CN113931078A - 一种用于钢桁梁大节段制造的倒运工装设计分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钢桁梁大节段制造的倒运工装及设计分析方法。本发明所述的倒运工装包括呈方框形的基座、位于所述基座中间的支撑平台以及连接所述基座和支撑平台的支撑结构，所述支撑平台的顶面高于所述基座的顶面；所述支撑结构包括若干个支撑梁，所述支撑梁在所述支撑平台四周并且对称设置；所述通过本工装的设计解决钢桁梁桥超大节段无应力制作和转运的技术难题，同时降低基建成本投入，结构简单、安全可靠。

Description

一种用于钢桁梁大节段制造的倒运工装设计分析方法
技术领域
本发明属于钢桥梁制造领域，特别涉及一种用于钢桁梁大节段制造的倒运工装及设计分析方法。
背景技术
随着大跨度钢桥梁不断发展，工厂化、装配化制造逐渐成为钢桥梁制造的主要理念，大型钢桁梁采用整体大节段制造，大大提高了桥址的安装效率，同时，也对工厂内大节段制造技术、制造设备和制造场地的加工能力提出了更高要求。如何实现重达1800多吨的钢桁梁无应力制作，如何实现现有场地的地面承载力满足超大节段的制作和存放如何实现超大节段的厂内转运；如何降低超大节段制造场地使用率等，均成为大型钢桁梁超大节段工厂化制造急需解决的问题。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种用于钢桁梁大节段制造的倒运工装及分析设计方法。本发明的倒运工装实现了钢桁梁超大节段工厂制造。
技术方案：本发明所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，所述倒运工装包括呈方框形的基座、位于所述基座中间的支撑平台以及连接所述基座和支撑平台的支撑结构，所述支撑平台的顶面高于所述基座的顶面；所述支撑结构包括若干个支撑梁，所述支撑梁在所述支撑平台四周并且对称设置。
作为本发明的一种优选实施方式，所述支撑平台为中空的圆柱形结构；所述支撑平台内部设置有若干块第一加强筋，若干块所述第一加强筋呈中心辐射状分布。
作为本发明的一种优选实施方式，所述支撑梁围绕所述支撑平台呈十字型分布。
作为本发明的一种优选实施方式，所述支撑梁的侧面呈直角梯形结构，所述支撑梁包括与所述基座侧面连接的第一端面以及与所述支撑平台的侧面连接的第二端面；所述第一端面的高度与所述基座的高度相同，所述第二端面的高度与所述支撑平台的高度相同，所述支撑梁的底面与所述基座以及支撑平台的底面位于同一平面；沿着第一端面至第二端面的方向，所述支撑梁的内壁设置有多条第二加强筋。
作为本发明的一种优选实施方式，所述支撑梁内部设置有与所述第一端面或者第二端面平行的隔板。
作为本发明的一种优选实施方式，所述支撑梁内设置有横向延伸的底板加强筋。
作为本发明的一种优选实施方式，所述基座内部设置有第三加强筋。
本发明所述的倒运工装的设计方法，包括以下步骤：基于ABAQUS软件进行有限元分析，得出最不利情况下支座的应力分布及变形情况，得到整体模型的最大应力以及最大变形满足倒运工装的要求，得到最终设计的倒运工装。
作为本发明的一种优选实施方式，所述的ABAQUS软件进行有限元分析包括以下步骤：
(1)计算参数假定：(1-1)工装的每个构件为薄板构件，以板单元进行建模分析；(1-2)钢材处于弹性变形阶段；(1-3)所有板单元的焊接连接强度满足构造要求；(1-4)将焊缝带来的额外自重荷载以密度增大系数的形式，平均分布于整个模型；(1-5)以最大Mises应力作为判断依据，通过不同工况下最大Mises应力与钢材屈服强度的比较判断构件是否失效；
(2)计算荷载：倒运工装采用最不利状况下的荷载计算；
(3)计算模型：(3-1)单元选择：模型采用线性四边形单元进行有限元模型的网格划分，几何形状复杂的边角位置采用线性三角形单元进行划分；(3-2)材料参数：包括材料建模密度、弹性模量、泊松比、材料几何尺寸及厚度，按设计结构建模后，再依此将构件组集成整体模型；(3-3)边界条件：考虑模型中两种主要的边界条件：第一类为固定边界，该边界用于吊点及支座支撑点位置；第二类为自由边界；
