长江北路大桥跨径62m120t龙门吊机分析计算

� 文章编号: 1671- 2579( 2007) 06- 0111- 05 长江北路大桥跨径 62 m 120 t龙门吊机分析计算 李 � 浩1 , 颜显玉2 , 李新平1 ( 1.华南理工大学, 广东 广州 � 510640; 2.中山市市政建设中心) � � 摘 � 要: 采用空间二力杆单元, 对施工过程中可能出现的几种荷载工况作用下 62 m 龙 门吊机的应力、变形以及稳定性进行了分析计算, 通过对计算结果的分析以及对施工现场实 测数值进行比较, 得到了几点结论,可为同类龙门吊机的结构计算提供参考。 关键词: 龙门吊机; 万能杆件; 有限元计算; 稳定性 收稿日期: 2007- 03- 01 作者简介:李 � 浩, 男,硕士研究生. E- mail: partlee1980@ 126. com 1 � 概况 长江北路大桥位于广东省中山市 35号路,是跨越 石歧河的一座蝴蝶拱桥。主桥全长 115 m, 其桥孔布 设成 2. 75+ 110+ 2. 75 m ,为空间组合钢拱肋桥,由两 条倾斜的钢拱肋、曲线钢箱梁以及倾斜的吊杆组成一 个多元的空间体系(图 1)。 图 1 � 长江北路大桥结构图(除标高为 m 外,其余均为 mm) 主桥共设 2片拱肋, 桥面曲线外侧斜拱肋(简称外 拱)与垂直线的夹角为 13. 5�, 桥面曲线内侧斜拱肋 (简称内拱)与垂直线的夹角为 35. 5�。内拱跨度为 110 m,平面内矢高为 37 m, 矢跨比为 1/ 2. 97; 竖向矢 高约 30 m, 矢跨比为 1/ 3. 65。外拱跨度为 110 m, 平 面内矢高为 30 m, 矢跨比为 1/ 3. 65; 竖向矢高约 29 m,矢跨比为1/ 3. 77。拱肋均采用椭圆形截面,拱肋截 面高度从 1. 5 m 变化到 3. 6 m, 拱肋截面宽度从 1. 8 m 变化到 3. 0 m。 1. 1 � 吊装设备的要求和选择 由于该桥轴线为曲线,主桥的两片钢拱肋分别为 向外倾斜的蝴蝶拱, 两片拱肋间距比较宽,且拱肋的分 段吊装需有 3个以上不在一个垂直平面的吊点才便于 调整和就位。常规吊装工艺的吊装设备主要有缆索起 重机、跨桥龙门吊、汽车吊抬吊和浮吊等。根据实际情 况分析,缆索起重机和汽车吊抬吊对蝴蝶拱的吊装都 有使用方面的局限性, 而浮吊作业受施工水域航道限 制,故采用跨桥龙门吊的安装,其吊点覆盖面在跨 内不受限制,比较容易满足上述要求,而且安全性能相 对稳定可靠。目前, 国内采用大跨度的龙门吊机还很 少,因此在上确保龙门吊机的安全和稳定是极为 重要的。 1. 2 � 吊装构件的尺寸与重量 桥面钢箱梁顶面全宽 30. 4 m , 底板宽 9. 6 m, 每 边悬臂 10. 4 m, 梁高 2. 172 m ,钢箱梁总计1 229. 3 t, 分段单件最重约 120 t ;拱肋总重 780. 3 t ,分段单件最 111 第27卷 � 第6期 2 0 0 7 年 1 2 月 中 � 外 � 公 � 路 � � � � � 重约 75 t。 1. 3 � 龙门吊行走栈桥简介 龙门吊通行轨道采用双线钢栈桥, 其由支撑钢管 (包括 �800 mm 8 mm 钢管桩基础)、工字钢纵向分 配梁、工字钢横梁、贝雷片主纵梁等组成, 左线栈桥长 135 m,右线栈桥长 138 m (考虑当地自来水管的影 响) ,双线栈桥的中心间距为 62 m,高度基本与桥面齐 平。临时支撑钢管桩均通过了压载试验。 1. 4 � 龙门吊简介 该桥龙门吊采用万能杆件支架组拼而成(图 2)。 根据钢拱桥桥型特点和拱肋、箱梁吊装的分段重量和 外型尺寸,该龙门吊采用双主梁四吊点的形式,两条主 梁的中心距离为 8 m ,龙门吊净跨为 62 m, 净高为 26 m,轮箱间距为 16 m,安装起吊能力120 t ,额定起吊重 量 140 t。为确保该门吊在施工过程中的安全, 故采用 大型通用有限元分析计算软件 ANSYS 进行建模 分析。 