基于Simulation 有限元分析的新型蓋梁托架設計

陳 橋， 邱 根， 易榮華

（1.成都鑫澤機械有限公司， 四川 成都 611330； 2.大邑邑馨社會工作服務中心， 四川 成都 611330；3.四川望錦機械有限公司， 四川 成都 611332）

1 蓋梁托架主體結構及工作原理

蓋梁托架主體結構如圖1 所示，各構件間、構件與墩身已澆注部分間通過連接螺栓、傳動螺紋或摩擦力形成一個近似對稱的穩定承重體。在蓋梁施工前統計標段內所有墩身設計標高（H值），按相近高度劃分為6 個區段，各設1 撐桿加長節（圖1 序號6）。施工時根據每個墩身H值所處區段，配換對應的撐桿加長節結合球頭微調機構（圖1 序號4）即可快速準確調出待澆注墩身設計標高和排水坡比。施工時產生的載荷（蓋梁載荷、模板載荷、托架自重、施工機具以及施工中產生的其他載荷），一小部分通過摩擦力抵消，剩下的通過件11 傳遞給件10 然后順接下傳，最后通過件4 傳遞給墩身沉臺[1]。

托架（順橋向）結構如圖1 所示，圖2 為托架拼裝中的實景圖。

2 施工載荷分析

圖1 托架結構

圖2 托架施工實景圖

設計時按施工中最不利的工況對托架做強度、剛度及整體穩定性驗算。托架所承受的荷載為工字承重梁頂部對應的蓋梁重量、模板重量、托架自重、以及施工過程中所產生的施工荷載及人群荷載等。承重梁所承受砼重劃分見圖3，各蓋梁單元塊對應體積及重量如表1 所示。

圖3 承重梁載荷分配

表1 各蓋梁單元塊對應體積及重量（ρ=26 kN/m3）

考慮施工過程中所產生的施工荷載及人群荷載分別計為3 kN/m2、2 kN/m2。

3 托架結構的建模及計算

托架專為工程（墩身蓋梁）施工而設計，因此對其結構的整體穩定性、剛度、強度都較一般結構要高，針對托架細部結構復雜、零部件多、計算量大的特點，基于三維實體模型，選用專業的三維軟件SolidWorks 中的Simulation 模塊對托架進行有限元分析。

3.1 實體建模

考慮到托架的細部結構比較復雜、零部件多、計算量很大，因此在建模過程中進行了一定的簡化處理，略去或簡化了一些對計算結果影響不大的零件。由于托架的結構形式、約束、載荷可以視為左右對稱和前后對稱，故計算時取托架模型的1/4 進行分析，以節省程序計算量，提高計算結果的精度，如圖4、圖5 所示。

圖4 三維模型

圖5 1/4 模型

3.2 定義材料、模型約束及載荷施加

對模型賦于碳素結構鋼Q235B，分析托架在工程施工中具體的可能工況，定義模型的約束為：托架底部球頭微調機構的球頭螺桿座定義固定約束，主撐桿螺旋撐桿座位置定義固定約束，抱箍摩擦墊位置定義固定約束；由于該計算模型為1/4 模型，故在模型對稱面建立對稱約束。模型約束情況如圖6所示。

載荷施加情況為：根據前面所列表1 中的計算結果，在計算模型上對應位置加載垂直于工字分配梁上表面的均布面力、施加豎直向下的1/4 托架自重載荷，如圖7 所示。

圖6 約束

圖7 載荷

3.3 網格的劃分

模型的網格劃分情況如圖8 所示。網格類型為實體網格；最大單元大小為185.362 mm；最小單元大小為37.072 3 mm；網格品質高；節點總數269 514，單元總數136 533。

圖8 模型網格劃分

3.4 計算結果分析

經軟件計算，托架應力云譜圖如圖9 所示，由應力云譜圖知，托架絕大部分應力均低于145 MPa（低于材料Q235B 的工程許用應力157 MPa），托架最大綜合應力為193.8 MPa，位于三角承重架與鉸接座連接處，模型應力分布情況與工程實際情況符合，分析結果有效。

托架最大綜合應力193.8 MPa，僅發生在托架極少部位，為局部應力集中引起，對結構整體使用性能影響不大，考慮托架實際使用工況的特殊性，在托架三角承重架與鉸接座連接處兩側各增加14 mm 加強綴板1 板進行優化以改善受力情況。

托架綜合位移云譜圖如圖10 所示，最大綜合位移為0.359 9 mm。托架整體剛度足夠，位移情況滿足使用要求。

圖9 托架應力云譜圖

圖10 綜合位移云譜圖

3.5 小結

結合以上對有限元計算結果的分析，所設計托架的強度、剛度及整體穩定性均可滿足蓋梁施工的要求。

4 結論

成仁（成都至仁壽）高速公路，被喻為“天府第一路”。該工程3 標段共有近120 多座高架橋橋墩，墩柱高度集中在6～12 m 之間，蓋梁排水坡比各不相同。若采用傳統的滿堂支架作蓋梁模板的支承方式進行墩身蓋梁部分的施工，不僅成本高，準確調坡困難，還會大大超出業主的工期要求，影響整個標段的施工進度。本文所述的新型托架在該標段橋墩蓋梁施工過程中的全面應用，為客戶成功解決了上述問題，取得了一定的經濟社會效益。