MG450型提梁机结构稳定性分析 MG450型提梁机结构稳定性分析
刘明伟
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
摘 要：为了解作业过程中提梁机的结构稳定性能，结合MG450型提梁机作业模式，利用ANSYS建立提梁机整体有限元模型，分析不同作业模式下，荷载位置及门架高度变化对结构稳定性的影响。研究结果表明，起重小车在主梁上的相对位置对结构稳定性影响明显；跨线提梁模式，起重小车位于刚性支腿侧L/4处结构稳定性最好，起重小车位于柔性支腿侧L/4处结构稳定性最差；重载移梁模式，起重小车紧邻刚性支腿侧结构稳定性最好，起重小车位于柔性支腿侧L/4处时结构稳定性最差。研究结果便于提梁机作业时合理确定起重小车位置，可有效避免盲目作业带来的安全隐患。
关键词：提梁机;荷载位置;结构稳定;有限元分析
MG450型提梁机属于特种设备目录里的门式起重机，其主要作用是将预制梁场900 t级混凝土箱梁跨线提至高架线路上的运梁车。为保证提梁机作业安全，相关学者进行了大量分析研究，但多数研究专注于提梁机的强度和刚度分析及有限元建模策略[1-2]，针对于提梁机结构整体稳定性的分析较少涉及，失稳不仅致使结构发生大的形变，还可能导致构件破坏，继而引发安全事故。提梁机的支腿结构为压弯构件，存在整体稳定性问题，由于支腿截面均为变截面，其失稳计算较为繁杂，设计时多依据相关规范对其简化分析。相关研究表明[3-4]，提梁机结构强度、刚度和动力特性分析结果受其作业工况影响明显，基于作业工况的相关分析可进一步明确结构的真实受力状态。提梁机作为一种大型门式起重机，经常需要改造以适应转场后的作业环境[5-6]，作业工况变化对结构稳定性的影响程度需要深入分析，以确保作业安全。
1 MG450型提梁机作业模式
本文以文献[3]所提及的MG450型提梁机为研究对象，其额定起重量Q=450 t，跨度L=38 m，净高H=25 m(可通过增减支腿节段的方法，使其净高在20～30 m范围内调整)。提梁机主要作业模式分为2种：跨线提梁和重载移梁，如图1所示。
图1 提梁机作业图示
1.1 跨线提梁
跨线提梁作业时，提梁机支腿支承于走行轨道上，起重小车将箱梁提升至一定高度后，沿主梁上小车走行轨道横移至运梁车上方，进行装梁作业，如图1(a)所示。
1.2 重载移梁
根据作业需求，提梁机需要将不同存梁台座上的混凝土箱梁起吊至预定位置，根据现场情况不同，重载移梁作业时，起重小车可能位于主梁上不同位置，如图1(b)所示。
1.3 提梁机工况分析
提梁机跨线提梁时，为满足提梁装车的需要，起重小车需要沿主梁轨道横移作业；重载移梁时，考虑梁场布置方式的不同，也需考虑起重小车在主梁长度范围内的加载问题。因此，为分析起重小车在主梁上不同位置对整体稳定性的影响，按表1所示确定主梁加载位置x(距离刚性支腿距离)。
表1 主梁加载位置表
加载工况加载位置x/m说明17．0吊点距刚性支腿极限位置29．5主梁L/4处319．0主梁L/2处428．5主梁3L/4处531．0吊点距柔性支腿极限位置
鉴于提梁机可通过增减支腿节段来适应不同的作业高度需求，故需分析提梁机适应高度范围内的结构稳定性，本文分析时取净高H分别为20.0 m、22.5 m、25.0 m、25.5 m和30.0 m。
2 整体稳定性分析
为降低大跨度提梁机大车走行机构的横向水平力，MG450型提梁机设计时采用了假想铰的柔性支腿，即假想铰侧的支腿与主梁仍采用法兰连接，但支腿线刚度远小于主梁线刚度，实现在减小大车走行机构横向水平力的同时控制提梁机主梁横向水平位移的目的。假想铰柔性支腿的连接方式导致无法严格按照相关规范进行支腿的计算长度取值，传统计算方法不能确切的进行提梁机整体稳定性分析，本文利用ANSYS建立整体模型，利用屈曲特征值求解结构失稳临界荷载的方式进行提梁机稳定性分析，图2给出了2种作业工况的第1阶失稳模态。
图2 提梁机第1阶失稳模态
分析图2可知， 2种作业工况下，提梁机的第1阶失稳模态均为横向整体侧移失稳，但其屈曲特征值系数不同，说明提梁机作业工况不同时，其失稳时的临界荷载将有所区别，即整体稳定性分析需结合其具体工况进行。
为便于比较不同工况下的整体稳定性，设λ为稳定裕度:
式中：σj为提梁机结构失稳临界荷载所对应的应力；σr为结构实际荷载所对应的应力。
2.1 跨线提梁模式
为了明确提梁工况提梁机的结构稳定性，利用ANSYS进行了不同净高H、不同加载位置x下提梁机结构稳定性分析，提梁机结构稳定裕度λk变化如图3所示。分析图3可知：
图3 不同高度下结构稳定裕度曲线
(1)净高H不变情况下，当提梁机跨线梁体作业时，在起重小车由刚性支腿向柔性支腿走行的过程中，提梁机结构安全裕度出现了先升后降再升的趋势，在刚性支腿近端L/4处安全裕度最大，在柔性支腿近端L/4处安全裕度最小。