图 2� 120 t/ 62 m龙门吊总体及吊装构件示意图 (单位: 除标高为 m 外, 其余均为 mm) 2 � 龙门吊机结构计算 2. 1 � 计算模型 龙门吊机全部采用万能杆件通过螺栓组拼构成, 故计算采用空间二力杆单元来模拟, 按照图 2龙门吊 机的总体尺寸和万能杆件型号, 采用有限元建模技术 形成的计算分析模型如图 3所示。龙门吊机与行走轨 道之间接触的边界条件采用铰支承模拟。 2. 2 � 计算资料 该龙门吊机为工地临时起重设备, 实际使用时间 短,使用频率较低,起吊额定载荷次数不多。故综合多 方面因素,确定整机工作级别为 A3。 在龙门吊机的分析计算中, 关键要确定龙门吊机 在施工过程中所承受的荷载。 图 3 � 有限元分析计算模型 (1) 计算恒载 龙门吊机总重: Q恒= Q1+ Q2+ Q3 式中: Q1 为桁梁和塔架总重, 根据原有资料, Q1 = 2 761. 71 kN ; Q 2 为天车和电动葫芦走道梁总重,根据 原有资料, Q2 = 335. 1 kN ; Q 3 为走行结构及车轮总 重,估算为 Q 3 = 200 kN。因此, Q恒= Q 1 + Q2 + Q3 = 3 296. 81 kN。 ( 2) 计算活载 龙门吊机的计算活载比较复杂,除了竖向活载外, 还有纵向活载和横向活载。 ! 竖向活载 龙门吊承受的竖向活载包括天车上卷扬机重 5 t, 天车支架重 4 t ,滑轮组重 4 t, 钢丝绳重 2 t 以及被起 吊的构件重量。 在侧边吊装拱肋时, 2台天车同时作业, 每台天车 的吊重为 37. 5 t, 考虑 1. 2的冲击系数后, 每台天车的 吊重为 45 t, 则每台天车加载到万能杆件支架上的活 载为 60 t。 当吊装箱梁时, 4台天车同时作业,每台天车的吊 重为 40 t (为保证起吊安全将起吊重量增到 160 t) ,考 虑 1. 2的冲击系数后,每台天车的吊重为 48 t, 则每台 天车加载到万能杆件支架上的活载为 63 t。 ∀ 纵桥向活载 当大车起、制动时,龙门吊机、天车及起吊构件由 于惯性将产生纵桥向水平荷载, 所以纵桥向龙门吊主 梁将承受天车产生的水平荷载 P z ;箱梁摆动产生的惯 性力 P#z (摆角按 5�考虑)。水平荷载 P z = �5ma;其中 动力效应系数 �5 = 1. 5; 平均加速度 a= 0. 064 m / s2 (由于大车和天车均安装了电平,按文献[ 1]取最小平 均加速度) ;因此, 龙门吊机产生的水平惯性力为: P z1 = �5ma= 31. 68 kN ; 每台天车产生的水平荷载: P z 2= �5ma= 1. 44 kN。起吊构件产生的水平惯性力 P#z = Qq tan (包括作用在起吊构件上的风力和起、制动时的 112� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 中 � 外 � 公 � 路 � � � � � � � � � � � � � � � � 27卷 � 惯性力) ; 其中 Qq 为起吊箱梁的重量, 摆角 = 5�; 因 此,在侧边吊装鞍座时, 构件产生的惯性力: P#z = Qq tan = 65. 62 kN ; 当吊装箱梁时, 构件产生的惯性 力: P#z = Qq tan = 140 kN。 ∃ 横桥向活载 当天车运行时, 由于卡轨力和起动、制动将产生横 桥向的惯性力 P h , 其方向沿天车轨道;起吊箱梁摆动 产生的水平惯性力 P#h(角度按 5�考虑)。当吊装箱梁 时,每台天车产生的水平荷载: Ph = �5 ma= 1. 44 kN ; 构件产生的惯性力: P#h= Q q tan = 140 kN。 (3) 计算风荷载 根据文献[ 1] ,露天工作的龙门吊机应按下式计算 风荷载: P f = CK hqA , 其中: C= 1. 