機(jī)臂是高速鐵路架橋機(jī)的重要部件，通常為了減輕結(jié)構(gòu)自重，機(jī)臂的腹板和翼緣板應(yīng)盡量選得薄一些，但在結(jié)構(gòu)局部區(qū)域，薄板可能產(chǎn)生屈曲，致使結(jié)構(gòu)在該區(qū)域的受力情況嚴(yán)重惡化，甚至可能在很小外力作用下，也會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞，因此對(duì)大跨度機(jī)臂必須把結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算作為主要控制條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于機(jī)臂受壓區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，用解析法很難得出其臨界載荷，而用Super SAP屈曲模塊進(jìn)行計(jì)算可以方便地得到。由于穩(wěn)定性計(jì)算需要多次迭代求解，如果整個(gè)模型全部采用細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，不但求解時(shí)間較長(zhǎng)，而且易被其它薄弱環(huán)節(jié)干擾，求出的臨界載荷可能偏小或者不是我們關(guān)心區(qū)域的臨界載荷；如果從架橋機(jī)整體模型中提取機(jī)臂中部細(xì)部結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，其邊界條件不易給出，即使能給出也很煩瑣。本文將機(jī)臂中部用板單元模擬形成細(xì)部結(jié)構(gòu)，其余部分用等剛度的梁?jiǎn)卧M整體結(jié)構(gòu)，然后將細(xì)部結(jié)構(gòu)插入到整體模型中，可方便地求出細(xì)部結(jié)構(gòu)的臨界載荷和失穩(wěn)模態(tài)。
　　1 架橋機(jī)力學(xué)模型
　　1.1基本參數(shù)
　　某架橋機(jī)由機(jī)臂、前支腿、后支腿、輔助支腿、下導(dǎo)梁、吊梁小車構(gòu)成，前后支腿相距36m，小車軌距為1.6m，兩側(cè)機(jī)臂中心距為6.8m，機(jī)臂高度為3m。架橋機(jī)總長(zhǎng)為74m，高為13.4m，寬為17.8m。架梁載荷為900t，小車重45t。后支腿與機(jī)臂固接，前支腿與機(jī)臂鉸接。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2工況分析
　　架橋機(jī)架梁施工過(guò)程如下：
　?。?）前吊梁小車將梁片吊起；
　　（2）前吊梁小車將梁片運(yùn)行至跨中；
　?。?）后吊梁小車將梁提起；
　?。?）前后小車同步運(yùn)行；
　?。?）落梁對(duì)位。
　　針對(duì)第（2）種工況對(duì)機(jī)臂中部受壓區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其工況示意圖如圖2所示。

圖2 前吊梁小車將梁片運(yùn)行至跨中

　　2 有限元模型的建立
　　取單側(cè)機(jī)臂中部為細(xì)部結(jié)構(gòu)，選用6個(gè)不同厚度板模擬機(jī)臂細(xì)部結(jié)構(gòu)的上下蓋板、左右腹板、隔板和筋板。選用32個(gè)不同截面梁?jiǎn)卧M整體。將整體模型中細(xì)部結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)h去，將細(xì)部結(jié)構(gòu)插入到整體模型中，連接部位使用虛擬的剛性單元，它的作用主要保證插入端連接部位的變形協(xié)調(diào)。利用架橋機(jī)的對(duì)稱性，將一側(cè)機(jī)臂采用細(xì)部結(jié)構(gòu)，而另一側(cè)用梁?jiǎn)卧?，這樣可以達(dá)到相互驗(yàn)證的目的，有限元模型如圖3所示。同時(shí)將整體全部采用梁?jiǎn)卧M進(jìn)行了對(duì)比分析，其有限元模型如圖4所示。