(2)以主梁跨中为分界线，起重小车在刚性支腿侧时的结构安全裕度远高于在柔性支腿侧，如在净高H取5种高度数值情况下，刚性支腿侧安全裕度最小值约为26%(H=30.0 m、工况1)，而柔性支腿侧安全裕度最大值约为17%(H=30.0 m、工况5)。
(3)起重小车处于同一加载工况时，起重小车位于主梁跨中和柔性支腿侧时，净高H取值越小，结构安全裕度越低；而当起重小车位于刚性支腿侧时，净高H取值越小，结构安全裕度则越高。上述分析表明，对于假想铰结构的提梁机，其刚性支腿和柔性支腿均为压弯失稳构件，在跨线提梁工作状态，起重小车在主梁上位置对结构稳定性影响明显。
2.2 重载移梁模式
重载移梁是提梁机作业过程中的必备工况，为此明确重载移梁作业时结构的稳定性，图4给出了不同净高H、不同加载位置x下，提梁机重载走行工况结构稳定裕度λz曲线。
图4 不同高度下结构稳定裕度曲线
分析图4可知：提梁机净高为某高度H时，在其大车走行进行重载移梁的过程中，随着起重小车在主梁上位置与刚性支腿距离x由7 m增至19 m时，结构安全裕度出现急剧下降，x由9.5 m增至19 m(刚性支腿侧L/4～L/2)时下降速率最快；当x由19 m增至31 m时，结构安全裕度出现了先降后升的趋势，当x=28.5 m(柔性支腿侧L/4)时，整体稳定裕度最小，但整体上保持平稳，说明在提梁机重载移梁工况，起重小车主梁上的位置对结构稳定性的影响同样明显。为进一步提高作业安全，起重小车应尽量位于刚性支腿侧，尽量避免将起重小车置于柔性支腿侧L/4处。
3 提梁机最不利作业模式分析
为明确提梁机的最不利作业模式，将差值β作为提梁机两种作业模式下结构稳定的对比指数：
式中:λz为提梁机重载移梁模式时结构裕度；λk为提梁机跨线提梁模式时结构裕度。
分析图5可知，提梁机取不同净高H时，差值β仅在加载工况1时为正值，其它加载工况均为负值，说明提梁机重载移梁作业模式的结构稳定性小于跨线提梁作业模式。为保证提高提梁机作业可靠性，提梁机重载移梁时，宜将起重小车置于刚性支腿侧，待提梁机整体走行到位后，再横移起重小车将箱梁移至所需梁位。
图5 提梁机不同净高、不同加载工况下的裕度差值β曲线图
4 结束语
利用ANSYS建立提梁机整体有限元模型，通过不同净高、不同加载位置情况下的结构稳定性分析，可明确提梁机跨线提梁作业模式和重载移梁作业模式的结构稳定裕度，便于提梁机作业时合理确定起重小车位置，可有效避免盲目作业带来的安全隐患。
参考文献：
[1]王斌华,邵雨红,吕彭民.基于ANSYS的450 t提梁机结构有限元分析[J].筑路机械与施工机械化,2011,28 (06):74-77
[2]陈士通,崔晨光,李玉安,等.900 t移梁机结构有限元仿真分析[J].图学学报,2016,37 (02):269-274
[3]陈士通,孙志星,李向东,等.基于线刚度比的提梁机结构动力特性分析[J].铁道工程学报,2014, 31(11):77-81,97
[4]李 鹏. 400 t分体式提梁机改进设计及工程实践 [D].秦皇岛:燕山大学,2013:13-36
[5]周 兵,施正宝.900 t轮胎式提梁机改造及在石武客运专线西平制梁场的应用[J].铁道标准设计,2010 (09):114-117
[6]钦祥凡.京沪高铁ML900-43型吊运梁机的加高技术改造[J].中国港湾建设,2011(04):64-67
An Analysis of the Structural Stability of the MG450-Type Girder-Hoisting Machine
LIU Mingwei
(The Engineering Design and Consulting Group Co. Ltd. of China Railway，Beijing 100055，China)
Abstract：To understand the structural stability of the girder-hoisting machine in the working process,and with the operational mode of the MG450-type girder-hoisting machine taken as an example，an integral finite element model for the girder-hoisting machine is established in the light of the ANSYS software in the paper,with the effects of the location of the load and the change in the height of the portal on the structural stability in different operational modes analyzed.The result of our studies shows that the relative position of the hoisting