6, 为风力系数; K h 为风力高度变化系数; q%= 250 Pa(工作状态) ,为 风压值; q&= 800 Pa(非工作状态) ; A= �A l ,为迎风面 积; A l 为龙门吊机轮廓面积在垂直于风向平面上的投 影; �= 0. 5为龙门吊机金属结构或机构的充满系数。 ! 纵桥向风荷载 将龙门吊简化成四片平行的桁架进行计算,在工 作状态下,风压不考虑高度变化,门吊所受风荷载: P f 1 = 158. 5 kN ; 每台天车所受风荷载: P f 2= 0. 9 kN。在 非工作状态下, 风压需考虑高度变化,龙门吊所受风荷 载: P f 1= 36. 1 kN( 10 m< h ∋ 20 m ) ; P f 2 = 61. 12 kN ( 20 m< h ∋ 30 m) ; P f 3= 354. 1 kN( 30 m< h ∋ 40 m) ; P f 4 = 322. 9 kN( 40 m< h ∋ 50 m) ; 每台天车所受风荷 载: P f 5= 4. 67 kN。 ∀ 横桥向风活载 由于门吊净跨为 62 m, 塔架迎风面积按 2 倍考 虑,横梁简化为三片平行的桁架, 在工作状态下,风压 不考虑高度变化,龙门吊所受风荷载 P f 1 = 53. 04 kN ; 每台天车所受风荷载: P f 2= 1. 44 kN。在非工作状态 下,风压需考虑高度变化, 门吊所受风荷载: P f 1 = 102. 78 kN( 10 m< h ∋ 20 m ) ; P f 2= 47. 2 kN( 20 m< h ∋ 30 m ) ; P f 3 = 51. 26 kN ( 30 m < h ∋ 40 m) ; P f 4 = 29. 6 kN( 40 m< h ∋ 50 m) ;每台天车所受风荷载: P f 5 = 7. 5 kN。 (4) 荷载组合 由于龙门吊机各种荷载并不是同一时刻一起作用 在龙门吊机上, 针对龙门吊机的计算类别和要求, 根据 经验将各种荷载适当组合。通常考虑以下两种荷载 组合: ! 第%类荷载组合 ( ( ( 在恶劣条件下工作产生 的最大荷载 龙门吊机起吊额定起重量的物品, 克服最大静阻 力,起动和制动, 受工作状态下的最大风压 q%作用。 按第 %类荷载组合进行构件的应力、变形计算以及整 机抗倾覆稳定性计算。 ∀ 第&类荷载组合 ( ( ( 不工作时受暴风吹袭产 生的最大荷载 龙门吊机处于非工作状态, 承受非工作状态最大 风压 q&作用。按第&类荷载组合校核龙门吊机自身 抗倾覆稳定性, 对承受风荷载作用的构件的应力和变 形进行计算。 2. 3 � 应力和变形的分析计算 2. 3. 1 � 自重作用下龙门吊机的验算 自重作用下龙门吊机的应力计算结果如图 4 所 示。从图 4可以看出, 结构各杆件的轴向应力染色图 呈对称性,符合结构对称性原理, 故建模正确,符合分 析要求。 图 4 � 自重作用下龙门吊的应力(图中应力单位为 Pa) 2. 3. 2 � 龙门吊机温度变化的验算 由于该龙门吊在 5月份进行组拼, 同年 7月投入 使用,考虑这段时间温度变化比较明显,故估算龙门吊 在温度整体上升 10 ) 情况下龙门吊的应力。 2. 3. 3 � 在荷载组合作用下的验算 为了验算第 %类和第 &类荷载组合作用下,该门 吊的强度与刚度并对其进行优化, 确定计算的荷载工 况如下: ! 非工作状态下纵桥向受风; ∀ 非工作状态 下横桥向受风; ∃ 工作状态下受风+ 温度荷载+ 吊装 拱肋; ∗工作状态下受风+ 温度荷载+ 吊装箱梁未发 生偏载; + 工作状态下受风+ 温度荷载+ 吊装箱梁迎 风面发生偏载; ,工作状态下受风+ 温度荷载+ 吊装 箱梁背风面发生偏载。 ( 1) 计算模型的优化 在荷载工况 !作用下,计算桁架间水平联系(即在 两片桁梁的中间用万能杆件加设一道联系)的影响,获 得的位移量与轴力值如表 1所示。 113� 6期 � 长江北路大桥跨径 62 m 120 t龙门吊机分析计算 � � 表 1� 荷载工况! 