(4)计算结果及其分析：分析模型的受力变形如，得到整体模型的最大应力以及最大变形满足倒运工装的要求，得到最终设计的倒运工装。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(4)中，所述材料的建模密度为材料实际密度的1.05～1.2倍。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(4)中，采用Q370q钢材建模，材料密度为7850kg/m3，建模用密度为8242.5kg/m3，弹性模量为206000MPa，泊松比为0.3。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(4)中，所述的边界条件是以中心支撑点(即大节段的吊点)和基座的四个角(工装支撑点)为固定边界，其余位置均采用自由边界来建模。
本发明进一步提供了倒运工装的受力分析方法，包括以下步骤：所述的分析方法为采用ABAQUS软件进行有限元分析，得到整体模型的最大应力以及最大变形。
有益效果：(1)本发明的工装的中间为刚度较大的圆柱箱体作为主要受力点，侧面成锥形可以很好地将中心受力传递到工装周圈的横梁上，使得横梁周边均可做刚性支撑，方便存梁和模块车运输；(2)本发明的工装中间的支撑结构为十字型箱体结构，该结构呈梯形，可大大提高工装的整体抗弯能力；(3)本发明的工装实现更为近似成桥状态的无应力制作，大大降低制造场地的基建投入和大大提高了场地使用率；(4)本发明的工装同时兼具分配承载的功能，弥补模块车局部承载不足，无需另行制作专用分配承载梁；(5)本发明的工装结构简单、绿色环保、回收价值高，工装设计功能齐全、实用性强、操作简洁。
附图说明
图1为本发明的倒运工装的受力分析图；
图2为本发明的倒运工装的受力分析图；
图3为本发明实施例1的倒运工装的侧视图；
图4为本明实施例1的倒运工装的俯视图；
图5为本明实施例1的倒运工装的立体图；
图6为本明实施例1中的基座边框结构示意图；
图7为本明实施例1中的支撑平台的结构示意图；
图8为本明实施例1中的支撑梁的结构示意图；
图9为本发明倒运工装运载大节段俯视图；
图10为本发明倒运工装运载大节段出胎示意图；
图11为本发明的大节段出胎示意图。
具体实施方式
实施例1：倒运工装的设计以及针对设计的工装进行受力分析：
(1)该运梁用的倒运工装采用钢板焊接而成，具体采用Q370q钢材，基于ABAQUS软件进行有限元分析，得出最不利情况下倒运工装的应力分布及变形情况。
(2)计算假定:在该模型建模过程中，主要遵循以下假定：①工装所有构件为薄板构件，即以板单元进行建模分析；②钢材处于弹性变形阶段，不考虑塑性和损伤本构；③所有板单元的焊接连接强度至少满足规范规定的构造要求，模型不考虑连接细节；④由于焊缝带来的额外自重荷载，以密度增大系数的形式考虑，平均分布于整个模型；⑤以最大Mises应力作为判断依据，通过不同工况下最大Mises应力与Q370q钢材屈服强度的比较判断构件是否失效。
(3)计算荷载：倒运工装采用最不利状况下的荷载计算，最不利工况为大节段运输工况，此时单个倒运工装最大承受荷载为4622.45kN。
(4)计算模型：①单元选择：该系列模型主要采用线性四边形单元(S4R单元)进行有限元模型的网格划分，几何形状复杂的边角位置采用线性三角形单元(S3单元)进行划分；②材料参数：该模型采用Q370q钢材建模，材料实际密度7850kg/m3，建模用密度为8242.5kg/m3，弹性模量206000MPa，泊松比0.3，材料几何尺寸及厚度按图纸规定分别建模后，再依此将构件组集成整体模型；③边界条件：模型中主要有两种形式的边界条件：第一类为固定边界，即ux＝uy＝uz＝0，该边界用于吊点及支座支撑点位置；第二类为自由边界，即不做任何位移约束，整体模型除上述两种边界条件所施加位置之外，剩余所有位置均采用自由边界。
(5)计算结果及其分析：受力变形如图1和图2所示，可知结构的最大应力为200.7MPa，最大变形为1.2mm，可进行本倒运工装的制造。
本发明所述设计的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装整体结构如图3-图5所示，该工装1整体呈田字形结构，该工装包括基座10、位于基座10中间的支撑平台20以及连接基座10和支撑平台20的支撑结构30。
