復合式移動模架尾部吊掛系統(tǒng)設計探討

劉宏剛，張超福，侯 嵩

(中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050)

復合式移動模架尾部吊掛系統(tǒng)設計探討

劉宏剛，張超福，侯 嵩

(中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050)

尾部吊掛在已澆筑的混凝土梁面上走行的復合式移動模架因具備支腿自移功能，在國內外橋梁施工中得到大量應用，但此類移動模架的事故率也是相對較高的，且大多緣于吊掛系統(tǒng)的設計或加工缺陷。通過分析吊掛系統(tǒng)在走行過程中受到的多維度不斷變化的彎、剪、扭、拉組合作用，結合實際使用中的經驗教訓，總結其計算、設計、制造及現(xiàn)場處理等方面需要注意的若干事項，并對照這些結論和建議，討論幾種常見的復合式移動模架吊掛系統(tǒng)設計方案的優(yōu)缺點，以及在設計吊掛系統(tǒng)時動態(tài)地、相互關聯(lián)地按照構件在使用中的真實情況研究其極限狀態(tài)與破壞規(guī)律的重要性。

復合式移動模架；吊掛系統(tǒng)；設計；探討

1 概述

移動模架是橋梁施工中常用的大型裝備，一般需要根據工程具體情況和現(xiàn)場實際條件進行量身定制地設計，因此其結構形式繁多[1]。目前普遍按走行方式的不同將移動模架分為上行式、下行式兩大類。而下行式移動模架為實現(xiàn)支腿(支承托架)自移功能，通常需將移動模架主梁尾部吊掛在已澆筑的混凝土梁面上走行，大部分文獻中將這種移動模架稱為支腿自移式下行式移動模架，全國建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書《鐵路工程管理與實務》中稱其為復合式[2]，為敘述方便，暫且采用后一種稱謂。

復合式移動模架是對下行式移動模架的改良設計，其支承托架自移功能雖然是一次重大技術創(chuàng)新，在某些特殊條件下也能夠發(fā)揮重要作用，但實施起來相當復雜：首先需要對移動模架做出很多結構上的改變，把前導梁的長度延伸到前方橋墩，增加前、中、后橫梁(扁擔梁)、吊掛及頂升系統(tǒng)，增設支承托架驅動系統(tǒng)；其次，在自移前必須用3根橫梁把整個移動模架吊掛在橋面或墩頂上，進行承重體系轉換；然后將支承托架拆除并反勾在主梁和導梁下翼緣上轉運到前方橋墩安裝就位，再進行一次承重體系轉換，由支承托架和尾部吊掛系統(tǒng)共同承受移動模架的重力，拆除前支點和中支點的橫梁和吊掛系統(tǒng)，并進行橫移開模；最后再將移動模架尾部吊掛在已澆筑的混凝土梁面上，由橋下中支點處的縱移千斤頂驅動走行……，其典型結構如圖1所示，這類移動模架數(shù)量較多，有一定代表性[3-5]。

圖1 復合式移動模架典型結構

由于走行時各支點不在同一個平面上，無法同時監(jiān)測其高程變化，而主梁的剛度通常比較大，支點之間的微小高差即可能引起主梁對各支點反力(或荷載)的劇烈變化，加之吊掛系統(tǒng)的受力情況相對復雜，導致此類移動模架事故率較高。在整個縱移走行過程中，前支點和中支點處的支承托架都是固定不動的，而吊掛系統(tǒng)通常隨模架一起走行，其內力和變形在移動過程中是一個變量，且對移動模架整體狀況的變化具有源發(fā)性，因此，有些事故雖然表面上看起來是支承托架或其他部位發(fā)生了破壞，實際上卻可能是由吊掛系統(tǒng)引起的[6]。

2 吊掛系統(tǒng)設計探討

吊掛系統(tǒng)是復合式移動模架的設計難點之一，首先因為它是一個空間結構，力學狀態(tài)也是多維度的，受力方式復雜；其次，該構件與其他構件之間的關聯(lián)性很強，內力與變形能夠相互作用；第三，容易受到各種因素影響，比如：梁面高程的變化會引起吊掛荷載的變化。

