450 t變起升輪軌式提梁機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：450 t變起升輪軌式提梁機(jī)是高速鐵路橋梁施工的重要設(shè)備之一，可適應(yīng)兩種不同現(xiàn)場(chǎng)施工條件，滿足兩種不同起升高度要求。

關(guān)鍵詞：提梁機(jī)；制梁場(chǎng)；高速鐵路

中圖分類號(hào)：U215.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）15-0026-02

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)自主研制的高鐵施工設(shè)備已經(jīng)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用；提梁機(jī)是其中一種重要施工設(shè)備。目前在國(guó)內(nèi)提梁機(jī)設(shè)備中主要有兩大類型，一是輪軌式，二是輪胎式。其中，輪軌式提梁設(shè)備成本相當(dāng)于輪胎式的一半，且通用性較強(qiáng)，從而促使輪軌式提梁機(jī)的使用比輪胎式較為普遍。

450 t變起升提梁機(jī)適用于鐵路客運(yùn)專線32 m、24 m、20 m整孔雙線混凝土箱梁在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)的起吊、轉(zhuǎn)移以及為運(yùn)梁車裝梁等工作。還用于架橋機(jī)和運(yùn)梁車的拼裝和整體起吊。它能適應(yīng)跨線式施工和常規(guī)施工兩種不同結(jié)構(gòu)布局的梁場(chǎng)需求。可通過不同的拼裝方式實(shí)現(xiàn)起升高度可在28.5 m和14 m之間自由變換，滿足兩種施工工況要求。

1450 t變起升提梁機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于450 t變起升提梁機(jī)額定起重量大，起升高度較高，其工作性質(zhì)危險(xiǎn)系數(shù)大，屬于高風(fēng)險(xiǎn)工作，為保證設(shè)備具有更好的剛度和強(qiáng)度，使設(shè)備具備更高的安全系數(shù)，該設(shè)備主梁采用雙主梁箱型鋼結(jié)構(gòu)型式。因該提梁機(jī)須適應(yīng)兩種起升高度要求，對(duì)提梁機(jī)支腿采用組合可拆分使用的形式。在需要不同的起升高度的工程中，通過對(duì)支腿的組合和拆分來滿足工況要求。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)提梁機(jī)助結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行有限元研究分析和優(yōu)化。

1.1主梁穩(wěn)定性

主梁穩(wěn)定性計(jì)算分為三部分，即主梁的整體穩(wěn)定性、腹板的局部穩(wěn)定性和蓋板的局部穩(wěn)定性。

1.1.1主梁整體穩(wěn)定性

主梁為箱形截面簡(jiǎn)支梁，其高寬比為h/b1=3 000/

1 200=2.5；受壓蓋板的自由長(zhǎng)度與其寬度之比為l/b2=41 000/

1 350=30.4。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)于箱形截面簡(jiǎn)支梁，其截面尺寸滿足h/b1≤6，l/b2≤95（235/fy）時(shí)，可不計(jì)算整體穩(wěn)定性。提梁機(jī)主材料采用Q345鋼，95（235/fy）=72，要求上述滿足。因此，可不計(jì)算主梁的整體穩(wěn)定性。

1.1.2腹板的局部穩(wěn)定性

組合受彎構(gòu)件腹板的局部穩(wěn)定性，通常采取設(shè)置加強(qiáng)勁予以保證的方法?？紤]腹板局部穩(wěn)定性時(shí)，分為腹板受壓區(qū)直接作用有集中輪壓與未直接作用集中輪壓兩類情況。目前工況為有直接作用集中輪壓這類情況。加強(qiáng)勁的設(shè)置可根據(jù)腹板高度與腹板厚度之比h/δ的數(shù)值確定，根據(jù)規(guī)范規(guī)定在腹板上增設(shè)橫向加強(qiáng)筋，并且在腹板受壓區(qū)設(shè)置縱向加強(qiáng)勁。通過有限元分析，有集中輪壓直接作用處的最大應(yīng)力為156 MPa。驗(yàn)算腹板的局部穩(wěn)定性。腹板受正應(yīng)力σ1、剪應(yīng)力τ和局部壓應(yīng)力σm的作用，

①腹板所受正應(yīng)力σ1=156 MPa

②輪壓產(chǎn)生的腹板局部擠壓應(yīng)力σm。當(dāng)起重機(jī)小車的輪壓直接作用在梁腹板上方時(shí)，在所作用的腹板上邊緣產(chǎn)生的局部擠壓應(yīng)力應(yīng)滿足：σm=P/（Cδ）=177.8 MPa≤[σ]