本发明的基座10为方形框结构，基座10是由钢板焊接而成中空的结构，如图6所示，组成基座10的四条边框100内设置有沿着边框的内壁设置的第三加强筋101，第三加强筋101的延伸方向与边框100的长度方向相同，第三加强筋101在边框的内壁处均匀间隔设置，在边框100的底壁处设置有沿着边框的宽度方向设置的底板加强筋102，边框的截面为正方形结构，边框内还设置有加强边框100强度的若干块第一隔板103，若干块隔板103上预留有第三加强筋101穿过的空间，若干块第一隔板103沿着边框100的长度方向间隔设置，每个第一隔板103均是与边框100的端面平行设置。
如图7所示，本发明的支撑平台20位于倒运工装的中间位置，支撑平台20为中空的圆柱形结构，圆柱形结构具有上下端面，圆柱的顶面作为支撑平面202，支撑平台20内部设置有若干块第一加强筋201，若干块第一加强筋201呈中心辐射状分布，在本实施例中为米字型加强筋结构。
如图8所示，支撑结构30包括若干个支撑梁300，支撑梁300分布在支撑平台20四周并且对称设置，支撑梁300包括与基座10的边框100侧面连接的第一端面301以及与支撑平台20的侧面连接的第二端面302，第一端面301的高度与基座10的高度相同，第二端面302的高度与支撑平台20的高度相同，第一端面301以及第二端面302处不焊接钢板，分别与基座10的侧面以及支撑平台20的侧面焊接。由于支撑平台20的顶面高于基座10的顶面，整个倒运工装的侧面呈锥形结构，支撑梁300为钢板焊接形成的侧面为直角梯形的中空结构，支撑梁300整体结构近似四棱台结构，支撑梁300的底面303与基座10以及支撑平台20的底面位于同一平面，支撑梁300的顶面304为斜板，在支撑梁300内部设置有沿着支撑梁300内壁设置的若干根第二加强筋305，第二加强筋305的具体结构为角钢结构，同样地，支撑梁300内部设置有若干块与支撑梁的端面平行的第二隔板306，第二隔板306同样在第二加强筋305穿过的位置预留空间。支撑梁300侧面成“锥形”很好的将中心单点受力传递到工装周圈的箱型横梁(基座10)上，横梁周边均可做刚性支撑，方便存梁和模块车运输。
在本实施例中，支撑结构30中的支撑梁300呈十字型分布，支撑梁300的一端焊接在边框100的中间位置，支撑梁的另一端与支撑平台20焊接，支撑梁的侧面307呈梯形结构，可提高工装的整体抗弯能力。支撑梁301内部分布有多根第二加强筋305，本实施例中选择设置有6条第二加强筋305。
应用例：该多功能工装为8.88m×1.4m×8.88m“田字型”结构形式，便于实现两台标准模块车共同承载；工装设计正方体便于模块车从任意一侧进入进行前后左右移动。此多功能工装制作时由9个箱体组成，中心为1个圆柱体，中间4个梯形箱体将中心圆柱体和周边的4个矩形箱体连接在一体，整个工装侧面成“锥形”。每个箱体由顶板、底板、腹板、隔板等构成，顶底板为12mm厚，腹板、隔板为10mm厚，箱内加劲采用角钢，在两交接处箱体内需对应加密隔板以增加构件的稳定性，箱体断开处采用“斜槎”式，以满足焊接标准要求。单个箱体内均采用10mm双面角焊缝焊接，箱体对接处采用气体保护焊熔透焊接。
工装使用说明：
(1)将多功能工装按照地样线进行布置，控制多功能工装的横向、纵向间距，并采用水准仪辅助对工装进行水平摆放，(每个工装下面四角位置采用钢凳支撑，钢凳高度不小于1.2m)；(2)工装顶部位置为大节段节点支撑位置(即无应力制作支撑位置)，以此工装为胎架进行大节段无应力制作，大节段长30米、主桁间距30米，节点间距14米，超大节段重达1800t的，采用无应力四点(双节间大节段有四个节点)支撑制作，对制造场地基础承载力要求较高，采用本实施例的工装增大接触面以保证基础的承载能力，节省了基建投入；(3)大节段制作完成后，将4组模块车(每1组由两台不小于8轴线车并车使用，每1组模块车配备1个PPU)车行驶至工装下面，将工装顶升并纵向移出制造场地；(4)大节段移出制造场地后，在工装下方四角处摆放钢凳临时停梁，将四组模块车纵向驶出梁底，再从横向侧行驶至工装底下对大节段进行厂内转运或滚装上船，节段节点处刚性最大且用于工装支撑，要实现节段制造出梁场地转运，因此工装设计与节段同步转运，实现具备模块车能转运的功能；(5)大节段长时间存放时为确保存梁场地地面承载，可将工装底下4个钢凳支撑增加到6个或8个进行存放。
本发明的工装因节段体积较大厂内存放和装船对梁段的摆放方向都有严格要求，且为避免节段反复转向，故工装设计实现了节段多方向运输的功能。本发明工装具有分配承载的功能，弥补模块车局部承载不足，避免另行制作专用分配承载梁。