trolley on the main beam has obvious effect on the structural stability.In the mode of hoisting girders over existing railways, the structural stability is the best when the hoisting trolley is located at the L/4 of the stiff leg,and the structural stability of the girder-hoisting machine is the worst when the hoisting trolley is located at the L/4 of the flexible leg.In the operational mode of running with heavy loads，the structural stability ofthemachineisthebestwhenthehoistingtrolleyisclosetothestifflegandthestructuralstabilityofthemachineistheworstwhenthehoistingtrolleyislocatedL/4besidetheflexibleleg.Theresultofourresearchmayhelplocatethehoistingtrolleywhenthegirder-hoistingmachineisworking,whichhelpsavoidthepotentialrisksresultingfromrecklessoperations.
Key words：girder-hoisting machine;location of the load;structural stability;finite element
收稿日期：2017-02-20
作者简介：刘明伟(1983—)，男，工程师，主要从事桥梁设计工作。
DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.02.012
中图分类号：U455.36
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2017)02-0043-04
MG450型提梁机结构稳定性分析 MG450型提梁机结构稳定性分析
刘明伟
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
摘 要：为了解作业过程中提梁机的结构稳定性能，结合MG450型提梁机作业模式，利用ANSYS建立提梁机整体有限元模型，分析不同作业模式下，荷载位置及门架高度变化对结构稳定性的影响。研究结果表明，起重小车在主梁上的相对位置对结构稳定性影响明显；跨线提梁模式，起重小车位于刚性支腿侧L/4处结构稳定性最好，起重小车位于柔性支腿侧L/4处结构稳定性最差；重载移梁模式，起重小车紧邻刚性支腿侧结构稳定性最好，起重小车位于柔性支腿侧L/4处时结构稳定性最差。研究结果便于提梁机作业时合理确定起重小车位置，可有效避免盲目作业带来的安全隐患。
关键词：提梁机;荷载位置;结构稳定;有限元分析
MG450型提梁机属于特种设备目录里的门式起重机，其主要作用是将预制梁场900 t级混凝土箱梁跨线提至高架线路上的运梁车。为保证提梁机作业安全，相关学者进行了大量分析研究，但多数研究专注于提梁机的强度和刚度分析及有限元建模策略[1-2]，针对于提梁机结构整体稳定性的分析较少涉及，失稳不仅致使结构发生大的形变，还可能导致构件破坏，继而引发安全事故。提梁机的支腿结构为压弯构件，存在整体稳定性问题，由于支腿截面均为变截面，其失稳计算较为繁杂，设计时多依据相关规范对其简化分析。相关研究表明[3-4]，提梁机结构强度、刚度和动力特性分析结果受其作业工况影响明显，基于作业工况的相关分析可进一步明确结构的真实受力状态。提梁机作为一种大型门式起重机，经常需要改造以适应转场后的作业环境[5-6]，作业工况变化对结构稳定性的影响程度需要深入分析，以确保作业安全。
1 MG450型提梁机作业模式
本文以文献[3]所提及的MG450型提梁机为研究对象，其额定起重量Q=450 t，跨度L=38 m，净高H=25 m(可通过增减支腿节段的方法，使其净高在20～30 m范围内调整)。提梁机主要作业模式分为2种：跨线提梁和重载移梁，如图1所示。
图1 提梁机作业图示
1.1 跨线提梁
跨线提梁作业时，提梁机支腿支承于走行轨道上，起重小车将箱梁提升至一定高度后，沿主梁上小车走行轨道横移至运梁车上方，进行装梁作业，如图1(a)所示。
1.2 重载移梁
根据作业需求，提梁机需要将不同存梁台座上的混凝土箱梁起吊至预定位置，根据现场情况不同，重载移梁作业时，起重小车可能位于主梁上不同位置，如图1(b)所示。
