GYLQ260_50型架桥机主梁动力与模态分析_刘海山.pdf

建设科技 107交 流 平 台各种型号大型架桥机设备广泛应用于我国桥梁建设工程，对提升桥梁建设施工效率有关键作用，减少了工人强度，加速了桥梁上部结构工厂预制化进程，降低了施工对环境扰动程度。主梁作为架桥机主要结构部件之一，在预制结构吊装施工时承担了主要的吊装荷载，主梁的力学性能是决定架桥机施工效率和质量的直接因素。孙振军1等人提出了一种步履式双导梁架桥机，详细阐述了其结构组成及相关参数，开展不同工况下主梁结构的静力学特性和模态分析。杜航2等人基于ANSYS有限元软件分析风荷载作用下JQ900A型架桥GYLQ260/50 型架桥机主梁动力与模态分析刘海山（中铁十七局集团城市建设有限公司，贵阳 550025）摘要 南中高速TJ08合同段桥梁占比100%，GYLQ260/50型架桥机是中小跨径预制箱梁和T梁快速吊装的重要机械设备。架桥机主梁作为施工吊装时的主要承载结构，研究其力学性能对吊装施工过程中结构的可靠性和稳定性具有重要意义。本文基于动力学理论和ABAQUS数值软件开展了GYLQ260/50型架桥机主梁结构的动力学性能理论计算及数值模拟研究，给出主梁结构的动力响应表达式，分析主梁结构的固有频率及对应的模态振型，阐述了架桥机的组装施工步骤，对指导中小跨径预制箱梁和T梁的安全高效施工具有重要参考意义。关键词 架桥机；动力分析；数值模拟；固有频率；模态分析Research on Mechanical Properties and Numerical Simulation of GYLQ260/50 Bridge Erecting Machine GirderLiu Haishan(Urban Construction Co.,Ltd.,China Railway 17th Bureau Group,Guiyang,550025)Abstract:The bridge of TJ08 contract section of Nanzhong Expressway accounts for 100%,and GYLQ260/50 bridge erecting machine is an important mechanical equipment for rapid hoisting of small and medium span precast box girder and T beam.The main girder of the bridge erecting machine is the main bearing structure during construction and hoisting,which is of great significance to study its mechanical properties for the reliability and stability of the structure during hoisting construction.Based on the dynamic theory and ABAQUS numerical software,the theoretical calculation and numerical simulation of the dynamic performance of the main girder structure of GYLQ260/50 bridge erecting machine are carried out in this paper.The dynamic response expression of the main girder structure is given,the natural frequency of the main girder structure and the corresponding modal shape are analyzed,and the assembly construction steps of the bridge erecting machine are expounded,which has important reference for guiding the safe and efficient construction of small and medium span precast box girder and T beam.Keywords:bridge erecting machine,dynamic analysis,numerical simulation,natural frequency,modal analysis机的瞬态动力响应，研究危险工况下架桥机结构的力学特性。陈士通3,4等人采用虚功原理和架桥机主梁挠度影响线的计算结果，提出了识别存在高程差架桥机主梁结构损伤的办法，为准确的量化结构损伤程度提供了理论方法。徐格宁5等人提出了一种可实现运架一体化的新型架桥机，并通过理论计算和数值模拟方法分析了其主梁结构的静力学特性。架桥机主梁结构的损伤识别及力学特性研究作为工程领域大型机械设备的研究热点。本文开展了GYLQ260/50型架桥机主梁结构的力学特性与模态分析，保证了其施工作业时的安全可靠性。DOI:10.16116/ki.jskj.2023.07.028108 建设科技交流平台1 工程背景南中高速作为连接南沙区南部和中山市东北部的重要路线，为粤港澳大湾区重大交通基础设施项目。