Claims (10)

1.一种用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，所述倒运工装(1)包括呈方框形的基座(10)、位于所述基座(10)中间的支撑平台(20)以及连接所述基座(10)和支撑平台(20)的支撑结构(30)，所述支撑平台(20)的顶面高于所述基座(10)的顶面；所述支撑结构(30)包括若干个支撑梁(300)，所述支撑梁(300)在所述支撑平台(20)四周并且对称设置。
2.根据权利要求1所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，所述支撑平台(20)为中空的圆柱形结构；所述支撑平台(20)内部设置有若干块第一加强筋(201)，若干块所述第一加强筋(201)呈中心辐射状分布。
3.根据权利要求2所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，所述支撑梁(300)围绕所述支撑平台(20)呈十字型分布。
4.根据权利要求3所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，所述支撑梁(300)的侧面呈直角梯形结构，所述支撑梁(300)包括与所述基座(10)侧面连接的第一端面(301)以及与所述支撑平台(20)的侧面连接的第二端面(302)；所述第一端面(301)的高度与所述基座(10)的高度相同，所述第二端面(302)的高度与所述支撑平台(20)的高度相同，所述支撑梁(300)的底面与所述基座(10)以及支撑平台(20)的底面位于同一平面。
5.根据权利要求4所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，所述基座(10)的每个边框(100)内设置有若干块第一隔板。
6.根据权利要求5所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，沿着第一端面至第二端面的方向，所述支撑梁(300)的内壁设置有多条第二加强筋(305)；所述支撑梁(300)内部设置有与所述第一端面或者第二端面平行的第二隔板(306)。
7.根据权利要求6所述的用于钢桁梁大节段制造的倒运工装，其特征在于，所述基座(10)内部设置有第三加强筋(101)。
8.一种如权利要求1所述的倒运工装的设计方法，其特征在于，基于ABAQUS软件进行有限元分析，得出最不利情况下支座的应力分布及变形情况，得到整体模型的最大应力以及最大变形满足倒运工装的要求，得到最终设计的倒运工装。
9.一种如权利要求1所述的倒运工装的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：所述的有限元分析方法包括以下步骤：
(1)计算参数假定：(1-1)工装的每个构件为薄板构件，以板单元进行建模分析；(1-2)钢材处于弹性变形阶段；(1-3)所有板单元的焊接连接强度满足构造要求；(1-4)将焊缝带来的额外自重荷载以密度增大系数的形式，平均分布于整个模型；(1-5)以最大Mises应力作为判断依据，通过不同工况下最大Mises应力与钢材屈服强度的比较判断构件是否失效；
(2)计算荷载：倒运工装采用最不利状况下的荷载计算；
(3)计算模型：(3-1)单元选择：模型采用线性四边形单元进行有限元模型的网格划分，几何形状复杂的边角位置采用线性三角形单元进行划分；(3-2)材料参数：包括材料建模密度、弹性模量、泊松比、材料几何尺寸及厚度，按设计结构建模后，再依此将构件组集成整体模型；(3-3)边界条件：考虑模型中两种主要的边界条件：第一类为固定边界，该边界用于吊点及支座支撑点位置；第二类为自由边界；
(4)计算结果及其分析：分析模型的受力变形，得到整体模型的最大应力以及最大变形满足倒运工装的要求，得到最终设计的倒运工装。
10.一种如权要求1所述的倒运工装的受力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：所述的分析方法为采用ABAQUS软件进行有限元分析，得到整体模型的最大应力以及最大变形。
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