移动模架以快速施工、不需预制梁场、不影响施工现场桥下交通等诸多优点, 应用于世界各地^[1,2,3]。尤其是国内高铁高速发展时期, 国内的移动模架也是高速发展, 但造桥机属于大型非标准化设备, 目前国内还没有统一的国家标准, 仍处于无标准设计规范、无标准加工验收评估、无标准使用维护规章的三无状态^[4]。该双幅并制式移动模架造桥机是一种新型造桥机, 该造桥机可实现双幅梁体并制, 最大混凝土浇筑量可达498m³, 最大荷载高达16 530.6k N, 为目前国内同跨径下承载力最大, 整体结构如图1所示。为确保该设备能够安全可靠地使用, 本文采用有限元软件ANSYS, 对该造桥机进行强度和刚度仿真计算, 并进行了预压试验, 根据理论和试验对比结果进行了一些相关分析研究。

移动模架造桥机仿真计算方法有3种: (1) 根据材料力学原理, 简单手算; (2) 高版本机械版CAD有限元计算; (3) 大型有限元ANSYS仿真分析。前两者是将模型极致处理, 计算很粗劣, 后者是根据实际尺寸, 采用板单元、梁单元、杆单元结合, 按照实际受力加载, 并施加准确的约束条件, 建立严格的有限元计算模型^[5,6], 如图2a所示。选取造桥机最大受力工况, 计算结果如图2b、图2c所示。结果显示:箱梁最大应力为168MPa, 小于许用应力233MPa, 故满足强度条件, 发生在箱梁中支腿上部腹板偏下位置。箱梁净变形如表1所示, 由表1可知最大竖向净变形为43.11mm, 位于施工方向第4根横梁处, 由于小于挠度比[f]=50mm, 故满足刚度条件。

预压试验本着因地制宜的原则, 利用砂袋和海水代替混凝土材料, 如图3所示。加载分3级为:0→60%→100%→103%, 分别检测各测点的应力值。卸载也分3级进行:103%→100%→60%→0, 卸载后, 观察各测点残余应力^[7,8,9,10]。预压试验的目的在于:检验造桥机在加载过程中是否能够满足强度、刚度和稳定性要求;消除安装过程中造桥机产生的非弹性变形;通过对比理论值, 验证本文采用的仿真计算的适用性;为其他造桥机施工提供参考等。

根据结构有限元计算结果, 在箱梁、横梁中支腿和后支腿等部位共选测点22个, 其中应变片16个, 应变花6个。共需34个测量通道。加载到103%工况下, 各检测点应力理论值与试验值对比如表2所示。

由表2可知:在加载过程中, 各测点应力理论值与试验值基本相似, 均满足强度条件。左右两侧对称位置的测点应力值, 左侧普遍高于右侧, 左右2根箱梁腹板处相差13MPa, 这可能是因为制造和安装误差、加载的不均匀性、天车的晃动、中支腿油缸顶升高度不等、桥墩标高有误差等造成。

上述因素中前三者具有不可控性, 后两者是可以通过调节弥补, 具有一定的研究价值。如果能找到应力偏差值和标高差之间的某种关系, 就可以给其他造桥机施工过程中出现的类似现象提供参考。本文将重点研究由于顶升高度或桥墩引起的标高差对应力偏差的影响关系, 建立的有限元模型通过梁单元模拟实际油缸, 如图4所示, 由于左侧偏大, 故本文通过在有限元模型中支腿下部的模拟油缸末端施加竖直位移约束代替实际标高差。标高差取10, 20, 30, 40, 50, 60mm 6种, 分别重新计算应力值, 取箱梁腹板处的计算结果如表3所示。

通过图4中的拟合曲线, 我们可以得到应力偏差值σ_Δ与标高差h的近似线性公式:

1) 通过理论应力与试验应力对比分析, 该造桥机满足使用条件, 说明本文的有限元软件ANSYS仿真计算法具有适用性。

2) 箱梁净变形曲线可以为施工调整预拱度提供参考。

3) 该造桥机结构庞大, 由于安装、制造、标高等因素, 在加载过程中, 出现了对称位置左右应力偏差, 这在有风荷载工况下施工时, 是非常危险的, 必须进行必要的抗倾覆校核以及全程监测控制。

4) 随着标高差的增大, 应力偏差也逐渐增大, 呈线性关系, 根据拟合曲线方程, 可为类似造桥机施工中出现的应力偏差、调整标高数据提供参考。