鐵路客運(yùn)專線YZ2500移動(dòng)支架造橋機(jī)受力分析

宋樹峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

普蘭店海灣特大橋?yàn)楣罂瓦\(yùn)專線(大連至沈陽(yáng)段)的關(guān)鍵性工程，全長(zhǎng)4.96 km，橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震基本烈度Ⅷ度?？紤]該橋處于高地震烈度區(qū)并跨越深水主海溝及與既有沈大高速公路跨海灣橋盡量對(duì)孔等因素，主橋跨海部分采用18孔56 m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)。

18孔56 m簡(jiǎn)支箱梁施工方法為先吊裝預(yù)制節(jié)段，再澆筑濕接縫，最后張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，包含濕接縫在內(nèi)每孔箱梁重約22 000 kN。移動(dòng)支架主要用于支承預(yù)制節(jié)段混凝土箱梁完成濕接縫澆筑以及預(yù)應(yīng)力束張拉的任務(wù)。

移動(dòng)支架造橋機(jī)施工技術(shù)于20世紀(jì)50年代起源于西歐，在國(guó)內(nèi)公路、鐵路的橋梁建設(shè)中也有較多采用移動(dòng)支架技術(shù)施工的工程實(shí)踐，但梁體自重鮮有超過(guò)15 000 kN的工程實(shí)例。普蘭店海灣大橋主橋施工所采用的YZ2500造橋機(jī)，設(shè)計(jì)承載能力達(dá)到25 000 kN，位于國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線鐵路施工的前列。由于哈大客運(yùn)專線為無(wú)砟軌道，這對(duì)造橋機(jī)施工工藝水平及結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度與剛度都提出了更高的要求。

2 YZ2500移動(dòng)支架造橋機(jī)構(gòu)造及工作原理

2.1 造橋機(jī)基本參數(shù)

(1)主機(jī)自重:12 000 kN(主桁+下托梁);

(2)2 300 kN提梁吊機(jī)結(jié)構(gòu)自重1 000 kN，額定起重量為2 300 kN;

(3)整機(jī)走行方式:連續(xù)千斤頂+鋼絞線拖拉，在滑座上滑行;

(4)整機(jī)走行速度:15～20 m/h;

(5)整機(jī)總功率:250 kW;

(6)整機(jī)縱向穩(wěn)定系數(shù):K=2.8;

(7)主梁工作彈性撓跨比:1/1 144;

(8)適應(yīng)縱坡:3%以內(nèi);

(9)平均工作效率:15 d/跨。

2.2 造橋機(jī)構(gòu)造

哈大客運(yùn)專線普蘭店特大橋工程56 m跨混凝土箱梁造橋機(jī)由原帕克西造橋機(jī)改造而成，主要由主桁、橫聯(lián)、吊掛系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)、墩旁托架系統(tǒng)及提梁吊機(jī)組成。如圖1所示。

2.3 造橋機(jī)工作原理

造橋機(jī)采用“預(yù)制節(jié)段吊裝+原位現(xiàn)澆濕接縫”的工作方法?；炷凉?jié)段箱梁從預(yù)制場(chǎng)由運(yùn)梁臺(tái)車或駁船運(yùn)送至造橋機(jī)端部的提梁吊機(jī)下，吊機(jī)從一側(cè)依次將預(yù)制梁段吊裝至設(shè)計(jì)位置，全部節(jié)段吊裝完成后，將各節(jié)段箱梁調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，安裝濕接縫支架及模板，綁扎鋼筋，穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線，現(xiàn)澆濕接縫，待濕接縫混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度后張拉梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力束成孔，拖拉造橋機(jī)進(jìn)入下一孔梁施工。

2.4 造橋機(jī)過(guò)孔

造橋機(jī)實(shí)際過(guò)孔中，考慮到下托梁和橋墩之間的距離過(guò)小，過(guò)孔時(shí)將全部托梁拆除，待造橋機(jī)進(jìn)入下一孔后，再將其安裝到位。造橋機(jī)過(guò)孔如圖2所示。施工現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖1 造橋機(jī)總體布置(單位:cm)