桥梁施工段为南中高速的TJ08标段，起讫里程WK2+956.5WK10+835.738，路线里程7.8792km，设计速度为100km/h，桥梁比例100%。桥梁共计14座，主线桥梁7座共5.15km，匝道桥7座共2.35km。上部结构为20m、25m、30m、40m预制小箱梁桥、50m预制T梁桥，预制结构减少了现场浇筑混凝土的工程量，有利于缩短施工周期。预制梁的跨径尺寸较多，架桥机选用1台40米，额定起重量为200t（40m箱梁边梁最大重量164.1t），主要用于40m及以下预制箱梁安装；由于十八涌大桥涉及两跨50米T梁架设，故选用1台50米，额定起重量260t（50米T梁边梁最大重量184.1t）。架桥机型号为GYLQ260t-50m、JQ40m-200t，安拆数量为2台。其中200t/40m架桥机1台，260t/50m架桥机1台。2 动力学分析采用有限元软件分析结构动力响应问题时先对连续结构离散化，再进行结构整体分析。（1）结构离散化将架桥机主梁结构离散化为有限个梁单元，梁单元两端的节点位移用(t)表示，节点位移一阶导数为速度，二阶导数为加速度。基于数值分析中的插值方法，单元内部的位移、速度和加速度可用节点的表示，即：f(t)N(t)f(t)N (t)f(t)N (t)(1)式(1)中，N与静力分析中的意义相同，代表梁单元的形函数。通过几何方程可得到节点位移和单元的应变关系为：(t)B(t)(2)式(2)中，B与静力分析中的意义相同表示单元的应变矩阵。由本构方程得到节点位移和单元应力关系为：(t)DB(t)(3)式(3)中D表示弹性矩阵。结合式(1)和(2)得到节点位移和节点应力的关系:F(t)BTDBdxdy ()(t)(4)（2）整体分析基于达朗贝尔理论得出架桥机主梁结构的刚度方程，K为总体刚度矩阵，P为动力荷载。K(t)P(t)(5)根据虚功理论计算方法，获得梁单元内部的等效节点阻尼力，由整体刚度矩阵方程转化推导得到动力学有限元模拟的基本方程，M为架桥机主梁结构的质量矩阵，C代表阻尼矩阵。M (t)+C(t)+K(t)=P(t)(6)（2）模态分析主梁结构的的运动方程可用下式表达：M (t)+C(t)+K(t)=F(t)(7)实际工程中架桥机主梁结构的阻尼对自振特性的影响基本可以忽略不计，即可得到没有外荷载作用情况下架桥机主梁无阻尼的振动方程。M (t)+K(t)=0 (8)架桥机主梁结构的振动振型可以分解为简谐运动的叠加，即节点位移可用正弦函数表示。(t)sinwt (9)将式(9)带入(8)中可得到求解固有频率的方程，并将方程矩阵化后得到对应振型求解方法。3 有限元分析3.1 建立几何模型本文基于ABAQUS建立了架桥机主梁结构的几何模型，按照原尺寸建立的几何模型可以保证结果的可靠性和准确性。为了更真实的反应主梁结构的实际情况，除了考虑模型几何尺寸，还应包含结构的组成形式、材料的力学性质等约束条件等。3.2 结果分析表1 前8阶固有频率工况阶数固有频率/Hz吊装施工1176.622218.883589.894833.165875.806943.2371289.481638.20建设科技 109交 流 平 台(a)1阶模态(b)3阶模态(c)4阶模态(d)5阶模态图2 模态振型图(1)固有频率。采用结构动力学振动理论分析架桥机可知，主梁结构发生振动时，高阶模态和固有频率对应的振型对主梁的振动响应影响较小，结构振动时高阶模态很快消退，低阶模态在振动时保持时间长，其起主要作用。分析吊装预制箱梁和T梁时架桥机主梁模态，选择架桥机主梁结构的前8阶模态结果开展研究，其对应的固有频率见表1。根据表1中可以观察到从1到8阶变化过程中，其固有频率变化趋势，1和2阶比较相近，2阶到3阶变化幅度最大，3阶和6阶变化较为缓慢，6阶到8阶变化幅度增大，变化规律见图1。图1 固有频率变化规律(2)模态分析。进行架桥机主梁结构模态分析时，每阶固有频率都会得到对应的有限元模型的模态振型。通过模态振型可以明显地观察到主梁结构最容易损伤的位置。在此给出了架桥机吊装施工时主梁的前8阶模态阵型，由于图片太多，舍去与工程破坏不相符的模态阶数，见图2所示。通过图2中给出且能代表实际工程意义的图，可以显著的观察到主梁结构容易损伤的位置和损伤程度，即模态振型对评估主梁结构的损伤具有重要参考意义。4 结语GYLQ260/50型架桥机是中小跨径预制箱梁和T梁快速吊装的重要机械设备，架桥机主梁作为施工吊装时的主要承载结构。本文基于结构动力学理论，给出主梁吊装施工时振动计算方法，可以有效计算外荷载作用下主梁的强度和刚度是否满足设计要求。通过有限元方法分析了主梁吊装施工时主梁结构的前8阶模态及对应的固有频率，得出了其变化规律，并给出了与工程实际相符合的模态振型图，可以有效的评判主梁结构的损伤位置及损伤深度。参考文献1孙 振 军,侯 杰,崔 国 华 等.JQS35-220t步 履式双导梁架桥机主梁静态特性与模态分析J.机械设计,2021,38(04):95-101.2杜 航,程 毅,巫 世 晶 等.风 载 作 用 下JQ900A型架桥机结构动态响应特性研究J.机械科学与技术,2021,40(06):934-940.3陈士通,程泳,许宏伟等.考虑作业工况的架桥机主梁损伤识别研究J.中国铁道科学,2019,40(03):44-53.4程 泳,陈 士 通,刘 明 伟.考 虑 支 点 高 差 的 架桥机主梁结构损伤识别方法J.筑路机械与施工机械化,2017,34(08):119-123.5徐格宁,焦国敏,顾红泽等.新型运架一体式架桥机主梁静态分析J.中国工程机械学报,2018,16(04):288-292.C