50m移动模架有限元分析计算报告.docx
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50m移动模架有限元分析计算报告
50m移动模架有限元分析计算报告
xxxx路桥集团有限公司设备制造公司
二〇一八年十一月五日
淮上淮河大桥50m移动模架有限元分析计算报告
1.概述
本工程跨度为50米,PC砼箱梁悬臂长10m,桥宽15.5米,梁高3米,首跨50+10m,砼荷载约1882吨。
模架自重(牛腿以上)650t,主梁计算荷载2532t
移动模架造桥机主要由内外模板、主梁、前后鼻梁、模板横梁、牛腿等部分组成。
2.本桥移动模架有限元法计算所采用的计算分析软件
用于桥梁结构计算中常用的软件主要有,MIDAS、COSMOSWORS、ANSYS及SAP等有限元软件,各自都有其独到之处,可以根据其不同的特点,综合利用。
本报告采用MIDAS分析软件对移动模架整体进行有限原分析;然后采用COSMOSWORS对重要部件建立三维模型;采用ANSYS分析软件重要部件进行有限分析校核。
3.主要计算工况及计算内容
(1)浇筑状态下的强度、刚度及结构稳定性计算;
(2)行走状态行的强度、刚度及抗倾覆稳定性计算;
(3)预压状态下的强度、刚度及结构稳定性计算
(4)承台最大反力计算
4.采用的强度标准及荷载组合
本次移动模架的设计计算参照了建筑、桥梁、起重机等方面的钢结构设计理论规范,采用容许应力法和极限应力法这两种方法。
容许应力法以弹性设计理论为基础,设计准则是:
;
式中:
—结构标准载荷的计算应力,不考虑载荷组合系数(所以的载荷组合系数均为1.0);
—设计规范的容许应力,对于钢桥结构约为,对于起重机为,移动模架设计为;故本移动模架的容许压力取
—屈服强度;
—综合安全系数;
—不同载荷组合的容许应力提高系数。
对于综合安全系数,见下表1。
计算载荷的组合,见表2。
表1:
各国规范安全系数比较表
载荷组合
ISO8686
DIN15018
JISB8821
FEM1.001
BS2573
GB/t3811
Ⅰ
1.48
1.5
1.5
1.5
1.67
1.48
Ⅱ
1.34
1.33
1.3
1.33
1.48
1.34
Ⅲ
1.22
1.2
1.15
1.1
1.36
1.22
注:
“GB/t3811”栏为按容许应力法三种不同载荷组合的安全系数取值。
表2:
计算载荷的组合
第Ⅰ类组合
移动模架在无风正常工作情况下的载荷组合。
第Ⅱ类组合
移动模架在正常工作情况下,考虑工作状态风载荷及其他气候产生的载荷,爬越最大坡度。
第Ⅲ类组合
移动模架在特殊载荷作用下的工作情况或非工作情况下的载荷组合。
移动模架所有材料均为塑性材料Q345B和Q235B,根据移动模架的工作条件和使用特点,计算载荷组合类别选用组合Ⅰ(见表2),故上述两种材料的许用应力分别为:
230MPa和215MPa。
5.移动模架计算依据
5.1.设计桥梁图纸
《桥梁施工图纸》
《移动模架设计加工方案图》
砼浇筑状态
模架开模行走状态
5.2.现行国家行业钢结构设计规范
《钢结构设计规范》GB50017-2012;
《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)。
《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)。
《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》JGJ82-91
《建筑钢结构焊接规程》JGJ81-2002
《碳素结构钢》GB/T700-1999
《低合金高强度结构钢》GB/T1591-1994
《钢焊缝手工超声探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89
《涂装前钢材表面腐蚀等级和除锈等级》GB8923-88
《起重机设计规范》GB3811-83
6.主要技术参数
钢材弹性模量Es=2.1×105MPa;泊松比:
u=0.3;
精轧螺纹。
6.1.材料设计强度
钢材牌号
厚度或直径d(mm)
国标GB50017—2003
抗剪
拉,弯应力
端面承压
Q235
d≤16
125
215
325
16<d≤40
120
205
40<d≤60
115
200
Q345
d≤16
180
310
400
16<d≤35
170
295
35<d≤50
155
265
注:
表中厚度是指计算点的钢材厚度;对轴心受力杆件是指截面中较厚钢板的厚度.
