基于ABAQUS软件的大吨位钢箱梁施工吊耳的有限元分析.docx

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1、基于ABAQUS软件的大吨位钢箱梁施工吊耳的有限元分析摘要：大吨位钢箱梁在施工的过程中可靠性和安全性的保证与吊耳的结构形式有着直接的关系，在吊耳的设计过程中，吊耳的强度和焊缝强度是最主要的影响因素；吊耳板孔的撕裂及吊耳与钢箱梁表面焊接强度不够很容易导致吊耳失效；吊耳的受力情况非常复杂，借助ABAQUS软件对吊耳结构的接触强度进行研究，对比分析普通板式吊耳和带加强板吊耳的受力情况，依据钢箱梁外形特点及受力情况，提出了吊耳结构相应的改进措施。结果表明：通过有限元分析得到的应力和应变变化云图与实际结果比较接近，该设计分析方法和结构形式安全可靠，可为类似工程提供参考依据。关键词：钢箱梁；吊耳；强度计算

2、；有限元分析O前言目前，随着国内钢结构行业的快速发展，钢结构工程越来越多的受到青睐；由于钢结构施工工期短，对主要交通影响较小且环保、施工方便，钢箱梁结构越来越多地运用于公路桥梁的设计中。钢结构桥梁在设计过程中要对每一节段进行横向分块，每个块体上设有多个吊耳，吊装完成后将吊耳拆除。每年吊耳使用量巨大，如果吊耳的设计强度不符合要求，将会给整个施工过程带来巨大的隐患，不及时处理会带来安全事故，因此，吊耳的强度校核是设计人员一项非常重要的任务。目前，吊耳的强度计算并没有特别规范的方法，实际工程施工过程中,一般采用理论方法和经验公式进行校核，主要包括以下3个方面：吊耳孔与插销接触强度校核、吊耳危险截面强

3、度校核及吊耳与被吊件焊缝强度的校核1。随着计算机数值模拟技术的快速发展，有限元分析技术在建筑施工工程中应用越来越广泛，采用有限元对吊耳的强度进行校核已经成为一种快速高效的强度计算方法2-3O张系斌4运用ANSYS软件对吊耳的应力进行了分析，并提出了相应的校核方法；肖文勇5等对插销与吊耳的接触问题进行了深入的研究，并通过数值模拟提出了相应的改进方法；于万明6采用模拟与试验相结合的方法，对吊耳的结构设计、材料性能及焊接工艺进行了系统的研究。本文结合武汉龙阳大道1Y12联钢箱梁工程成功设计与安装的实例，说明吊耳的设计和分析方法，并对比分析传统的算法与有限元数值模拟技术两者之间的差别。该设计思路比较清

4、晰，具有较强的实际操作性。1工程实例武汉龙阳大道钢箱梁改造工程共有8个联段，最大跨度达80m,全长1086m,桥面最宽处43m,总用钢量19000to钢箱梁截面形式如图1所示。每个块体上分布4个吊耳，吊耳焊接在钢箱梁桥面上，吊点设置具体分布如图2所示。25870图1钢箱梁截面形式图2吊点设置示意2吊耳设计2. 1吊耳材料选取吊耳的材料选择应该遵循与母材材质相同或者相近的原则，在特殊情况下，吊耳的材质可以比母材高一级别。重型设备的吊装可以选择Q345低合金高强度结构钢，具有很好的可焊性；一般吊装可以选择Q235碳素结构钢。普通吊耳的强度应满足式(1)7：_kFR2+产TR2产、九式中：。为吊耳板

5、孔壁承压应力，MPa；fv为吊耳板材料抗剪强度设计值，MPa；k为动载综合系数；R为吊耳外环半径，mm；r为吊耳孔半径，mm；F为吊耳径向拉应力，N；d为吊耳孔直径，mmo2.2吊耳尺寸设计依据钢箱梁外形尺寸、结构特点、受力分布、起吊重量等，本工程所用吊耳采用自行设计、现场焊接施工的方法。实际施工块体重量为360kN,为了保证块体起吊的稳定性和平衡性，设计采用4个板式吊耳，每个吊耳的起吊重量为90kN,吊耳的材质为Q235,考虑到0.8倍的安全系数及动载因素等，每个吊耳的承载作用力按照150kN计算。图3中普通板式吊耳中耳板宽度、耳板厚度、孔顶至板顶距离满足式：B=(2.42.6)。Va=(0

6、.9105)d1/20B式中：B为吊耳板的长度，nun；3为吊耳板孔壁厚度，mm；d为吊耳孔直径，mm；a为孔顶至板顶距离，mm。上述吊耳孔直径一般是依据销轴直径确定的，通过计算施加在销轴上的作用力，考虑安全系数就可以估算出来。一般的吊耳设计形式如图3所示，依据工程实际使用情况，本工程采用带加强板形式的吊耳，如图4所zjxO图3普通板式吊耳图4带加强板吊耳2.3吊耳校核要点实际的吊装过程中，销轴的直径相比吊耳孔的直径会小很多，导致吊耳的受力情况非常复杂。部分技术人员在吊耳受力的验算过程中仅考虑受拉过程，不考虑压应力。片面的只校核吊耳断面的拉应力这是不够的。吊耳主要验算部分如下。1)吊耳孔壁的局