圖2 造橋機(jī)過(guò)孔示意

3 YZ2500移動(dòng)支架造橋機(jī)有限元模型的建立

移動(dòng)支架造橋機(jī)是普蘭店海灣大橋主梁施工過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，其強(qiáng)度和剛度對(duì)主梁線形及施工過(guò)程的安全性具有決定性作用。為了保證箱梁的施工質(zhì)量及施工過(guò)程的安全，對(duì)移動(dòng)支架造橋機(jī)進(jìn)行整體及局部強(qiáng)度和剛度分析是非常必要的。利用有限元法計(jì)算分析的結(jié)果較常規(guī)的解析法更為準(zhǔn)確、可靠、直觀，且可直接獲得解析法難以得到的局部區(qū)域應(yīng)力和變形分布規(guī)律。

圖3 施工現(xiàn)場(chǎng)照片

(1)單元選取

對(duì)造橋機(jī)分析計(jì)算采用的是有限元綜合分析程序MIDAS/CIVIL。考慮到造橋機(jī)的桿件受到彎矩的影響，因此，模型主要以梁?jiǎn)卧紤]。造橋機(jī)的主要桿件，采用的是高強(qiáng)度螺絲連接，各桿件之間實(shí)際上是固結(jié)的，所以建模時(shí)，梁?jiǎn)卧g的連接采用剛結(jié)。

梁?jiǎn)卧献饔玫暮奢d有跨中集中荷載、分布荷載、溫度荷載及預(yù)應(yīng)力荷載等。梁?jiǎn)卧疽馊鐖D4所示。

圖4 梁?jiǎn)卧疽?/p>

(2)邊界條件

對(duì)于YZ2500型造橋機(jī)，導(dǎo)梁與主桁采用剛體連接，橫聯(lián)端部與主桁為鉸接，因此該單元采用端部約束釋放進(jìn)行模擬。提梁吊機(jī)、混凝土箱梁均按重量轉(zhuǎn)換為集中力施加于結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。模型如圖5所示。

圖5 造橋機(jī)空間模型示意

4 YZ2500移動(dòng)支架造橋機(jī)整體受力行為分析

主桁上弦、下弦拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，豎桿與斜桿拉應(yīng)力驗(yàn)算按照鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度容許值f=280 MPa進(jìn)行評(píng)判，而對(duì)于豎桿與斜桿等桿件受壓時(shí)應(yīng)考慮其局部穩(wěn)定性，壓應(yīng)力按照穩(wěn)定容許應(yīng)力評(píng)判。

4.1 空載(含下托梁)狀態(tài)分析

(1)位移計(jì)算結(jié)果(圖6)

圖6 空載狀態(tài)下造橋機(jī)撓度示意

掛全部托梁后，在自重荷載作用下造橋機(jī)跨中最大撓度為-6.8 mm，懸臂端最大撓度為-18.9 mm。

(2)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

①斜桿與豎桿強(qiáng)度驗(yàn)算

斜桿與豎桿應(yīng)力如圖7所示，圖中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力，下同。

圖7 空載狀態(tài)下造橋機(jī)斜桿與豎桿應(yīng)力圖(單位:MPa)

由圖7可知，斜桿最大拉應(yīng)力為23.5 MPa，滿足規(guī)范要求。豎桿最大壓應(yīng)力為-29.9 MPa，滿足穩(wěn)定容許應(yīng)力的要求。

②主桁上弦與下弦強(qiáng)度驗(yàn)算

主桁上弦與下弦應(yīng)力如圖8所示。

圖8 空載狀態(tài)下造橋機(jī)上弦與下弦應(yīng)力圖(單位:MPa)

由圖8得出，上弦最大拉應(yīng)力為20.8 MPa，下弦桿最大壓應(yīng)力為-29.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 滿載(含濕接縫)狀態(tài)分析

(1)位移計(jì)算結(jié)果(圖9)

圖9 滿載狀態(tài)下造橋機(jī)撓度示意

施工梁段接縫后，在自重和荷載作用下，造橋機(jī)跨中最大撓度為-47.8 mm。

(2)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(圖13)

①斜桿與豎桿強(qiáng)度驗(yàn)算

斜桿與豎桿應(yīng)力如圖10所示。

圖10 滿載狀態(tài)下造橋機(jī)各斜桿與豎桿應(yīng)力圖(單位:MPa)

由圖10可知，斜桿最大拉應(yīng)力為103.9 MPa，滿足要求。新制斜桿最大壓應(yīng)力為-105.3 MPa，滿足穩(wěn)定容許應(yīng)力要求。

