基于ANSYS的900t造桥机支撑托架动力学分析

基于ANSYS的900t造桥机支撑托架动力学分析
陈艳艳1，胡正涛2
（1. 黄河水利职业技术学院，河南开封475001；2. 西安交通大学，陕西西安710049）
［摘要］对900t造桥机支撑托架建立有限元分析模型，利用ANSYS进行振型分析，分析结果表明自振频率密集，支撑托架结构的动力性能复杂。

再通过支撑托架的稳态响应分析，确定支撑托架在承受正弦规律变化荷载时的稳态响应，为支撑托架的进一步优化提供理论依据。

［关键词］900t造桥机；支撑托架；振型分析；稳态响应分析
［中图分类号］U445.36 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2015）05-0087-04
Dynamic analysis of upholding bracket in 900t bridge fabricating system
based on ANSYS
CHEN Yan-yan，HU Zheng-tao
1 概述
下行式造桥机采取直接支撑的方式，便于调整底模线形，施工中受到的风载荷小、安全性高，在铁路桥建设中发挥着重要作用［1］。

造桥机在墩身侧面开洞安装支撑托架，主支腿的支撑托架插入洞中传递垂直力，并且利用高强精轧螺纹钢对拉，与桥墩形成一个整体。

支撑托架支撑主框架，外模和模架安装在主框架上，形成一个可纵向移动的桥梁制造平台，完成桥梁的施工。

本文以郑州大方公司生产的900t造桥机支撑托架为例，建立有限元模型进行动力学分析，对结构的改进和进一步优化设计具有重要意义。

该模架工作过程包括制梁和过孔两阶段，设计施工周期为12天/跨。

支撑托架共设2套，每套左右两部分相同，如图1所示。

技术参数为制模最大支点反力2×377kN，过孔最大支点反力2×160kN；下张拉梁每端2根，单根张拉力10kN，上张拉梁每端8根，单根张拉力20kN。

下张拉梁中部设置与墩身表面吻合的弧形板，减小对桥墩的压应力。

支撑托架为三角形框架结构，有2个支座，一是插入墩身侧洞的上支座，另一是由下张拉梁、筋板及与墩身表面吻合的弧形板组成的下弧形支座。

移位台车沿横梁移动，制梁位置计算荷载377kN，过孔位置（制梁位置外伸4800mm）计算荷载160kN。

支撑托架
桥墩
墩身侧洞
横梁
移位台车
主框架纵梁
配重
图1 模架中的支撑托架
2 振型分析
支撑托架振型分析用来确定支撑托架的振动特性（固有频率和振型），目的是确定结构的模态参数，如固有频率、阻尼、振型等。

振型分析过程主要由4个步骤组成：建模、加载及求解（指定分析类型和分析选项，定义自由度，在模型上加载，指定载荷选项）、扩展模态和观察结果（包括固有频率，已扩展的振型和相应的应力分布）。

DOI:10.14189/ki.cm1981.2015.05.007
［收稿日期］2015-01-14
［通讯地址］陈艳艳，河南省开封市东京大道西段黄河水利职业技术学院机电系办公室
2.1 有限元模型
采用ANSYS通用有限元计算平台建立支撑托架的参数化有限元计算优化模型。

支撑托架是空间桁架体系主体结构，采用支持截面形状显示，为准确模拟应力分布，上张拉梁变截面部分采用自定义截面线性变截面梁单元模拟，考虑剪切变形和和翘曲的BEAM188梁单元模拟，下端弧形支座及筋板等用3D壳单元模拟［2］。

共计单元1375个、节点数2063个。

根据设计结构，建立支撑托架的有限元计算模型如图2。

横梁
上支座弧形板
下张拉梁
图2 支撑托架有限元模型
2.2 加载及求解
在ANSYS中典型模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束，为了模拟实际情况，把图2中节点的自由度全部约束。