1.3 提梁机工况分析
提梁机跨线提梁时，为满足提梁装车的需要，起重小车需要沿主梁轨道横移作业；重载移梁时，考虑梁场布置方式的不同，也需考虑起重小车在主梁长度范围内的加载问题。因此，为分析起重小车在主梁上不同位置对整体稳定性的影响，按表1所示确定主梁加载位置x(距离刚性支腿距离)。
表1 主梁加载位置表
加载工况加载位置x/m说明17．0吊点距刚性支腿极限位置29．5主梁L/4处319．0主梁L/2处428．5主梁3L/4处531．0吊点距柔性支腿极限位置
鉴于提梁机可通过增减支腿节段来适应不同的作业高度需求，故需分析提梁机适应高度范围内的结构稳定性，本文分析时取净高H分别为20.0 m、22.5 m、25.0 m、25.5 m和30.0 m。
2 整体稳定性分析
为降低大跨度提梁机大车走行机构的横向水平力，MG450型提梁机设计时采用了假想铰的柔性支腿，即假想铰侧的支腿与主梁仍采用法兰连接，但支腿线刚度远小于主梁线刚度，实现在减小大车走行机构横向水平力的同时控制提梁机主梁横向水平位移的目的。假想铰柔性支腿的连接方式导致无法严格按照相关规范进行支腿的计算长度取值，传统计算方法不能确切的进行提梁机整体稳定性分析，本文利用ANSYS建立整体模型，利用屈曲特征值求解结构失稳临界荷载的方式进行提梁机稳定性分析，图2给出了2种作业工况的第1阶失稳模态。
图2 提梁机第1阶失稳模态
分析图2可知， 2种作业工况下，提梁机的第1阶失稳模态均为横向整体侧移失稳，但其屈曲特征值系数不同，说明提梁机作业工况不同时，其失稳时的临界荷载将有所区别，即整体稳定性分析需结合其具体工况进行。
为便于比较不同工况下的整体稳定性，设λ为稳定裕度:
式中：σj为提梁机结构失稳临界荷载所对应的应力；σr为结构实际荷载所对应的应力。
2.1 跨线提梁模式
为了明确提梁工况提梁机的结构稳定性，利用ANSYS进行了不同净高H、不同加载位置x下提梁机结构稳定性分析，提梁机结构稳定裕度λk变化如图3所示。分析图3可知：
图3 不同高度下结构稳定裕度曲线
(1)净高H不变情况下，当提梁机跨线梁体作业时，在起重小车由刚性支腿向柔性支腿走行的过程中，提梁机结构安全裕度出现了先升后降再升的趋势，在刚性支腿近端L/4处安全裕度最大，在柔性支腿近端L/4处安全裕度最小。
(2)以主梁跨中为分界线，起重小车在刚性支腿侧时的结构安全裕度远高于在柔性支腿侧，如在净高H取5种高度数值情况下，刚性支腿侧安全裕度最小值约为26%(H=30.0 m、工况1)，而柔性支腿侧安全裕度最大值约为17%(H=30.0 m、工况5)。
(3)起重小车处于同一加载工况时，起重小车位于主梁跨中和柔性支腿侧时，净高H取值越小，结构安全裕度越低；而当起重小车位于刚性支腿侧时，净高H取值越小，结构安全裕度则越高。上述分析表明，对于假想铰结构的提梁机，其刚性支腿和柔性支腿均为压弯失稳构件，在跨线提梁工作状态，起重小车在主梁上位置对结构稳定性影响明显。
2.2 重载移梁模式
重载移梁是提梁机作业过程中的必备工况，为此明确重载移梁作业时结构的稳定性，图4给出了不同净高H、不同加载位置x下，提梁机重载走行工况结构稳定裕度λz曲线。
图4 不同高度下结构稳定裕度曲线
分析图4可知：提梁机净高为某高度H时，在其大车走行进行重载移梁的过程中，随着起重小车在主梁上位置与刚性支腿距离x由7 m增至19 m时，结构安全裕度出现急剧下降，x由9.5 m增至19 m(刚性支腿侧L/4～L/2)时下降速率最快；当x由19 m增至31 m时，结构安全裕度出现了先降后升的趋势，当x=28.5 m(柔性支腿侧L/4)时，整体稳定裕度最小，但整体上保持平稳，说明在提梁机重载移梁工况，起重小车主梁上的位置对结构稳定性的影响同样明显。为进一步提高作业安全，起重小车应尽量位于刚性支腿侧，尽量避免将起重小车置于柔性支腿侧L/4处。
3 提梁机最不利作业模式分析
为明确提梁机的最不利作业模式，将差值β作为提梁机两种作业模式下结构稳定的对比指数：
式中:λz为提梁机重载移梁模式时结构裕度；λk为提梁机跨线提梁模式时结构裕度。
分析图5可知，提梁机取不同净高H时，差值β仅在加载工况1时为正值，其它加载工况均为负值，说明提梁机重载移梁作业模式的结构稳定性小于跨线提梁作业模式。为保证提高提梁机作业可靠性，提梁机重载移梁时，宜将起重小车置于刚性支腿侧，待提梁机整体走行到位后，再横移起重小车将箱梁移至所需梁位。
图5 提梁机不同净高、不同加载工况下的裕度差值β曲线图
4 结束语
利用ANSYS建立提梁机整体有限元模型，通过不同净高、不同加载位置情况下的结构稳定性分析，可明确提梁机跨线提梁作业模式和重载移梁作业模式的结构稳定裕度，便于提梁机作业时合理确定起重小车位置，可有效避免盲目作业带来的安全隐患。
参考文献：
[1]王斌华,邵雨红,吕彭民.基于ANSYS的450 t提梁机结构有限元分析[J].筑路机械与施工机械化,2011,28 (06):74-77
