腹板縱向加勁肋對移動模架主梁屈曲穩定性的影響

蘇勝豐

(中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

移動模架是一種配備液壓電氣系統、機械化程度較高的橋梁原位現澆施工設備。根據設備結構布置方式，可分為上行式移動模架和下行式移動模架，根據行走方式可分為牛腿自行式移動模架和非自行式移動模架[1-3]。

目前，國內外對于移動模架的研究主要集中在移動模架施工工藝、結構計算等領域，對移動模架主梁屈曲穩定性的研究較少。歐陽博涵[4]、程曄[5]、謝瑾榮[6]、張啟貴[7]等分別針對特定型號架橋機主梁進行了靜強度及局部屈曲穩定性計算，得出了特定截面尺寸下架橋機主梁的極限承載力，但未對不同截面架橋機主梁屈曲穩定性變化規律進行對比研究。石志響針對多種尺寸箱型截面柱在軸壓載荷作用下的殘余應力、屈曲穩定性進行了研究，得出了箱型截面柱的殘余應力及分布形態，同時對高強鋼箱型截面柱在軸壓作用下的臨界寬厚比限值提出了建議取值，但未就內部筋板對箱梁截面柱屈曲穩定性的影響進行研究[8]。安超對特定型號移動模架在不同工況下的屈曲穩定性進行了研究，得出了不同工況下移動模架極限承載力，但未對移動模架筋板對極限承載力的影響進行研究[9]。梁嘉就純剪切狀態下腹板開孔孔徑大小對極限承載力的影響進行了研究，得知開孔腹板極限承載力隨開孔距高比及孔高比的變化而變化[10]。雷海鵬就槽鋼肋矩形加勁板在側壓力及軸向載荷作用下的失穩模態及極限承載力進行了研究，建立了單根槽鋼肋加勁板彎扭屈曲方程，但未對不同位置下槽鋼加勁肋對矩形板極限承載力的影響進行研究[11]。移動模架主梁屈曲穩定性主要由截面的幾何性質決定，同時腹板縱向加勁肋的位置及幾何性質也會對主梁屈曲穩定性產生顯著影響，而移動模架屈曲穩定性將直接影響移動模架主梁的承載力。

因此，本文將常用移動模架主梁截面作為研究對象，通過對移動模架主梁腹板縱向加勁肋的位置進行細化分析，研究在相同邊界條件下腹板縱向加勁肋位置對主梁屈曲穩定性的影響，為移動模架設計提供參考。

1 移動模架主梁截面選取及參數設置

移動模架雖然型號較多，但是結構組成基本相同，均由主梁、鼻梁、橫梁、臺車、牛腿、內外模板及液壓機電系統組成(圖1)。主梁是移動模架的主要受力構件，其最大跨度達60 m，最大載荷達4 000 t。目前國內常用移動模架規格型號以30 m和50 m跨徑居多，選取5種常用截面作為計算對象。類型1尺寸為1.5 m×2.0 m；類型2為1.5 m×2.3 m；類型3為1.5 m×2.5 m；類型4為1.5 m×2.7 m；類型5為1.5 m×3.0 m。截面布置如圖2所示，圖中各參數的取值見表1。

圖1 移動模架

圖2 截面布置

1.1 移動模架主梁整體穩定性計算

根據《鋼結構設計規范》(GB50017—2017)可知：箱型截面滿足以下要求時，可不計算整體穩定性。

(1)

(2)

表1 移動模架主梁截面參數 mm

式中：l1為箱梁計算長度；f為材料屈服強度。

5種截面整體穩定性的計算值及理論值對比見表2。

表2 移動模架主梁整體穩定性計算結果

通過表2可以看出，5種類型移動模架主梁的高寬比、長寬比均滿足規范要求，無需計算整體穩定性。由此說明移動模架主梁型號選取正確，不會因整體穩定性不足影響縱向加勁肋對主梁屈曲穩定性的后續分析。

1.2 移動模架主梁橫、縱向加勁肋局部穩定性計算

根據《鋼結構設計規范》(GB 50017—2017)的規定：橫向加勁肋的最小間距應為0.5h0，最大間距為2h0，模型取值為2.0 m，滿足規范要求。同時規范要求：在腹板一側配置的橫向加勁肋，其外伸寬度應大于腹板兩側布置橫向加勁肋寬度的1.2倍，厚度應不小于其外伸寬度的1/15。根據腹板兩側成對布置的橫向加勁肋計算公式，外伸寬度和厚度為