用分块的兰索斯法求解，其特征值求解器采用兰索斯算法，优点是在频率谱中间位置到高频谱范围内的固有频率，其求解收敛速度与求解低阶频率时基本一致。

支撑托架结构用模态参数定量描述，与外部载荷无关，支撑托架结构的某一阶振型是结构按相应频率振动时各自由度方向振幅间的相对比例关系。

振型分析用于确定结构的振动特性，也是响应特性分析的起点。

利用已建立的有限元模型和ANSYS中兰索斯算法，提取了支撑托架前30阶模态，各阶的固有频率及相应振型分析列于表1。

2.3 振型分析
从表1各阶固有频率和振型可以看出：自振频率从第1—30阶频率相差不到4Hz，自振频率密集且没有频率跳跃现象，说明支撑托架结构动力性能复杂；6—8阶频率低且横梁在XOZ平面内蛇形摆动，说明架设高度较大时，对整机稳定性影响较大；第5、9、15、23阶频率都表现出整机在XOY平面内上下摆动，说明支撑托架上面的移位台车横向移动激振力对支撑托架有影响；第15、18、19、26阶频率都表现出外斜撑在XOY平面内的拱曲或绕Z轴的扭曲，说明截面优化后需要结合稳态分析作必要调整，以在节约成本的同时避免对其动态性能影响过大；第15、18、21、27、29阶频率都表现出立撑沿Z轴异向扭曲或绕X轴拱曲，说明需防止立撑与桥墩干涉，保证支撑托架与桥墩固结时的安全性。

表1 各阶固有频率及其振型
阶数固有频率/Hz振型描述
10.17188×10-2
频率较低，变形较小，对整机动态性能影响不大20.19466
30.23887
40.57612整体前后（Z向）拱曲
50.73613整体XOY平面内上下摆动
60.86215横梁在XOZ平面内蛇形摆动；横梁前端绕X轴扭曲70.99092横梁在XOZ平面内蛇形摆动；横梁前端绕X轴扭曲
8 1.1756横梁在XOZ平面内蛇形摆动
9 1.2523整体XOY平面内上下摆动
10 1.3632横梁前端绕X轴扭曲；同时内斜撑、立撑发生Z向拱曲
11 1.5833前后横梁在与上张拉梁接合处对称拱曲
阶数固有频率/Hz振型描述
12 1.5956横梁在XOZ平面内蛇形摆动、前端沿X轴扭曲；同时外斜撑、内斜撑、立撑发生沿Z轴异向拱曲
13 1.7964前后外斜撑上部中间对称拱曲；下部中间对称拱曲
14 1.8606横梁前端绕X轴扭曲；外斜撑、立撑发生沿Z轴拱曲
15 2.0771整机在XOY平面内上下摆动。

同时外斜撑在XOY平面内拱曲，立撑沿X轴拱曲
16 2.1344前后横梁中部对称拱曲；同时外斜撑的上下部均中间对称拱曲
17 2.2143前后外斜撑均绕Z轴异向扭曲，同时沿Z轴摆动
18 2.3970外斜撑上部在XOY平面内拱曲，立撑沿X轴拱曲
19 2.4384外斜撑、内斜撑、立撑均沿Z向拱曲；同时前后外斜撑在XOY平面内绕Z轴异向扭曲
20 2.4516前后横梁中部对称拱曲；前后外斜撑上部对称拱曲
21 2.5267横梁前端绕X轴扭曲；下张拉梁绕X轴摆动；前后外斜撑、内斜撑、前后立撑均绕Z轴异向拱曲
22 2.6838横梁前端绕X轴扭曲；内斜撑、立撑沿Z轴异向拱曲
23 2.7520横梁上下摆动；外斜撑下部在XOY平面内拱曲
24 2.7731横梁在XOZ平面内蛇形摆动；外斜撑沿Z轴蛇形拱曲
25 2.9342横梁在XOZ平面内蛇形摆动；外斜撑沿Z轴蛇形拱曲；内斜撑、立撑均沿Z向拱曲
26 2.9420外斜撑的上部、下部XOY平面内同向拱曲
27 3.0758外斜撑、内斜撑、立撑均绕Z轴扭曲；横梁在XOZ平面内摆动（蛇形）
28 3.3065下张拉梁两端Y向上翘
29 3.6912横梁在XOZ平面内摆动（蛇形）、绕X轴扭曲；前后外斜撑上部绕Z轴异向扭曲；内斜撑沿Z轴拱曲；前后立撑绕Z轴异向扭曲
30 3.9803前后横梁前端、中部在XOZ平面内沿Z轴异向拱曲（葫芦形）
续表
3 稳态响应分析
利用ANSYS进行谐响应的运算，分析支撑托架在持续稳定的周期载荷作用下产生的周期响应。

