桥梁检测车垂直桁架变形原因分析与实验研究

李 伟，张 辉

1 引言

桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员提供作业平台，装备桥梁检测仪器的专业车辆；垂直桁架是非常重要的受力构件，其结构性能的好坏直接关系到检测人员的人身安全。某企业生产的桥检车在实际使用过程中，桥检车桁架玄杆出现变形情况，变形具体位置，如图1所示。为了从根本上找到事故变形原因，从设计上改变结构，消除桁架变形带来的安全隐患。因此，需通过有限元分析，查找玄杆变形原因，通过实验验证分析结果，并提出结构改进方案。目前，有限元计算方法在桥检车的设计过程中普遍应用，但主要集中在理论建模分析研究，缺乏实验研究，理论分析结果的精度难以保证，通过采用理论建模分析结合实验研究的分析方法，对桁架变形原因问题进行深入研究。从设计人员和检测人员的角度来考虑问题，完成垂直桁架的结构分析和优化工作。

图1 桁架局部变形现场图片Fig.1 Live Pictures of the Local Deformation of the Truss

首先，对桥检车垂直桁架几何模型运用HyperMesh软件进行处理，建立该部分有限元模型。在模型建立完成后，利用ANSYS软件施加约束和载荷，对工作平台全伸和全缩不同角度位置工况下进行桁架静强度结构分析，分析玄杆变形处的应力情况。其次，应用LMS公司的scandas动态应变测试设备对桥检车垂直桁架进行应力测试，垂直桁架共6个测点，整理测试结果实验数据。最后，对垂直桁架计算和测试结果进行了对比分析，对比结果验证了垂直桁架分析结轮的正确性，提出了玄杆变形区域的改进结构方案，为桥检车垂直桁架的设计计算和实验研究提供了参考。

2 垂直桁架受力分析及有限元模型

2.1 桁架受力分析

桥检车在工作平台全伸90°作业工况时，桥检车的受力形式比较明确，如图2所示。桥检车在90°工作状态下，桁架受到的外载主要是工作平台自重G1和外载荷G2；桥检车主要通过上下拉升油缸和卡在桁架上的滑道运动，所以在某一静止工况下，桥检车的约束也是来自油缸和滑道。由式（1）可以看出，桥检车桁架主要受到由G1和G2引起的拉力F和弯矩M，而竖直向下的拉力F由桁架的两个提升油缸抵消，而弯矩M只能由滑道上的F1和F2来抵消，而F1和F2互为反力，则：

式中：G1—工作平台重量；

G2—外载荷重量；

F1，F2—卡爪上下位置的力；

L1—滑套的间距；

L2—外载荷距离O的力臂；

L3—工作平台自重距离O的力臂。

由上式可以看出，L1越大，F1越小，L1越小，F1越大，而AB之间的玄杆受到F1和F2的影响较大。

图2 桥检车工作受力简图Fig.2 A Simplified Diagram of the Work Force of Bridge Inspection Vehicles

桁架与卡爪的连接位置，如图3所示。桁架在举升油缸的作用下，沿着卡爪滑道上下移动，两个滑块之间的中心位置为1800mm，滑道的位置变化会引起桁架各部分的应力变化，因此，此次分析时，经过与设计人员沟通，选择横杆处于滑道中间和距横杆上方450mm的两位置进行分析，如图4所示。

图3 工作装置垂直桁架结构Fig.3 The Partial Structure Diagram of the Vertical Truss of the Working Device

图4 桥检车垂直桁架有限元模型Fig.4 Finite Element Model of the Vertical Truss of Bridge Inspection Vehicles

2.2 桁架有限元模型

该垂直桁架的建模采用四面体二次单元，通过约束卡爪与臂架两个连接位置，施加（X、Y、Z）方向的平动约束，工作平台的载荷点处采用力分布式约束方程。不同工作角度下的载荷以实际工况施加即可，如表1所示。桁架材质为S460，屈服极限为460MPa，材料的弹性模量为210GPa，泊松比设置0.3，材料密度为7800kg/m3。由于桥检车的工作环境相对较好，工作状况比较明确，桥检车工作平台全缩时可以（0～180）°旋转，桥检车工作平台全伸时只能在（60～120）°旋转，桥检车工作平台可以上下滑动，所以，根据桥检车的实际操作情况，所选的工况为：桥检车工作平台全伸90°作业工况和桁架工作平台全缩90°，0°作业工况，规定工作平台与车身平行的方向为0°。

表1 桥检车分析工况Tab.1 Analysis Cases of Bridge Inspection Vehicles

3 仿真分析结果及应力实验测试

3.1 仿真分析结果

以滑道约束位置1的分析结果，如图5所示。桥检车桁架玄杆在90°作业工况时，变形处玄杆应力较大，超过500MPa，变形量超过2mm；而0°作业工况时，变形处玄杆应力较小，都在50MPa以内，变形量也有0.5mm左右。

图5 垂直桁架玄杆应力应变云图Fig.5 The Stress Strain Cloud Diagram of the Vertical Truss

由桁架玄杆有限元分析结果可以看出，在工作平台全伸，90°方向作业时，玄杆的受力比较恶劣，是引起玄杆变形的主要工况，而工作平台全缩，0°方向时，玄杆的受力相对较小，对玄杆变形的影响不大。在工作平台全伸，90°方向作业时，桥检车垂直桁架仅受到载荷引起的弯矩影响，其中上下滑块以外的桁架玄杆受力形式相同，均为一侧受拉，一侧受压，横杆的变形趋势与实际变形形式不同，而处于上下滑块之间的桁架玄杆部分，由于滑块的约束作用，使玄杆部分受拉，部分受压，如图6所示。