作用下门吊的位移量与轴力值 水平联系 位移量 / mm 最大轴向 拉力/ kN 最大轴向 压力/ kN 无横撑 111 177. 6( 328) 545. 2( 725) 一片横撑( 1/ 2 处) 81 155. 5( 295) 550( 725) 两片横撑( 1/ 3、2/ 3 处) 80 155( 295) 545. 2( 725) � 注:括号外为计算值, 括号内为万能杆件容许轴力值 从表 1可以看出,若桁架间不加水平联系,则水平 位移量偏大;增加水平联系后水平位移量明显减少,但 在桁架 1/ 2处增设一片横撑与在桁架 1/ 3和 2/ 3处增 设两片横撑计算的位移和轴向应力变化量均很小, 故 后面的分析计算均采用增设一片横撑的计算模型。 ( 2) 门吊应力与变形的计算 将优化后的模型按荷载工况∀ 、∃ 、∗、+、,分别 分析计算,获得的位移量与轴力值如表 2所示。 表 2� 荷载工况∀ 、∃ 、∗、+ 、,作用下门吊的位移量与轴力值 荷载工况 位移量 / mm 最大轴向拉力 / kN 最大轴向压力 / kN 工况∀ 21 123. 3( 295) 183( 309) 工况∃ 30 234. 5( 473) 361( 380) 工况∗ 74 1 128( 1 267) 690( 725) 工况+ 72 1 090( 1 267) 666. 4( 725) 工况, 78 1 156( 1 267) 717. 6( 725) � 注:括号外为计算值, 括号内为万能杆件容许轴力值 从表 2可以看出, 门吊最大变形量与最大轴力均 发生在第,个荷载工况, 虽然最大轴力未超过万能杆 件容许值,但施工时应尽量避免发生偏载情况。 2. 4 � 龙门吊机稳定性校核 2. 4. 1 � 龙门吊机抗倾覆稳定性校核 由于本龙门吊机无悬臂, 故只需验算横桥向(大车 走行方向)各工况的自身稳定性。按力矩法进行抗倾 覆稳定性的校核,校核的力矩表达通式为: −M = K GM G + K PM P + K iM i + K f M f . 0 式中: MG、M P、M i 和M f 分别为龙门吊机自重、起升荷 载、水平惯性力和风力对倾覆线的力矩(稳定作用为 正,倾覆作用为负) ; K G、K P、K i 和 K f 分别为荷载系 数。非工作状态下受暴风吹袭时, 计算模型如图 5所 示,其中: K G = 0. 95; K P = 0; K i = 0; K f = 1. 15,所 以, − M = K GM G + K PM P + K iM i + K fM f = 3 146 kN / m . 0,故,此工况下龙门吊机是稳定的。 2. 4. 2 � ANSYS 中的特征值屈曲分析 在工程结构中, 构件、部件及整个结构体系都不允 许发生失稳。为保证龙门吊整体稳定性,故采用 AN� SYS中的特征值屈曲对其进行分析,其属于第一类稳 定问。经计算分析, 该门吊的前两阶失稳模态见图 6和图 7。 图 5� 龙门吊抗倾覆计算模型 图 6 � 第一阶失稳模态 图 7 � 第二阶失稳模态 从图 6、7可以看出, 该门吊塔架支腿处最先发生 失稳,第一阶失稳的稳定系数为 27. 372, 第二阶失稳 的稳定系数为 27. 384,由此可见该龙门吊机稳定系数 114� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 中 � 外 � 公 � 路 � � � � � � � � � � � � � � � � 27卷 � 比较大,其稳定性满足起重吊装的要求。 3 � 结语 该龙门吊机从投入使用到主桥成功合龙都使用正 常,未出现结构问题;并按工期要求, 圆满地完成了主 桥拼装工作,经受了实践的检验。 每段构件吊装时, 采用全站仪进行监控龙门吊的 最大挠度,其监测结果与计算值对比如表 3所示。 