由于制梁工况中支撑托架荷载相对稳定，所以主要进行过孔工况的稳态响应分析。

支撑托架在过孔工况中横梁受移动荷载和风荷载的作用［3］，各变量含义如表2所示。

为了对比过孔工况中不同载荷位置的稳态响应，支撑托架稳态响应分3个工况进行分析。

工况1是制梁结束后，移位台车横向移动到距制梁位置2.4m时，稳态响应曲线如图3所示；工况2是移位台车横向移动到距制梁位置3.6m时，稳态响应曲线如图4所示；工况3是移位台车横向移动到过孔位置，即距离制梁位置4.8m时，稳态响应曲线如图5所示。

表2 变量含义
变量含义
UY_ZLJ支撑托架在XOY平面内上下摆动的响应情况UY_WLJ支撑托架在XOY平面内上下摆动的响应情况UZ_ZWX外斜撑沿Z轴拱曲
UZ_ZWX横梁在XOZ平面内蛇形摆动的情况
UX_LX立撑沿X轴拱曲及绕Z轴扭曲的响应的情况
250 225 200 175 150 125 100 75 50 25
.4.8
1.2
1.6
2
2.4
2.8
3.2
3.6
4
频率/Hz
DISP
图3 工况1稳态响应曲线
400
360
320
280
240
200
160
120
80
40
.4.8
1.2
1.6
2
2.4
2.8
3.2
3.6
4
频率/Hz
DISP
图4 工况2稳态响应曲线
400
360
320
280
240
200
160
120
80
40
.4.8
1.2
1.6
2
2.4
2.8
3.2
3.6
4
频率/Hz
DISP
图5 工况3稳态响应曲线
从3个稳态响应曲线可以看出：峰值集中出现在第4、5阶频率的0.6Hz附近，第6、7、8阶频率的1.0Hz附近，第15阶频率的2.0Hz 附近，第18、19阶频率的2.4Hz附近，第29阶频率的3.8Hz附近；UX_LX振幅在2.4Hz附近峰值现象严重；UY_WLJ 振幅出现峰值在2.0Hz、3.8Hz、1.0Hz、0.6Hz 附近；UY_ZLJ振幅出现峰值在2.0Hz、2.4Hz、3.8Hz、0.6Hz附近；UZ_ZWX振幅出现峰值在2.4Hz附近。

4 结论
（1）支撑托架固有频率密集，无频率跳跃现象，说明支撑托架结构动力性能复杂。

（2）立撑沿X轴拱曲或绕Z轴扭曲，将产生立撑与桥墩发生干涉的潜在危险。

（3）1Hz、2Hz、2.4Hz及3.8Hz附近对支撑托架危害和影响较大，在结构改进及进一步优化时应注重其附近频率的控制，防止移动荷载作用对结构稳定性的不利影响，确保支撑托架与桥墩固结的安全性。

（4）建议在危害性固有频率确定后，通过灵敏度分析确定对影响此频率比较大的截面参数，以便对支撑托架进行优化和改进，使支撑托架的结构不仅满足静力学要求，又具有良好的动态性能。

［参考文献］
［1］王军，张建超，赵利颇. 我国造桥机的发展类型与典型结［J］建筑机械，2010，02：77-79.
［2］袁昕，姜彤. 实用ANSYS在桥梁建设装备结构分析中的应用［M］. 黄河水利出版社，2009
［3］包头钢铁设计研究院等.钢结构设计与计算［M］. 北京：机械工业出版社，2001：225-
227。