7、部受压承载力。应满足式(3)：cj=(Qyg力)/(2一台)fci2)吊耳孔壁受拉承载力。应满足式(4)：tj=(7Cj(R2+)(R2r2)ft.式中：OCj为孔壁局部受压承载力；Yg为载荷分项系数；r为吊耳孔半径；为动力系数；P为吊耳板载荷标准值；3为吊耳板厚度；Otj为孔壁受压承载力；fcj为局部承压强度；R为吊耳板外环尺寸；ftj为孔壁抗拉强度设计值。3有限元分析(1) 模型建立钢箱梁在起吊的过程中，吊耳孔处由于受到拉应力的作用，会产生较大的应力集中。在起吊较重的重物时，焊缝的焊接质量(强度)无法得到可靠的保证。实际施工时通常会在两侧安装加强版以提高吊耳板的安全系数,这样能达到应力分散

8、的目的，同时可提高吊耳的稳定性。利用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟分析，为了模拟吊耳实际受力情况，增加了焊缝模型及钢箱梁面板模型。钢箱梁每个块体4个拐角处分别布置一个吊耳，吊耳材质为Q235,强度设计满足壳体最小壁厚要求9-10,吊耳板的许用拉应力o1=113MPa,吊耳板的许用剪应力1=79.1MPa,角焊缝系数为0.7,动载综合系数k1.65,块体的最大重量G=350kN,重力加速度g=9.8ms2,吊耳板厚度为30mm。分析过程中，由于焊缝母材与吊耳母材相近，焊缝与吊耳、焊缝与底板之间边界条件处理采用Tie形式，力的施加是在吊耳孔表面施加表面载荷。由于吊耳形状规则，采用C

9、3D8R实体单元进行网格划分，图5为普通板式吊耳分析模型，图6为带加强板吊耳分析模型。图5普通吊耳分析模型图6带加强板吊耳分析模型3. 2结果分析从图7普通板式吊耳应力的计算结果云图可知，最大的应力出现在吊耳孔处，最大的应力值为49.87MPa；图8中带加强板吊耳同样在吊耳孔处出现了应力集中，应力最大值为3166MPa,相比普通吊耳应力减少了36.5%,由此可见，带加强板的吊耳达到了减小应力的目的。应力集中的主要原因是外载荷施加的位置不均匀，在吊耳孔与销轴接触的中心处受到较大拉应力的作用，同时在其周围也受到了径向的压应力作用。图8带加强板吊耳应力分析结果MPa吊耳在起吊的过程中，Z向往往受到较

10、大力的作用而产生一定量的变形。图9为普通板式吊耳Z向最大位移云图；图10为带加强板吊耳Z向最大位移，其最大位移相比普通板式吊耳减少了15.8虬由此可见，带加强板的吊耳起到了减小变形增加稳定性的目的。表1为有限元分析结果和公式计算结果的对比。从表中可以看出，带加强板吊耳Z向最大位移要明显小于普通板式吊耳，带加强板吊耳应力计算结果和公式计算结果相近，完全可以作为实际施工参考。两种状况的数值模拟最大应力值都在50MPa以内，均小于材料的屈服强度，结构变形始终处于弹性工作状态，受力过程引起的结构变形是可以恢复的，不会产生永久变形，故此结构设计合理，安全可靠。图9普通吊耳Z向最大位移mm图10带加强板吊

11、耳Z向最大位移mm表1三种情况计算结果项目吊耳孔内壁应力/MPa吊耳与桥面接触应力/MPaZ向最大位移/mm普通吊耳49.811.60.019带加强板吊耳31.67.90.016公式计算结果27.97.6项目吊耳孔内壁应力/MPa吊耳与桥面接触应力/MPaZ向最大位移mm普通吊耳49.811.60.019带加强板吊耳31.67.90.016公式计算结果27.97.6-4结语本文对吊耳的设计及校核进行了介绍，讨论了吊耳的加固措施。并利用ABAQUS软件对大吨位钢箱梁施工时吊耳强度进行了有限元分析，得到安全可靠的分析结果。通过模拟分析可以看出，吊耳孔内壁及吊耳与板材的连接处是主要的应力集中区域。通

12、过对板式吊耳安装加强版，使应力集中现象得以减小，提高了吊耳结构的稳定性。本文的分析方法简单实用，具有一定的工程指导意义。参考文献：1肖文勇.潜艇分段板式吊耳强度校核J.船海工程，2007,36(5):38-40.2李潇潇.沧州体育场钢结构屋盖铸钢节点有限元分析J.钢结构，2013,28(10):36-38.3吴兵，傅学怡，曲家新.深圳北站东西广场人行天桥舒适度分析J.钢结构，2012,27(10):12-16.4张系斌，童伟伟.龙门起重机主梁揽风吊耳的应力分析J.水利与建筑工程学报，2009,7(2):50-51.5肖文勇，余凯.吊耳局部有限元建模技术分析J船舶工程,2009,31(4):94-97.6于万明，王喜闻，张晓音，等.船舶吊装眼板安全可靠性分析C第十一届全国实验力学学术会议.合肥：中国科学技术大学出版社，2005：1081-1084.7钱亚臣，李毅民.机械设备上吊耳的设计原则J.起重运输机械，2007(12):37-38.8徐志栓.关于构件吊耳板设计的探讨J.水运工程，2006(5):37-40.9 GB/T7714-1994设备吊耳S10 GB/T7714-2011压力容器S.