表 3 � 龙门吊吊装时最大挠度实测值与计算值对比 拱肋 分段重 量/ t 实测最大 挠度值/ mm 计算值 / mm 钢箱梁 分段重 量/ t 实测最大 挠度值/ mm 计算值 / mm 74. 8 25 30 81. 7 28 74 74. 8 23 30 81. 7 25 74 70. 4 19 30 52. 1 15 74 70. 4 20 30 52. 1 12 74 50. 3 14 30 119. 8 40 74 50. 3 15 30 119. 8 38 74 50. 3 14 30 120. 2 40 74 50. 3 13 30 120. 2 43 74 49. 6 11 30 120. 5 42 74 49. 6 11 30 120. 5 45 74 49. 6 10 30 120. 7 46 74 49. 6 12 30 120. 7 43 74 45. 2 9 30 45. 2 7 30 � � 注:表中拱肋采用工况∃ 的计算值; 钢箱梁采用工况∗的 计算值 通过对 62 m 龙门吊机在各个荷载工况下应力、 变形以及稳定性的分析计算以及现场实测结果的比 较,可得到如下几点体会: ( 1) 利用通用有限元分析软件 ANSYS 对龙门吊 机进行空间建模分析,对实际结构简化较少, 计算精度 较高。 ( 2) 龙门吊机属于大跨度 、高耸结构, 且采用高 强轻质材料,其稳定性问题显得尤为突出。本文采用 ANSYS 的屈曲分析获得的第一类稳定系数表明, 该 龙门吊机的稳定性能良好。 ( 3) 由于本计算属于理论计算,并没有考虑到万 能杆件的折旧以及各种缺陷和缺损, 故为了确保安全 起见,建议其理论上使用控制应力不超过100 MPa,故 对施工过程中出现计算应力超过 100 MPa 的杆件应 予以适当的加强。 ( 4) 通过现场吊装所监测龙门吊机的最大挠度与 计算值的比较可以看出, 在正常使用过程中, 吊机最大 挠度均小于计算值; 采用通用有限元分析软件 AN� SYS 对龙门吊机的受力分析, 既保证了吊机的安全 性,又提高了吊机组拼材料(万能杆件)的使用率。 参考文献: [ 1] � 张质文, 等. 起重机设计手册 [ M ] . 北京: 中国铁道出版 社, 1997. [ 2] � 中铁大桥局集团第二工程有限公司工程技术部. 新万能 杆件图集[ Z] , 2002. [ 3] � 博弈创作室. APDL 参数化有限元分析技术及其应用实 例[ M ] . 北京:中国水利水电出版社, 2004. 中外专家研讨矮寨悬索桥技术方案 日前,湖南吉(首)茶(洞)高速公路矮寨悬索桥技术方案专家研讨会暨专家组成立会在长沙召开。来自国内外公 路桥梁建设领域的 20多位顶尖专家聚集一堂,对矮寨悬索桥技术方案进行为期两天的深入研讨。 专家组由 23人组成,交通部总工程师周海涛任组长,中国工程院院士陈新、郑皆连任副组长。湖南省委常委、副 省长徐宪平出席会议并为专家颁发聘书。他强调,矮寨悬索桥的设计建设要牢牢树立质量安全第一的理念,全力推进 施工技术、工艺、管理的创新,将矮寨悬索桥打造成公路桥梁建设的精品工程。 据了解,吉首至茶洞高速公路是长沙至重庆高速公路湖南境内的一段,是湖南重要的旅游通道,起于湘西土家族 苗族自治州吉首市,终于湘黔渝三省(市)交界处的茶洞镇,路线全长 64. 3 km。矮寨特大桥为吉茶高速公路的控制性 工程,桥位距吉首市区约 20 km,跨越德夯大峡谷。桥面设计标高与地面高差达 330 m 左右,山谷两侧悬崖距离从 900 ~ 1 300 m之间变化,地形地质条件复杂,技术要求高,施工难度大。由湖南省交通规划勘察设计院设计的矮寨悬索桥 方案,桥梁两端直接与隧道相连,主线采用双向四车道高速公路标准,设计车速为 80 km/ h,路基宽度 24. 5 m,悬索桥 的主跨达1 176 m。 摘自: 0中国交通报12007. 10. 29 115� 6期 � 长江北路大桥跨径 62 m 120 t龙门吊机分析计算 � �