2.1 受力分析

在設計吊掛系統(tǒng)時，有些廠家認為橫梁輪箱與軌道之間的滾動摩擦力很小而予以忽略或取值偏低，在計算分析時只考慮豎向拉力。然而由于大多數(shù)設計中對鋼軌與軌枕之間、軌枕與梁面之間并未采取有效的固定措施，軌道在輪箱重壓之下容易產生局部凹陷、翹曲和側向扭曲，兼以梁體拱度和平整度的影響，實際走行阻力遠高于預期。以鐵路客運專線32 m預應力混凝土雙線箱梁常用的移動模架為例，走行時可移動部分(包括主梁、導梁、配重、吊掛及模架系統(tǒng))的重力為4 000～5 000 kN，單側所需頂推力為200～300 kN，走行過程中吊掛系統(tǒng)承受的單側水平阻力最大值為100～150 kN，該水平力通過橫梁、吊桿等力臂的傳遞作用，轉化為彎矩和扭矩，從而使吊掛系統(tǒng)在不同平面內受到復雜的彎、剪、扭、拉等組合作用[7]，對構件連接部位具有很強的破壞性。以圖2所示吊掛系統(tǒng)為例(各構件之間均采用剛性連接)，其簡化受力情況見圖3。

圖2 移動模架尾部吊掛系統(tǒng)示例

圖3 吊掛系統(tǒng)受力簡圖

為便于敘述，將吊掛系統(tǒng)不同構件所處的平面以a、b、c、d命名。在吊桿AB與移動模架主梁所在的平面a內，吊桿上下兩端受到一對大小相等、方向相反的水平力f(摩阻力)和F(牽引力)，為保持整個吊掛系統(tǒng)的平衡，可以推斷吊桿下端一定受到主梁所施加的彎矩M，其值為M=F·h2，見圖4。A點在平面a內受到的彎矩對橫梁AC段形成扭矩，該扭矩與D點所受水平力f在平面d內對橫梁AC段的扭矩構成相互平衡的空間力偶，設計時應檢算連接處的抗扭能力。

圖4 吊桿AB在平面a內的彎矩圖

在平面b內，當橫梁與吊桿、吊桿與主梁之間均采用剛性連接時，橫梁懸臂端的下?lián)蠒又髁何膊慨a生扭轉，主梁則反作用于吊桿端部一個彎矩M′，該彎矩值的大小取決于主梁的抗扭剛度和扭轉角度，吊掛系統(tǒng)在平面b內的受力情況與彎矩圖見圖5。

圖5 吊掛系統(tǒng)在平面b內的彎矩圖(1)

實踐中，當采用近似剛性的吊掛系統(tǒng)時，橫梁的下?lián)虾椭髁旱呐まD都相當明顯，不需要借助測量儀器即可直接觀察到，吊桿在該平面內承受的彎矩雖可部分抵消橫梁中段的彎矩，但危害甚大，得不償失。當A點和G點采用鉸接時，其在平面b內的彎矩圖見圖6(橫梁在平面c內也受到彎矩作用，圖中未示)。

圖6 吊掛系統(tǒng)在平面b內的彎矩圖(2)

2.2 施工偏差分析

在計算圖1所示的移動模架走行工況時，設計人員通常假定移動模架的各個支點處于同一平面上、各段導梁及導梁與主梁之間的連接不存在裝配誤差和非彈性變形，這種理想化的假設與施工中的真實狀態(tài)有很大差異。

某型移動模架后橫梁的輪箱軌道設計為步履式，軌道長6 m，其下鋪設高度為25 cm的木枕，每走行3 m必須將后橫梁頂起以便將軌道前移(圖2)。頂升過程中通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)枕木壓縮和回彈量達35～40 mm，枕木完全回彈后，輪、軌之間仍無法脫離，輪箱內輪組與軸之間、軸與軸承之間的總間隙和回彈變形累計達20～25 mm，以至于必須將橫梁頂升65～70 mm才能將軌道和枕木抽出，而此時橫梁懸臂端實測最大撓度達78 mm，橫梁兩端的高程相差40 mm以上(為保持同步頂升，設計采用1臺油泵并聯(lián)2臺千斤頂，但相同的油壓卻導致它們的頂升速度和行程有較大差異，說明兩側重力不平衡，或者與千斤頂?shù)馁|量差異有關)，這些問題是設計時沒有預料到的。