式中：P為計(jì)算輪壓N，c為集中載荷分布長(zhǎng)度mm，δ為腹板厚度mm，[σ]為許用擠壓應(yīng)力MPa，材料為Q345 C，板厚δ=12，[σ]=310 MPa

③剪應(yīng)力τ。此處的剪應(yīng)力是平均剪力τ=Q/（hδ）=1.3×106/（3 000×12）=36.1 MPa

式中：Q為直接受力點(diǎn)處的平均載荷同時(shí)用橫向加強(qiáng)筋和縱向加強(qiáng)筋加強(qiáng)的腹板，受壓蓋板與縱向加強(qiáng)筋之間的區(qū)格，其局部穩(wěn)定性按下列公式驗(yàn)算：

σ1/σcr+（τ/τcr）2+（σm/σmr）2≤1.0

式中σcr=[σ]，τcr=fV=180 MPa；σmr=302 MPa

驗(yàn)算得σ1/σcr+（τ/τcr）2+（σm/σmr）2=0.88，滿足要求。

1.1.3翼緣板的局部穩(wěn)定性

受壓翼緣板可控制其寬厚比來保證局部穩(wěn)定性，翼緣板寬度較大時(shí)，用設(shè)置縱向加強(qiáng)勁來降低寬厚比。箱形梁在腹板之間的受壓翼緣板（如圖1所示）的寬厚比應(yīng)滿足下式：

b0/δ≤40（235/σs）0.5

式中：b0為區(qū)格寬度mm，δ為翼緣板厚度mm，σs為翼緣板的屈服應(yīng)力MPa，σs=295 MPa。

1.2支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照重量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于拆分和運(yùn)輸?shù)脑瓌t，對(duì)剛性支腿結(jié)構(gòu)采用絎架式鋼結(jié)構(gòu)形式，與主梁通過法蘭形成固接。柔性支腿采用箱型鋼結(jié)構(gòu)單柱體形式，通過縱向鉸軸與主梁形成鉸接形式。為使提梁機(jī)滿足28.5 m和14 m兩種不同的起升高度要求，將提梁機(jī)支腿設(shè)計(jì)成可通過不同的拆分組裝，使提梁機(jī)可具備可自由選擇的兩種起升高度（如圖2和圖3所示），用以滿足不同工地現(xiàn)場(chǎng)要求。支腿剛度和強(qiáng)度驗(yàn)算通過將支腿與主梁組合形成整體門架結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一建立有限元模型，集成加載驗(yàn)算。

2門架強(qiáng)度和剛度計(jì)算

建立有限元板單元模型，根據(jù)提梁機(jī)工況特點(diǎn)，按照最惡劣工況條件施加載荷，即28.5 m起升高度下，小車吊梁運(yùn)行至跨中位置，門架承受最大額定載荷及自重。有限元驗(yàn)算結(jié)果如圖4所示。

提梁機(jī)自重G0=390 T；主梁自重G1=140 T；小車自重G2=67 T；額定起重量G3=450 T。

2.1有限元強(qiáng)度計(jì)算（簡(jiǎn)支梁狀態(tài)不考慮自重）

強(qiáng)度計(jì)算載荷：F=G3×1.05++G2×1.1=586.4 T

根據(jù)有限元計(jì)算，最大應(yīng)力156 MPa，局部單點(diǎn)應(yīng)力214 MPa。

2.2有限元?jiǎng)偠扔?jì)算

剛度計(jì)算載荷為：F=P+Q=4.5×106+6.7×105=5.17×106（N）載荷位于跨中，豎向最大撓度為f=61.45 mm。豎向許用撓度為：[f]=L/550=36 000/550=65.5 mm，f<[f]。

3抗傾覆性計(jì)算

主梁橫向單邊面積S=132.3 m2；支腿側(cè)向跨距B=12.5 m；支腿跨度跨距L=36 m。

參見起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，將分為兩種工況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1縱向工況1（無風(fēng)靜載）

小車位于右端（柔性支腿端）極限位置，要求滿足∑M>0才能保證穩(wěn)定。

即：∑M=KG（G0C+G2a）+KPG3a

式中：KG和KP為自重和起升載荷的載荷系數(shù)，查表得KG=0.95，KP=1.4；C和a為提梁機(jī)重心和小車重心到傾覆邊的水平距離，C=16 m，a=9 m。