圖3 梁板混合有限元模型

圖4 梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ?/td>

　　3 有限元分析
　　3.1靜力分析
　　在進(jìn)行屈曲分析之前，先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，以判斷剛性單元的參數(shù)和連接以及給出的恒載比例系數(shù)是否正確。無(wú)論是用梁?jiǎn)卧鍐卧€是塊單元建立的有限元模型，其整體變形應(yīng)當(dāng)是一致的。基于這一點(diǎn)，只要細(xì)部結(jié)構(gòu)兩端點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角與另一側(cè)機(jī)臂梁?jiǎn)卧鄳?yīng)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角相等即可，首先對(duì)圖2有限元模型進(jìn)行了靜力分析，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。
　　

表1 靜力分析計(jì)算結(jié)果

　　整體結(jié)構(gòu)的變形圖如圖5所示。
　　

圖5 位移顯示

　　根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以看出細(xì)部結(jié)構(gòu)兩端點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角與另一側(cè)機(jī)臂相應(yīng)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)角基本一致，表明剛性單元的參數(shù)選擇和連接正確。
　　3.2屈曲分析
　　在靜力分析的基礎(chǔ)上對(duì)圖3進(jìn)行屈曲分析，求得機(jī)臂局部失穩(wěn)時(shí)的屈曲載荷因子λ=3.9，局部失穩(wěn)模態(tài)如圖6所示。從圖6中可以看出，機(jī)臂中部靠近上蓋板位置處的腹板發(fā)生了失穩(wěn)。因?yàn)榇颂幨艿絻蓚€(gè)方向的擠壓，一是來(lái)自小車輪軌的垂直壓力，另外來(lái)自于機(jī)臂彎曲引起的水平方向的壓力，因此機(jī)臂在該位置最易出現(xiàn)局部失穩(wěn)，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際分析是吻合的。如果對(duì)整體模型圖4進(jìn)行屈曲分析，失穩(wěn)時(shí)的屈曲載荷因子λ=5.8，其失穩(wěn)模態(tài)如圖7所示。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)用梁?jiǎn)卧M整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析時(shí)，出現(xiàn)失穩(wěn)位置是前支腿的斜撐桿，而且屈曲載荷系數(shù)也大于局部計(jì)算時(shí)的臨界載荷。

圖6 局部失穩(wěn)模態(tài)

圖7 整體失穩(wěn)模態(tài)

　　3.3 隔板和縱向筋對(duì)機(jī)臂失穩(wěn)的影響
　　在機(jī)臂各板厚度一定的情況下，對(duì)隔板和縱向筋對(duì)機(jī)臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響也進(jìn)行了分析。為了減輕重量，通常機(jī)臂隔板的間距不可能很密，考慮到腹板上半部易出現(xiàn)失穩(wěn)，按設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，通常在腹板的上半部布置兩條縱向筋，下半部布置一條縱向盤(pán)筋，分別對(duì)隔板和縱向筋單獨(dú)作用時(shí)進(jìn)行了計(jì)算。這時(shí)得到的屈曲載荷因子λ分別為0.770213和1.86305，計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)隔板距離一定時(shí)，縱向筋對(duì)改善機(jī)臂腹板的穩(wěn)定性十分明顯，計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 隔板對(duì)機(jī)臂失穩(wěn)的影響

圖9 縱向筋對(duì)機(jī)臂失穩(wěn)的影響

　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　對(duì)于承受較重載荷的大跨度機(jī)臂結(jié)構(gòu)，為了減輕重量，又要保證一定的抗彎性能，通常板厚選得較薄而且載面尺寸較大，因此薄板穩(wěn)定問(wèn)題顯得很突出。尋找一種快速精確求出局部失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷和失穩(wěn)模態(tài)的方法很有必要，而用有限元方法求解局部穩(wěn)定性是一個(gè)有效方法。通過(guò)以上分析和計(jì)算，以下幾點(diǎn)值得注意：
　　（1）在對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)，連接邊界應(yīng)盡量遠(yuǎn)離所關(guān)心的區(qū)域，比如本文需要了解機(jī)臂中部腹板穩(wěn)定性時(shí)，其連接部位應(yīng)靠近兩端的前支腿和后支腿。
　?。?）當(dāng)把符合梁?jiǎn)卧卣鞯氖軌翰考恼w結(jié)構(gòu)中分離出來(lái)，簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧M(jìn)行歐