徐格宁、焦国民、顾宏泽、王希贤
0 简介
架桥机是将预制梁放置在预制桥墩上的大型机械设备。新规划的铁路线路将经过大量的桥梁和隧道区段，架桥机需要通过隧道出入口进行架桥作业。架设梁。隧道断面设计要求为250 km/h和350 km/h。现根据要求设计一种新型铁路架桥机金属结构。新型梁的主要参数为40 m长、宽 12.6 m、高 3.2 m，质量 950 t。通过对现有铁路、公路架桥机金属结构主要型号的分析研究，提出了一种新型铁路架桥机金属结构设计方案。采用有限元大型结构分析软件Ansys对主梁进行模态分析，得到主梁的固有频率及振型，有助于改进主梁钢结构设计。
1.新型铁路架桥机金属结构
新型铁路架桥机主要技术参数为：额定起重量950吨，架设梁跨为40米、32米等跨、变跨整跨箱梁，起、降梁速度为0至0.5米/分钟，架设方式为单跨简支，最大允许工作纵坡2%，适应工作环境温度-20℃至50℃，适应风力6级（工作状态）、11级（非工作状态）。状态），整机工作级别为A3级。
如图1所示，新型铁路架桥机主要结构包括主梁、前车、后车、主支腿、副支腿、起重小车等。通过隧道出入口的剖面如图2所示。 2、该机主梁由上、下导梁组成，前半部下导梁的加强筋在导梁外侧，主支腿可带动车轮组沿轨道行走通过下导梁前端的定扭矩电机驱动主支腿，通过电机带动液压缸垂直升降。与SLJ900移动架桥机相比，架梁作业操作流程更加简洁、经济。
1.主支腿 2.前车 3.辅支腿 4.起重小车 5.主梁 6.后车
图1 一体化运架架桥机金属结构
1.250 公里/小时隧道段 2.350 公里/小时隧道段
图2 一体化运架架桥机进出隧道剖面图
如图3所示，一体化架桥机运梁架梁工艺流程为：1）将梁运至梁节段端部，主腿在桥墩上方就位；2 )主支腿支撑，前车悬浮在空中；3)主梁向前移动，辅助支腿到达梁段末端；4)辅助支腿支撑，前车悬浮在空中；5）主腿前进，主腿移至桥墩顶部；6）主腿支撑，辅腿悬空；7）主梁继续前进，梁段就位，梁掉落。
图3 运架梁一体化架桥机流程图
2 主梁有限元模态分析
主梁是架桥机金属结构的重要部件，其质量约占整机质量的60%，通过对架桥机主梁进行模态分析，得到主梁的固有特性从而完善架桥机主梁的动态设计。采用有限元大型结构分析软件Ansys对架桥机主梁进行模态分析，计算架桥机主梁的固有频率。架桥机主梁各阶振型及对应的振型，得到架桥机主梁最大振幅出现的位置。在架桥机主梁设计时应注意致力于调整这些部件的刚度。
2.1 模态分析的理论基础
模态分析的目的是提取系统的模态参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断与预报、结构动态优化设计提供依据。
对于具有N个自由度的线性振动系统，自由振动的运动微分方程可表示为
式中：m，c，k分别为结构总质量矩阵、总阻尼矩阵、总刚度矩阵；
x是结构的加速度矢量、速度矢量和位移矢量。
假设方程的解具有简谐运动的形式，即
其中：X元素表示每个点的振幅。将公式（2）代入公式（1），可得
方程（3）有非零解的唯一条件是其位移阻抗矩阵Z的行列式等于0，即
当m、c、k均为正定矩阵时，对式（4）进行展开后，可求出N个特征值ωr2（r=1，2，…，N），其平方根ωr即为该系统可按大小顺序排列：
其中：ωi为固有频率（i=1，2，…，N）。将各特征值ωr2代入公式（3），可得到相应的特征向量φr，满足
这个向量就是系统的特征向量，特征向量就是系统的模态，也叫振形，也就是系统模态振动的变形形状。
1.2 有限元模型建立
架桥机主梁由上、下导梁用螺栓连接而成，下导梁前段下盖板中间有开口，以便前腿在轨道上行走和支撑基于有限元大型结构分析软件Ansys，利用APDL语言建立新型铁路架桥机主梁三维几何模型（见图4），其弹性模量E=2.07×1011Pa，泊松比μ=0.3空间钢结构apdl参数化计算与分析 下载，密度ρ=7 800kg/m3。
2.3 单元类型及网格划分
架桥机主梁由钢板焊接而成，其结构需满足一定的要求，如径厚比大、材料性质接近、激振控制在低频范围内等，因此，主梁属于板壳结构，因此模型采用更符合实际情况的壳单元Shell 63，如图5所示，Shell 63为4节点单元，该单元有6个每个节点的自由度为沿x、y、z轴平移，绕x、y、z轴旋转。网格类型采用四边形网格，网格尺寸为0.05 m，网格划分采用混合网格部门。
图4 运架一体式架桥机主梁模型
图5 壳体63壳体单元结构图
2.4 求解并查看结果
模态分析采用Ansys软件提供的7种模态分析方法中的Block Lanczos方法求解高阶实对称矩阵的特征向量并显示结果。该方法是求解大型系统的特征值最有效的方法矩阵形式，其计算量远小于子空间迭代法。通过求解计算架桥机主梁前8阶频率，提取模态分析计算结果如图6所示。
通过分析主梁各阶振型图可知，主梁第1、3、4阶振型主要为水平弯曲变形，最大振幅位于主梁前部截面2、5阶振型以竖向弯曲变形为主，最大振幅位于主梁前段；6阶振型以水平扭转为主，最大扭转位置位于主梁中部；7阶振型以水平扭转为主，最大扭转位置位于主梁中部。振型也以水平扭转为主，最大扭转发生在主梁前段；8阶振型为水平拉伸变形，最大变形发生在主梁前半部分。
图6 前8阶振型计算结果
总体上，主梁的振动模态主要为水平振动、垂直振动、水平扭转和振动变形。从振动模态看，最大振幅主要发生在主梁前段和中段附近。因此空间钢结构apdl参数化计算与分析 下载，主梁设计时应加强这些部位的刚度，各阶振型的固有频率及振型如表1所示。
3 结论
1）架桥机主梁1，3，4阶振型均为主梁水平振动，其基频分别为1.639 1 Hz＞1.5 Hz，表明主梁水平刚度架桥机运行状况良好。
2）架桥机2、5阶振型均为主梁竖向振动，其基频分别为2.561 9 Hz＞2 Hz，表明架桥机主梁竖向刚度对桥面刚度有较好的适应性。确保架桥机运行良好，架桥机在升降梁时不会发生共振。
3)通过对新型铁路架桥机主梁进行模态分析，表明该架桥机主梁设计满足动力学要求。
