MSS50移动模架吊挂系统有限元分析.pdf

设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&AnalysisMSS50移动模架吊挂系统有限元分析蔡思文，王斌华，秘嘉川（1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安7 10 0 6 4；2.山东恒机械有限公司，山东济南2 50 0 14)摘要：利用ANSYS有限元分析软件，分别建立移动模架吊挂系统合模和开模工况下的有限元模型，研究吊挂系统在静载和过孔工况下的应力分布和变形情况，为确保其在施工状态下结构的安全可靠性，需校核移动模架吊挂系统最大受力工况下的结构强度、刚度及屈曲稳定性。有限元分析结果表明：移动模架吊挂系统满足强度、刚度及屈曲稳定性要求，研究成果可为移动模架的设计与安全施工提供参考。关键词：移动模架吊挂系统力学性能有限元分析中图分类号：TH134;U445Abstract:Using ANSYS finite element analysis software,the finite element models of the mobile formwork suspension systemunder mode closing and mode opening conditions were established to study the stress distribution and deformation of the sus-pension system under static load and through-hole conditions,so as to ensure the safety and reliability of the structure duringoperation.The structural strength,rigidity and buckling stability of the mobile formwork suspension system under the maxi-mum stress condition were checked.The finite element analysis results show that the mobile formwork suspension systemmeets the requirements for strength,rigidity and buckling stability.The research results can provide reference for subsequentdesign and safe operation of mobile formworks.Keywords:mobile formwork,suspension system,mechanical property,finite element analysis0引言移动模架造桥机是一种利用墩柱或承台为支承，逐跨完成混凝土箱梁浇筑的专业制梁平台设备，具有机械化程度高、跨越能力强、施工周期短、不影响桥下交通等特点。移动模架造桥机易于控制浇筑工况下混凝土箱梁的线性变形，保障了施工过程的质量和安全性，因而在公路、铁路及城市高架桥建设中得到了广泛应用2 。移动模架造桥机属于大型非标设备，对其结构的安全性要求高3。目前有很多关于移动模架施工安全的分析研究，但由于其结构庞大,施工状态下整体受力较为复杂，移动模架造桥机发生事故的情况也时有发生4-6 。因此,有必要在投入使用前对文献标识码：AFinite element analysis of MSS50 mobile formwork suspension systemCAI Siwen,WANG Binhua,MI Jiachuan文章编号：10 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0 1-0 0 7 9-0 4移动模架造桥机进行强度、刚度及稳定性分析，以确保施工质量和人员安全。1移动模架吊挂系统组成及作用MSS50上行式移动模架结构形式如图1所示，主要包括主梁系统、吊挂系统、模板系统、液压系统及移位调整系统五大部分，其中，吊挂系统主要由上横梁、下挂梁、横移机构及锁定机构等结构组成。在移动模架合模浇筑工况下（图2（a），混凝土梁,内、外模板以及风压、人群、振捣力和机具自重等载荷通过下挂梁和吊杆传递至上横梁，再由主梁通过支腿传递到已制成箱梁和桥墩墩顶。在开模过孔工况下（图2（b)），移动模架下落开模，下挂梁支撑外模板，上横梁上的横移机构带动下挂梁及外模.79现代检械IMaden MachineryIXiandai Jixie板横向开启到指定位置，使其可以通过桥墩并纵移过孔至下一施工位。