②主桁上弦與下弦強(qiáng)度驗(yàn)算

主桁上弦與下弦應(yīng)力如圖11所示。

由圖11得出，桿件最大拉應(yīng)力為102.8 MPa，桿件最大壓應(yīng)力為-85.1 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.3 走行狀態(tài)分析

圖11 滿載狀態(tài)下造橋機(jī)上弦與下弦應(yīng)力圖(單位:MPa)

造橋機(jī)走行過(guò)程為:施工完一個(gè)橋跨時(shí)，在墩旁托架安裝縱移牽引裝置，連續(xù)千斤頂拖拉移動(dòng)，支架向下一橋跨方向走行，直到造橋機(jī)設(shè)計(jì)的支點(diǎn)成功安放在橋墩處。

造橋機(jī)在走行過(guò)程中總體上處于2種受力狀態(tài):(1)造橋機(jī)為兩點(diǎn)支撐，處于懸臂狀態(tài);(2)當(dāng)造橋機(jī)的前導(dǎo)梁到達(dá)下一橋跨的橋墩時(shí)，造橋機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槿c(diǎn)支撐，造橋機(jī)受力狀態(tài)與帶懸臂的連續(xù)梁相同。由結(jié)構(gòu)力學(xué)知，相同長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)(梁體等)，兩點(diǎn)支撐的懸臂結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較三點(diǎn)支撐的連續(xù)梁不利，因此，計(jì)算分析時(shí)取造橋機(jī)處于兩點(diǎn)支撐的懸臂狀態(tài)進(jìn)行校核。

由于施工階段較多，限于篇幅僅將造橋機(jī)走行至最不利位置時(shí)，即造橋機(jī)處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)的情況分析如下。

(1)位移計(jì)算結(jié)果(圖12)

圖12 造橋機(jī)走行至最不利位置時(shí)撓度示意

自重荷載作用下造橋機(jī)右懸臂端撓度最大，最大值為-45.5 mm。

(2)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(圖13)

圖13 造橋機(jī)走行至最不利位置處各桿件應(yīng)力圖(單位:MPa)

由圖13得出，最大拉應(yīng)力的桿件為懸臂端支撐點(diǎn)附近斜桿，最大拉應(yīng)力為59.9 MPa，滿足規(guī)范要求，最大壓應(yīng)力的桿件也為懸臂端支撐點(diǎn)附近斜桿，最大壓應(yīng)力為-76.7 MPa，滿足穩(wěn)定容許應(yīng)力要求。

4.4 造橋機(jī)屈曲分析

由前面計(jì)算結(jié)果可知，造橋機(jī)各單根桿件的應(yīng)力均滿足穩(wěn)定要求，但造橋機(jī)是一個(gè)桿件眾多、受力復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)，因此，非常有必要對(duì)整體模型進(jìn)行特征值屈曲分析，以確定移動(dòng)支架在箱梁施工過(guò)程中的防失穩(wěn)安全儲(chǔ)備。

造橋機(jī)一階屈曲模態(tài)如圖14所示，一階屈曲特征值λ=4.512，桿件最大壓應(yīng)力為-117.2 MPa，造橋機(jī)的整體穩(wěn)定性滿足要求。

圖14 造橋機(jī)一階屈曲模態(tài)

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，箱梁在組拼完成并且濕接縫澆筑完畢后，造橋機(jī)主桁跨中撓度及桿件應(yīng)力均達(dá)到最大，主桁桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)在下弦桿跨中處，豎桿及斜桿最大應(yīng)力發(fā)生在造橋機(jī)支座附近。鑒于此，原帕克西造橋機(jī)在改造時(shí)將應(yīng)力較為集中的主要桿件進(jìn)行了加強(qiáng)，對(duì)于已經(jīng)無(wú)法加強(qiáng)的桿件進(jìn)行了替換。本文采用有限元法對(duì)哈大客運(yùn)專線普蘭店海灣大橋YZ2500移動(dòng)支架造橋機(jī)在施工過(guò)程中的受力行為進(jìn)行了分析，詳細(xì)計(jì)算了造橋機(jī)在各個(gè)施工工況中主桁及連接桿件的應(yīng)力和變形情況，驗(yàn)證了造橋機(jī)的安全性與穩(wěn)定性。由于該類型造橋機(jī)具有承載能力高，抗彎剛度大，主梁變形小，可設(shè)置預(yù)拱度控制線形，利于連續(xù)多孔標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，便于施工管理等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路工程施工中具有較高的普及推廣價(jià)值。

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