式中：bs為外伸寬度；ts為厚度。

5種截面計算模型橫向加勁肋的外伸寬度、厚度與規范要求值的對比見表3。

表3 橫向加勁肋外伸寬度及厚度計算結果 mm

由表3可以看出，5種截面的移動模架橫向加勁肋的外伸寬度及厚度均滿足規范的穩定性要求，不會因橫向加勁肋的局部失穩而影響縱向加勁肋對主梁的屈曲的穩定性。

在同時采用橫向加勁肋和縱向加勁肋的加強腹板中，橫向加勁肋的截面尺寸不僅應符合表2的要求，其截面慣性矩Iz還應符合下式要求。

(5)

計算對比結果見表4。

表4 橫向加勁肋截面慣性矩計算結果 mm4

由表4可以看出，5種型號移動模架主梁橫向加勁肋相對于腹板的截面慣性矩滿足規范穩定性要求，不會先于腹板或縱向加勁肋發生局部失穩，滿足繼續分析縱向加勁肋對主梁屈曲穩定性的要求。

2 腹板縱筋位置對主梁穩定性的影響

由表2～4可以看出，當移動模架主梁各參數按表2進行賦值時，移動模架整體穩定性、局部穩定性均滿足規范要求。但根據《鋼結構設計規范》(GB 50017—2017)的規定，受彎構件腹板縱向加勁肋應布置在0.2h0～0.25h0內。

本文利用有限元數值分析軟件，對腹板縱向加勁肋位置在0.1h0～0.4h0進行賦值，從而分析移動模架主梁腹板穩定性的變化情況。有限元模型采用Shell63單元進行模擬，共劃分板殼單元5 638個，節點6 792個，有限元數值分析計算模型縱向長度L1=52.0 m，支點間距L2=50 m，左側支點約束UX、UY、UZ三個方向位移自由度，右側支點約束UX、UY兩個方向位移自由度，釋放UZ方向位移自由度，其中坐標軸Z方向為沿主梁長度，X方向為沿主梁橫向寬度，Y方向為沿主梁豎向高度。因移動模架主梁彈性屈曲穩定性僅與截面特性有關，與載荷大小無關，故有限元數值分析中根據移動模架實際加載位置，在每個加載點施加單位荷載，單根主梁共20個作用點，荷載F=20 N，如圖3所示，有限元計算模型見圖4。根據數值分析計算結果，移動模架主梁屈曲穩定性特征值隨腹板縱向加勁肋位置的變化規律見圖5，主梁失穩變形見圖6，局部放大見圖7，失穩變形位置主要集中在主梁跨中上腹板，即主梁跨中腹板受壓區域。

圖4 有限元計算模型

圖5 移動模架主梁穩定性特征值隨腹板縱向加勁力位置的變化規律

圖6 移動模架主梁失穩變形

圖7 主梁失穩變形放大

圖3 計算簡圖

由圖5可以看出：以移動模架主梁屈曲穩定性特征值作為計算模型單位載荷的放大倍數，直接反映了移動模架主梁的承載能力；該特征值隨腹板縱向加勁肋位置的變化而線性變化，并在0.25h0～0.35h0明顯增大，增大比例達5.8%～9.7%。

因此，建議在主梁剛度滿足要求的前提下，可以適當降低腹板縱向加勁肋的豎向位置，控制在0.25h0～0.35h0，這樣可顯著提高主梁屈曲穩定性。由圖6、7可以看出，主梁的失穩變形位置主要發生于腹板縱向加勁肋與翼緣板之間的腹板受壓區，并以橫向加勁肋為側向支撐點，呈正弦波方式布置。

3 結 語

利用有限元分析軟件，模擬研究移動模架主梁腹板縱向加勁肋豎向位置對主梁屈曲穩定性的影響，得到以下結論。

(1)在截面特性、橫向加勁肋布置間距、外伸寬度及厚度均滿足局部穩定性及整體穩定性的前提下，腹板縱向加勁肋豎向位置在0.25h0～0.35h0時，主梁屈曲穩定性特征值可提高5.8%～9.7%。

(2)移動模架主梁屈曲穩定性特征值隨腹板縱向加勁肋位置的變化而變化，失穩變形位置主要集中在主梁跨中上腹板，即主梁跨中腹板受壓區域。

(3)主梁的失穩變形位置主要發生于腹板縱向加勁肋與翼緣板之間的腹板受壓區，并以橫向加勁肋為側向支撐點，呈正弦波方式布置。