6.2.钢主梁截面参数
移动模架主梁跨中截面惯性矩(最大值)
6.3.模板最大侧压力计算公式
根据以下两个公式计算取小值。
公式一:
公式二:
式中:
—新浇筑的混凝土对模板的最大侧压力(kN/m2)。
—混凝土的重度取26.5kN/m3。
—新浇混凝土的初凝时间:
h;(暂定48小时)
—混凝土外加剂影响修正系数,取1.2。
—混凝土的坍落度影响系数取1.3。
—混凝土的浇筑速度:
2m/h。
(推算)
—混凝土浇筑的最大高度:
3m。
建筑规范规定采用公式一、二中的较小值,但为了安全,本次计算采用公式二
7.经典力学计算
砼荷载约1882吨。
模架自重(牛腿以上)650t,主梁计算荷载2532t
模架一侧线荷载:
砼Q1=156.78N/mm。
模板+主梁+配重+人群+机具Q2=42N/mm。
鼻梁Q3=7N/mm
计算结果如下:
计算简图
挠度与弯矩图:
最大挠度109mm,最大弯矩51393000N.m,
最大反力2(524+739)=2526t
横梁挠度值(mm)
计算结果最大应力154.94Mpa,主梁最大累加总变形中109mm。
悬臂端249.3mm
移动模架净变形11mm
模架净变形=109-11=98mm 8.有限元计算模型与加载 模型整体加载 模型加载横截图 9.浇筑状态计算结果 9.1.首跨浇筑时的模型整体挠度刚度及稳定计算 浇首跨浇筑状态是设计的主要工况,主要计算主梁的挠度及前后支点的反力,以及模架模板系统的受力等。 移动模架的结构分布及荷载均是对称结构,也可采用对称结构模型进行分析以利于节省计算机内存空间。 9.1.1.计算模型(整) 模型三维视图 9.1.2.首跨浇筑时的整体刚度及强度计算 整体竖直方向变形云图,悬臂端最大225mm 模架总体反力大小分布: 总反力=2627t 主梁计入自重下的累加总挠度125mm(为超载下的挠度) 移动模架主梁自重作用下挠度18mm 主梁净挠度=125-18=107=L/467 9.1.3.首跨浇筑外模板计算 外模系统最大等效应力小于180Mpa。 最大应力位于最下面的撑杆与托架梁的接触部位 外模板最大竖向变形7mm 外模板最大横向变形6mm 9.2.底模纵梁计算 底模纵梁最大应力113Mpa 9.3.模板托架梁计算 模板托架梁最大应力121Mpa 9.4.模板纵筋计算 模板纵筋最大应力26Mpa 9.5.模板横梁 模板横梁最大应力88.3Mpa(浇筑状态布载下) 9.6.模板横梁轴向力(销轴计算外力) 最大轴力66t(注预压工况为112t) 9.7.底模螺旋顶内力 4.8m节底模螺旋顶最大内力412KN 3.8m节模板螺旋顶最大反力368KN 9.8.面板应力 4.8m节面板应力最大108Mpa(局部) 9.9.撑杆内力(kN) 撑杆内力最大301KN 撑杆最大应力142MPa,位于高端侧的中间一根赶上 9.10.内模计算 内模结构图 全流体加载(依次从一端向另一端施工工艺) 内模应力云图最大118Mpa 内模撑杆内力最大8.8KN 内模横向变形0.5mm 倒角初凝加载图(先浇底板施工工艺) 内模系统最大应力73Mpa 内模变形云图最大变形0.7mm 9.11.面板应力 面板应力最大20Mpa(局部) 9.12.首跨浇筑状态下整体稳定计算 主梁失稳部位在于前支点附近内侧腹板上K=2.38 (注上图中的变形为放大1000倍图形) 9.12.1.首跨主梁应力计算 总体应力最大209Mpa位于前支点附件 主梁跨中应力分布云图,圈梁作用部位最大181Mpa 9.12.2.首跨预拱度计算 螺旋顶位置的预拱度设置=上面数值的负值(含自重挠度) 9.12.3.首跨主梁支点局部应力分析 根据首跨砼浇筑计算支点反力最大为471+364t,加载如下: 支点结构 支点处应力分布,局部最大点应力207Mpa 9.13.首跨浇筑时鼻梁强度计算 浇筑状态下鼻梁最大50Mpa(行走为最不利状态) 鼻梁最大变形184mm 9.14.首跨牛腿浇筑状态下内力计算 牛腿加载情况(首跨状态) 总体应力分布 小车梁最大应力273Mpa 牛腿及立柱总体应力260Mpa 牛腿梁柱连接部位,最大应力176Mpa 牛腿销轴最小剪力为30t 牛腿立柱midas模拟,最大应力260Mpa(假定接触均匀) Ansys有限元实体模拟计算: 最大应力270Mpa 1)支腿局部应力计算 由前面计算得支腿压力427t加载计算 立柱支腿实体模拟应力云图最大173<230MPa 立柱最大反力427t单点反力(假定分配均匀) 牛腿引起的总变形为31mm 9.15.小车局部应力实体模拟分析 局部最大应力353<400Mpa 小车垫梁大于230MPa的应力分布位置 2)牛腿销轴验算 由上图计算得知销轴力为30t,打开为44t,材质40Cr,直径80mm 局部最大应力164<550Mpa(调质40Crde许用范为550~800) 3)承台砼内力计算 承台等效压应力7.9<13.8Mpa(按照30#砼计算) 10.标准跨施工 标准跨及未跨施工主要计算反力及挠度,其它指标均不超过首跨浇筑计算指标。 工况如下: 10.1.标准跨加载图 标准跨加载图 10.2.标准跨挠度值 模架跨中累加最大挠度122mm(含模板系统) 主梁挠度115mm 10.3.标准跨预拱度 反拱度预抬值=上面数值的负值 (含自重挠度,施工方向自右细向左): 单位mm 10.4.标准跨主梁应力 主梁最大应力205Mpa 10.5.标准跨支反力 总反力=201+206+171+225+331+452+398+298=2282t(砼加载=1632t) 11.末跨施工 11.1.末跨工况及加载图 施工工况 末跨施工加载图 11.2.末跨主梁总挠度 末跨模型总挠度220mm(鼻梁前端) 末跨主梁总挠度125mm 11.3.末跨预拱度计算 反拱度预抬值=上面数值的负值: 单位mm (含自重挠度,施工方向自右细向左) 11.4.末跨反力大小计算 总反力=212+211+234+179+341+260+311+222=1970t(砼荷载1320t) 11.5.后扁担计算 末跨施工;计算的吊挂点的最大支反力2*418=836t,可以看作全部施加于中扁担(施工时,可以由后牛腿承担一部分): 中扁担工作状态横断 加载图 最大应力201MPa,位于千斤顶与吊杆之间的腹板上。 12.移动模架行走计算 行走状态过程中,其支点不断变化。 该工况下,移动模架钢主梁内力大小对结构影响不大,可不予计算,但移动模架的牛腿及前导梁弦杆
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