由上横梁和下挂梁等结构组成的吊挂系统不仅是在移动模架合模浇筑工况下将混凝土载荷传递至主梁的重要传力系统，也是在开模过孔工况下支撑外模板过孔行走的关键撑持系统。因此，有必要对移动模架吊挂系统进行有限元仿真分析,以校核其结构是否满足强度、刚度及稳定性要求。主梁模架前进方向中支腿后支腿挂梁图1上行式移动模架纵向视图上横梁滑座上横梁挂梁门Y模架主要是钢板焊接组成的箱梁结构，有限元模型中的上横梁、下挂梁、上横梁滑座及精轧螺纹吊梁采用板壳单元SHELL181模拟，能够保证有限元分析结果的精确性及可靠性。油缸、螺旋顶旋杆及吊杆采用梁单元BEAM188模拟，连接上横梁与下挂梁的销轴采用实体单元SOLID185进行模拟。移动模架吊挂系统合模工况有限元模型如图3（a)所示，共划分板壳单元1158 8 4个，梁单元9 8 2个，实体单元17 9 4个。吊挂系统开模工况有限元模鼻梁型如图3（b）所示，共划分板壳单元11458 9 个，梁单前支腿一元6 2 个，实体单元156 0 个。挂梁2挂梁3（a）移动模架合模工况示意图上横梁滑座上横梁厂挂梁1挂梁2挂梁3挂梁4.1（b）移动模架开模工况示意图图2 上行式移动模架结构示意图2移动模架吊挂系统有限元模型建立2.1ANSYS有限元模型建立如图2 所示，为了方便运输和安装，移动模架的下挂梁一般会采取分段处理，安装时采用高强螺栓进行连接,挂梁各部分连接处不发生相对滑动,在有限元模型建立时可将其整体建模，实现模型简化。该移动模架吊挂系统的主要构件包括上横梁、下挂梁、上横梁滑座、吊杆及精轧螺纹吊梁等。由于移动80吊杆挂梁4.1挂梁4.2（a）移动模架合模工况吊挂系统有限元模型图3移动模架吊挂系统有限元模型2.2载荷施加形式移动模架施工阶段桥梁首跨、标准跨及尾跨的挂梁横移方向跨度不同，混凝土箱梁也是变截面结构,应当选取吊挂系统承载最大工况进行有限元分析。该上行式移动模架选取标准跨50.55m混凝土箱梁浇筑时纵桥向第10 根下挂梁为分析对象，进行吊挂系统合模和开模工况下的强度、刚度及稳定性分析。挂梁4.2吊挂系统有限元模型自重可通过ANSYS软件自动计算，合模浇筑工况下，钢筋混凝土箱梁，内、外模板以及风压、人群、振捣力和机具自重等以外载荷的形式施加到有限元模型上。由于混凝土浇筑时为流体,会对外模板侧模产生侧向压力并通过撑杆传递到下挂梁,因此以梯度载荷的形式模拟流态混凝土对外模板侧模压力并等效为横向和竖向载荷,以集中载荷的形式施加到有限元模型上，外模板底模与下挂梁接触位置的受力以均布载荷形式施加到有限元模型上7 ,如图3所示。2.3约束条件该移动模架主梁通过横梁螺旋顶支撑着上横梁,且螺旋顶与主梁和上横梁接触位置都采用螺栓（b）移动模架开模工况吊挂系统有限元模型设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis连接。有限元模型中在对应位置可采用板壳单元建移动模架吊挂系统主要采用材料为Q355B的立横梁螺旋顶模型，有限元模型中螺旋顶顶面与上钢板焊接而成,其材料许用应力为：=2 35M P a，横梁连接面对应的所有节点进行耦合，螺旋顶底座故吊挂系统满足合模工况强度要求。在桥梁混凝土进行位移和转动自由度的全约束（UX、U Y、U Z、箱梁浇筑过程中,移动模架吊挂系统对最危险工况ROTX、R O T Y、R O T Z）,约束条件下的有限元模型如下的强度限制有其要求,对浇筑工况下的最大竖向图3所示。变形量也有严格的限制。工程项目一般要求对混凝土浇筑工况下的横梁挠跨比小于1/40 0，即吊挂系3有限元计算结果统受载时其挠度容许值应小于L/400=59mm。如3.1F吊挂系统合模工况强度与刚度计算移动模架校核普遍采用许用应力法进行强度计算8-10 ,因其主要为塑性材料,应力计算公式为：0o-Sn式中:为计算应力；为许用应力;为材料屈服极限；n为安全系数。移动模架合模工况吊挂系统有限元模型VonMises应力云图见图4,模型最大应力为：0 max=204MPa,位于上横梁与右侧横梁螺旋顶接触位置的内侧筋板。吊挂系统模型最大竖向变形为：UY=33.922mm，位于下挂梁最底端中部,竖向变形云图见图5。NODALBOLUTIONBUB=18TEP-1三2TME-1(AVG)K=.03390B0 x,2042+0992-07.2192-07.226E+08图4合模工况VonMises应力云图NODALSOLUTTONSTEP-TIME=1UY=.033.033922=.004625图5所示，合模浇筑工况下吊挂系统最大竖向变形为33.9 2 2 mm，故吊挂系统最大竖向变形满足合模工况刚度要求。