由于主梁無懸臂狀態(tài)，小車不會(huì)超出兩幅支腿跨距之外，彎距方向都為能保證穩(wěn)定的正方向，可得∑M>0。

3.2縱向工況2（有風(fēng)動(dòng)載）

小車位于右側(cè)極限位置，有工作狀態(tài)下最大風(fēng)力向不利于穩(wěn)定的方向吹，其傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算式為：

∑M=KG（G0C+G2a）+KPG3a-Ki（I1h2+I2h3）-Kf（F1h1+FQh2）

小車工作最大速度3 m/min。

式中：Ki和Kf為水平慣性力和風(fēng)力載荷系數(shù)，查表得Ki=1，Kf=1；I1為小車運(yùn)行起（制）動(dòng)引起的額定載荷（包括吊具）的水平慣性力；I1=G0a0/g=39 kN，a0為起（制）動(dòng)加速度；I2為小車運(yùn)行起（制）動(dòng)引起的小車水平慣性力，I2=6.7 kN；F1為縱向作用于提梁機(jī)上的風(fēng)力（按可能出現(xiàn)的最大風(fēng)力計(jì)算，即800 N/m2），F(xiàn)1=800×18 m2=14.4 kN；h1為提梁機(jī)與小車縱向擋風(fēng)面積形心高度，h1=31.5 m；h2為起升機(jī)構(gòu)上部定滑輪組高度，h2=32.8 m；h3為小車重心高度，h3=33.2 m；FQ為作用于載荷上的最大風(fēng)力（按可能出現(xiàn)的最大風(fēng)力計(jì)算，即800 N/m2），F(xiàn)Q=800×96=76.8 kN；其余符號(hào)同前。

查表得KG=0.75，Kp=1.2；將數(shù)值代入公式得：

∑M=0.75×（3.9×106×19+6.7×105×9）+1.2×4.5×106×9-1×（3.9×104×32.8+6.7×103×31.2）-1×（1.44×104×31.5+7.68×104×32.8）≈1.04×108>0

整機(jī)穩(wěn)定。

3.3橫向工況（大車走行方向，風(fēng)暴襲擊）

暴風(fēng)侵襲時(shí)，提梁機(jī)必須停止工作，因而在非工作狀態(tài)下提梁機(jī)受沿大車走行方向的暴風(fēng)侵襲時(shí)，其抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算式為：

∑M=KG（G0+G2）B-KfF1'h1'

式中：B為支腿側(cè)向跨距，B=12.5 m。

F1'為橫向作用于提梁機(jī)及小車上的風(fēng)力，（按可能出現(xiàn)的最大風(fēng)力計(jì)算，即800 N/），F(xiàn)1'=800×132.3=106 kN。

h1'為提梁機(jī)與小車橫向擋風(fēng)面積自支腿鉸接點(diǎn)量起的形心高度，h1'=31.2 m。

查表得KG=0.475，Kf=1.15

數(shù)值代入公式：

∑M=0.475×（3.9×106+6.7×105）×12.5-1.15×1.06×105×31.2≈2.3×107>0

證明整機(jī)擁有足夠的防風(fēng)抗傾覆穩(wěn)定性。

4結(jié)語

450 t輪軌式提梁機(jī)是專門為鐵路客運(yùn)專線混凝土預(yù)制箱梁的搬運(yùn)設(shè)計(jì)的大型起重設(shè)備，屬于通用門式起重機(jī)，作業(yè)頻率高，危險(xiǎn)系數(shù)大，因而對(duì)其結(jié)構(gòu)性能有較高要求。

由于工程線路地質(zhì)環(huán)境的限制，對(duì)提梁機(jī)結(jié)構(gòu)及起升高度有不同要求，較常見的兩種施工形式為常規(guī)式和跨線式，常規(guī)是施工形式中所用到的提梁機(jī)起升高度較低，安全性能較易保障，跨線式施工形式要求提梁機(jī)橫跨所修建鐵路橋梁線路進(jìn)行作業(yè)，要求提梁機(jī)具有將兩片提升超過橋面且還有足夠高度余量進(jìn)行使用作業(yè)，因而其起升高度較高。由于提梁機(jī)由具有較好的通用性，將提梁機(jī)設(shè)計(jì)為本文所述可變起升結(jié)構(gòu)形式，可有效利用設(shè)備資源，大幅節(jié)約施工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張質(zhì)文，王金諾，程文明.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

[2] 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.