[2]陈士通,崔晨光,李玉安,等.900 t移梁机结构有限元仿真分析[J].图学学报,2016,37 (02):269-274
[3]陈士通,孙志星,李向东,等.基于线刚度比的提梁机结构动力特性分析[J].铁道工程学报,2014, 31(11):77-81,97
[4]李 鹏. 400 t分体式提梁机改进设计及工程实践 [D].秦皇岛:燕山大学,2013:13-36
[5]周 兵,施正宝.900 t轮胎式提梁机改造及在石武客运专线西平制梁场的应用[J].铁道标准设计,2010 (09):114-117
[6]钦祥凡.京沪高铁ML900-43型吊运梁机的加高技术改造[J].中国港湾建设,2011(04):64-67
An Analysis of the Structural Stability of the MG450-Type Girder-Hoisting Machine
LIU Mingwei
(The Engineering Design and Consulting Group Co. Ltd. of China Railway，Beijing 100055，China)
Abstract：To understand the structural stability of the girder-hoisting machine in the working process,and with the operational mode of the MG450-type girder-hoisting machine taken as an example，an integral finite element model for the girder-hoisting machine is established in the light of the ANSYS software in the paper,with the effects of the location of the load and the change in the height of the portal on the structural stability in different operational modes analyzed.The result of our studies shows that the relative position of the hoisting trolley on the main beam has obvious effect on the structural stability.In the mode of hoisting girders over existing railways, the structural stability is the best when the hoisting trolley is located at the L/4 of the stiff leg,and the structural stability of the girder-hoisting machine is the worst when the hoisting trolley is located at the L/4 of the flexible leg.In the operational mode of running with heavy loads，the structural stability ofthemachineisthebestwhenthehoistingtrolleyisclosetothestifflegandthestructuralstabilityofthemachineistheworstwhenthehoistingtrolleyislocatedL/4besidetheflexibleleg.Theresultofourresearchmayhelplocatethehoistingtrolleywhenthegirder-hoistingmachineisworking,whichhelpsavoidthepotentialrisksresultingfromrecklessoperations.
Key words：girder-hoisting machine;location of the load;structural stability;finite element
收稿日期：2017-02-20
作者简介：刘明伟(1983—)，男，工程师，主要从事桥梁设计工作。
DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.02.012
中图分类号：U455.36
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2017)02-0043-04