吊挂系统包含结构较多,限于篇幅不再逐一展示,其有限元模型各结构的最大应力和变形如表1所示。表1合模工况各结构最大应力及变形结构最大应力/MPa上横梁204下挂梁184上横梁滑座102吊梁1180吊梁2163挂梁销轴1613.2吊挂系统开模工况强度与刚度计算移动模架开模工况吊挂系统有限元模型Von-Mises应力云图见图6,模型最大应力为：0 max=197MPa,位于上横梁与左侧横梁螺旋顶接触位置的外侧腹板。吊挂系统开模工况最大竖向变形为：UY=453E+08.6798+06905E+08.113E+09.136E+0.1582+09.181E+09.2042+09最大变形/mm28.38533.92210.9714.8052.3868.53155.03mm，位于下挂梁最底端，竖向变形云图见图7。计算结果表明吊挂系统在开模工况下满足结构强度和刚度的要求。NODALBOLURTONTIME-1(AvG)80 x.197DHX054398+08-6568-00-872-00.033922.025356029639.021073图5合模工况竖向变形云图.342E-0301679.012507.2198+08008224003941.1108+09132E+09004625.1548+09图6 开模工况VonMises应力云图175E+09-.1978+0981现代极械IModern MachineryXiandai JixieNODALDOLURIONDNX-056206-.055图7 开模工况竖向变形云图移动模架开模工况下吊挂系统各结构的最大应力和变形如表2 所示。表2开模工况各结构最大应力及变形结构最大应力/MPa上横梁197下挂梁134上横梁滑座36.7挂梁销轴1133.3吊挂系统稳定性计算移动模架的吊挂系统主要由钢板焊接而成，当应力接近临界值时，上横梁及下挂梁容易出现垂直于中面的变形,在静力荷载作用下会有失稳的风险，因此有必要对其结构进行稳定性分析,即计算结构失稳情况下的临界载荷。可以采用ANSYS软件自带的屈曲稳定性计算模块进行移动模架吊挂系统的稳定性计算。如图8(a)所示,移动模架吊挂系统合模工况一阶失稳变形发生在下挂梁底端的右侧腹板位置，一阶屈曲特征值为7.37 8 1.5，故合模工况下吊挂系统满足稳定性要求。开模工况下一阶失稳发生在上横梁右侧腹板位置，一阶屈曲特征值为11.0 11,满足开模工况稳定性要求,如图8(b)所示。7.377504结语1)通过ANSYS软件建立移动模架吊挂系统合模和开模工况下的有限元模型，分析其在不同工况下的应力分布及变形，计算结果表明移动模架吊挂系统满足强度和刚度的要求。2)对移动模架吊挂系统两种工况进行了屈曲048664042298-.035932-029566.010460.004101.002265最大变形/mm22.75355.0317.28512.357稳定性分析，得到吊挂系统不同工况下最先发生失稳的位置，由一阶屈曲特征值表明移动模架吊挂系统满足结构稳定性要求。3)利用ANSYS软件对移动模架吊挂系统进行的强度、刚度及稳定性分析，可为后续其他模架设计及施工提供参考。参考文献1郝宇飞，江明坤，胡元伦.MSS60三主梁移动模架力学性能仿真分析J.机械,2 0 2 1,48(3)：6 8-7 3.2南黄河.洲大桥移动模架造桥机的设计与施工技术研究D.西安：长安大学,2 0 15.3 中国公路学报编辑部.中国桥梁工程学术研究综述2014J.中国公路学报,2 0 14,2 7(5)：1-9 6.4岳海姣.移动模架安全监控系统研究D.西安：长安大学,2 0 15.5 刘宏刚，李军堂，张超福，等.桥梁施工移动模架安全问题及影响因素分析J.世界桥梁,2 0 14,42(3):6 0-6 4.6刘宏刚，尤继勤，张超福.我国移动模架技术标准化与现代化展望J.铁道标准设计,2 0 14,58（4）：37-43.7王斌华，丁广志，芦强，等.流态混凝土压力荷载传递与移动模架结构强度影响研究J.公路工程,2 0 18,43(3):11-16.8 中国机械工业联合会.起重机设计规范：CB/T3811一2008S.北京：中国标准出版社,2 0 0 8.9史妍妮，吕彭民，梁佳.MSS50双幅整体浇筑式移动模架力学性能仿真分析J.筑路机械与施工机械化，2016,33(11):98-102.10吕彭民,杨龙飞，王斌华.变幅宽移动模架结构的有限元分析与试验研究J.郑州大学学报（工学版），2015,36(2):43-46.作者简介：蔡思文（19 9 9-），男，硕士研究生，主要研究方向为（a）吊挂系统合模工况一阶（b）吊挂系统开模工况一阶失稳变形图失稳变形图图8 吊挂系统一阶失稳变形云图82机械结构强度。收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 8