图6 桥检车垂直桁架滑道之间玄杆受力方向Fig.6 The Force Direction of the Rod Between the Slide of the Vertical Truss of the Bridge Inspection Vehicles

由图6可以看出，横杆中间变形位置主要受剪力作用，当力达到一定的值后，横杆绕中面开始变形，最终使垂直桁架的玄杆发生破坏。当桥检车垂直桁架两滑块之间的距离越大时，玄杆所受的力越小；只有处于滑块之间的桁架玄杆才会发生此类变形，而处于滑块之外的桁架玄杆不会引起此类变形。以滑道约束位置2的分析结果，如图7所示。桥检车工作平台全伸90°，采用约束方式1和约束方式2时滑道以内的上下斜杆受力形式相同，但应力大小不同，约束方式2时，滑道位置应力达到300MPa，受拉的斜杆应力为200MPa，受压的应力为320MPa。桥检车工作平台全缩0°，桥检车主梁上的应力大都在80MPa以下，其中斜杆最大应力为60MPa。为验证有限元分析结果，需要对实车进行应力测试。

图7 垂直桁架玄杆应力云图Fig.7 Strain Nephogram of the Vertical Truss of the Rod

3.2 实验测试结果

为了验证有限元模型，对相关分析车辆进行了应力测试实验，测试设备为LMS公司的scandas动态应变测试仪器。测试工况与仿真工况对应，各点均采用应变花进行贴片，具体位置，如图8所示。

图8 测试现场Fig.8 Test on Site

测试过程中，选取卡爪与桁架连接的5个特殊位置来观测臂架受力状态，具体位置，如图9所示。由于第二三四节臂具有空间对称性，且在垂直桁架处于最高位置时只有第二节臂的测点处于绝对的零点状态，其他两节臂的测点均已存在大小不等的应力，故以第二节臂测点的应力变化为例来说明在整个过程中的该类测点的应力幅值，其他两节臂测点的应力值可参考该值，测试数据较多，其余测点数据就不再一一列出。选取试验状态下，桁架第二节臂2个测点的时间-应变历程曲线，如图10所示。

图9 测试过程位置图Fig.9 The Location Map of the Testing Process

图10 第二节臂测试数据Fig.10 Test Data of the Second Arm

测试工况：平台全伸，且其与垂直桁架组成的平面与桥梁90°，在平台末端加载400kg砝码，测试在该载荷下垂直桁架上测点的应力状态，卡爪卡与第三节臂下端时采集零点。

表2 1-2测点的测试数据Tab.2 Test Data for 1-2 Test Points

注：测试数据中应变单位为με，应力单位为MPa。

从上表中可以看出No4及No5位置状态下，测点区域已经超过材料的屈服极限460MPa，测点发生塑性变形，与前期有限元分析结果一致。可以判定玄杆变形原因为局部结构强度不足导致。因此，需要对玄杆连接位置进行结构优化以满足工作要求。

4 结构优化

根据试验测试数据结果，对垂直桁架变形玄杆位置进行结构改进，共设计了3种结构优化方案，以工作平台全伸90°，端部载荷400kg，卡爪约束位置1作为分析工况与原结构对比。具体优化方案，如图11所示。

方案一：变形玄杆应力降到350MPa以内。圆板边缘焊接处的斜撑应力较大，部分区域应力均超过400MPa。中间玄杆与圆板搭接处存在应力集中。

方案二：变形玄杆处应力降到260MPa。但玄杆上下斜撑应力较大，部分区域应力超过300MPa。中间玄杆与斜撑搭接处无应力集中。

方案三：变形玄杆应力降到300MPa以内。中间玄杆与斜撑搭接处存在应力集中。

方案一、方案二、方案三均能降低玄杆变形处的应力，其中方案二降低的最多，但三个方案中玄杆上下的斜撑应力均较大，且只有方案二中间玄杆处没有应力集中。建议采用方案二对玄杆结构进行改进。

图11 桁架优化方案Fig.11 Truss Optimization Scheme

5 结论

以某种类型的桥检车垂直桁架为研究对象，对其进行有限元分析和应力测试，对计算和测试结果进行对比分析，各测点测试值与有限元计算值应力趋势一致，实验测试结果验证了模型的正确性。桁架玄杆1测点和2测点在No4和No5测试位置的测试值和计算值均已超过屈服极限。玄杆变形主要原因：作业时，桁架上下滑块之间的玄杆部分，由于滑块的约束作用，使斜撑部分受拉，部分受压，使玄杆受剪，且玄杆应力超过材料的屈服强度，最终导致玄杆变形。通过三种优化方案，对该变形区域进行结构优化，使玄杆受力降低到260MPa，方案二为最佳方案，玄杆与斜撑搭接处无应力集中。计算分析结合实验研究的分析方法，对桁架结构优化提供了可靠的技术参考，对相关桥检车新结构垂直桁架的设计优化分析，具有一定的借鉴意义。