼缘屈曲、支座处支承加劲肋拨浪鼓曲现象。当施加竖向荷载后，支座处梁下翼缘开始出现屈曲，此时与静力通用算法结果一致；随着车轮的滚动，车轮从一端支座滚至另一端支座位置时，其下支承加劲肋逐渐出现屈曲现象。动力隐式算法更能反映结构在全过程的局部屈曲变化情况。3.4 动力隐式算法时间对结果的影响为研究动力隐式算法准静态分析中时间对结果的影响，将强度计算模型时间由 9 s（车轮滚动速度为0.833 m/s）改为 1 s（车轮滚动速度为 7.5 m/s），重新计算，提取吊车梁跨中梁底 7 个点的等效应力与 d 的关系曲线（图 7）。对比图 5 与图 7 发现，提高车轮运动速度后，最大等效应力为 80.8 MPa，当 d=2.6 m时位于跨中附近的 5 点；1、2、4、6、7 点的应力随d 变化与原模型结果基本一致；提高车轮运动速度后，3 点与 5 点的应力值均大于原模型计算值，其中 3 点应力比原模型差距最大的位置（d=5.62 m）大 8.32%，5 点应力比原模型差距最大的位置（d=3.975 m）大4.8%。因此，与静力通用算法分析中的时间类似，动力隐式算法中准静态分析的时间不是真实时间，改变时间对结果影响不大。1 点等效应力2 点等效应力3 点等效应力4 点等效应力5 点等效应力6 点等效应力7 点等效应力3 4 5 6 7806040200等效应力/MPad/m图 7 动力隐式算法梁底各点等效应力与 d 的关系（改变时间）4 结论（1）动力隐式算法计算结果可靠，较静力通用算法计算结果略保守。（2）动力隐式算法能反映结构全过程的动态受力情况，更加适合复杂情况的结构计算。（3）动力隐式算法能体现结构局部屈曲的发展变化情况。（4）动力隐式算法准静态分析的时间不是真实时间，改变时间对结果影响不大。建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 20 期 2023 年 10 月Vol.54 No.20 Oct.20232512参考文献1 但泽义.钢结构设计手册 M.北京:中国建筑工业出版社,2019.2 王鹏鑫.动态荷载作用下钢吊车梁的受力机理研究 D.内蒙古:内蒙古科技大学,2015.3 李鹏鲲.基于 Abaqus 的变截面吊车梁模拟验算及加固 J.兰州工业学院学报,2021,28(3):611.4 陈炯,路志浩,徐峰,等.变截面吊车梁圆弧式和直角式突变支座的受力性能分析 J.结构工程师,2010,26(1):2227.5 建筑结构荷载规范:GB 500092012S.6 钢结构设计标准:GB 500172017S.风化软岩地层中盾构切刀切削特性模拟研究卢洪强，牟 晶，符小林，李志超（中铁十八局集团市政工程有限公司，300000，天津）摘要：结合福州地铁 5 号线下穿福厦高铁段风化软岩的力学特性，采用 DruckerPrager 本构模型模拟风化软岩的本构关系，并通过建立切刀切削风化软岩的三维有限元模型，从水平切削力、失效单元体积和比能 3 个方面，对切刀在不同切削深度、切削速度及切刀前角条件下的风化软岩切削效果进行参数化模拟研 究。研究结果表明：切刀切削风化软岩过程由一系列剪切破坏组成，切削力以一定均值上下波动，增大切削深度时，切削力与失效单元体积均增大，比能减小，对破岩效果影响较大；增大切刀前角时，切削力与比能均减小，失效单元体积变化不大；改变切削速度对切削力与比能影响较大，失效单元体积基本无变化。盾构切刀在切削深度为 20 mm、切刀前角为 20、切削速度为 800 mm/s 时切削效果最佳，为该类地层切刀破岩最优设计。关键词：盾构；切刀；风化软岩；切削力；失效单元体积；比能中图分类号：U 455.31 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)20-2512-07SIMULATION STUDY ON CUTTING CHARACTERISTICS OF SHIELD CUTTER IN WEATHERED SOFT ROCK STRATUMLU Hong-qiang,MOU Jing,FU Xiao-lin,LI Zhi-chao(China Railway 18th Bureau Group Municipal Engineering Co.,Ltd.,300000,Tianjin,China)Abstract:Combining the mechanical characteristics of weathered soft rock of Fuzhou Metro Line 5 passes under Fuzhou-Xiamen high-speed railway section.Drucker-Prager constitutive model was used to simulate the constitutive relationship of weathered soft rocks,and a 3D finite element model was established for cutting weathered soft rocks with a cutter.The cutting effect of the cutter on weathered soft rocks under different cutting depth,cutting speed and front angle of the cutter was studied by parameterization.The results of the study show that the cutting process of weathered soft rock consists of a series of shear failures.Cutting forces fluctuate up and down with a certain mean.With the increase of cutting depth,the cutting force and the volume of failure element both increase and the specific energy decreases,which has a great influence on the rock breaking effect.Increasing the front angle of the cutter,cutting force and specific energy are reduced,the volume of the failure element does not change significantly.Changing the cutting speed has a large effect on the cutting force and specific energy,and the volume of the failure element is basically unchanged.When the cutting depth of the shield cutter is 20 mm,the cutting angle is 20 and the cutting speed is 800 mm/s,the cutting effect is the best,which is the optimal design of the shield cutter.Keywords:shield;cutter;weathered soft rocks;cutting force;failure unit volume;specific energy近年来，随着我国城市化发展的快速推进，轨道交通作为缓解城市交通压力及利用地下交通发展空间的措施之一快速发展。盾构施工由于施工周期短、自动化程度高、安全性能好等优点1，已经在轨道交通建设中被广泛应用。盾构机刀盘上的各类刀具随刀盘转动进行破岩，因此，刀具破岩效果直接决定盾构机的掘进效率。针对软粘土、细砂、软岩等地质类型,收稿日期：20230726作者简介：卢洪强（1981），男，山东冠县人，高级工程师，e-mail:.