按實測數(shù)據對移動模架結構進行檢算后發(fā)現(xiàn)吊掛系統(tǒng)連接構件材料應力大幅超過允許強度，然而移動模架并沒有發(fā)生破壞，經分析后認為主要有以下原因：(1)對橫梁的頂升雖抬高了主梁的尾部高程，但由于主梁對橫梁的荷載增大，進而引起橫梁的懸臂撓度增大，對主梁尾部豎向位移有部分沖抵作用；(2)主梁剛度沒有預想的大，特別是各段導梁之間、導梁與主梁之間的連接存在裝配間隙和非彈性變形，對主梁各支點間的高差有一定的自適應能力；(3)計算中的某些假設條件與實際結構狀態(tài)存在差異，使計算結果失真。這些情況的存在雖然僥幸避免了事故，但也說明設計過程中對移動模架的工作原理、荷載效應、變形協(xié)調等還缺乏研究。移動模架廠家很少為施工單位提供偏差控制指標，而現(xiàn)實中各種偏差又是不可避免的，因此存在較大隱患。

2.3 關聯(lián)分析：吊掛系統(tǒng)對主梁及支承托架的影響

當?shù)鯍煜到y(tǒng)及其與主梁之間采用剛性連接時，圖5中所示的主梁扭轉會引起支承托架的反力變化，主梁的下垂不僅使支承托架承受的荷載增大，而且主梁扭轉后將主要通過底部外緣滑道對臺車和托架施加荷載，支承托架的反力位置發(fā)生外移，懸臂長度增加，承載方式非常不利(圖7)，支承托架的懸臂下?lián)贤瑯邮怪髁撼释鈨A趨勢，而主梁之間的高差則導致左右兩側托架受力不平衡，因此須了解其真實狀態(tài)，進行相應檢算。當然，也可以采取逆向思維，通過控制重心并使主梁向內側微傾，改善支承托架的受力狀況。

圖7 主梁與支承托架示意

為減小支承托架的懸臂長度，應考慮對底模及其支撐結構采取折疊或旋轉處理，若能將開模幅度減小一半以上，則可有效簡化支承托架的設計，不僅節(jié)省材料、減輕重力，而且便于控制支承托架的重心及其自移。對于尾部吊掛系統(tǒng)而言，橫梁懸臂長度的減小具有同樣重要的意義。

3 幾種吊掛系統(tǒng)設計實例

3.1實例一：全幅開模、吊桿與橫梁固結、吊掛系統(tǒng)隨主梁走行

圖8所示吊掛系統(tǒng)在功能和外觀上與圖2所示吊掛系統(tǒng)類似，但在構件分段、連接方式等方面有明顯區(qū)別，反映出設計理念與計算方法上的不同。整個系統(tǒng)由上部箱梁、吊掛裝置、電液控制系統(tǒng)、支撐架與縱移機構、橫移機構和軌道組成[8]。該系統(tǒng)可通過自身的吊掛裝置和頂升千斤頂將移動模架后端的自重荷載由下部牛腿轉換到該吊掛系統(tǒng)，通過液壓控制輔助實現(xiàn)移動模架造橋機的橫移開合和縱移行走，橫移機構設在橫移掛梁上，可推動移動模架主梁尾部吊掛構件在橫移掛梁上往復滑移。

圖8 吊掛系統(tǒng)設計實例一

需要注意的是，該吊掛系統(tǒng)的橫移掛梁與懸掛梁之間采用2個銷軸連接固定，并不具備轉動功能，而懸掛梁與橫梁之間仍為固結，因此仍未克服前述吊掛系統(tǒng)造成的主梁扭轉等設計缺陷。圖中所示的吊桿是為吊掛移動模架主梁而設的臨時措施，一般采用精軋螺紋鋼筋或經調質處理后的40Cr等材料，在澆筑預應力混凝土梁時，需要在翼緣板相應位置為該吊桿預留孔洞，當主梁橫移開模后，該吊桿將被拆除。

3.2實例二：全幅開模、吊桿與橫梁固結、吊掛系統(tǒng)不隨主梁走行

為了避免吊掛系統(tǒng)在跟隨移動模架主梁縱移走行過程中經受各種復雜內力變化和變形，有的廠家采用了新的設計方案，為移動模架增加了一段后導梁(長度約為橋梁跨徑的1/2)，并將吊掛系統(tǒng)與所澆筑的箱梁固結，吊掛系統(tǒng)由門形吊架、精軋螺紋鋼柱和油壓千斤頂構成，門形吊架以油壓千斤頂直接支撐在已完成澆筑箱梁的腹板位置上，預應力精軋螺紋鋼柱貫穿橋梁翼板的預留孔， 固定并連接門形吊架和主梁[9]。在移動模架走行過程中，吊掛系統(tǒng)與支承托架一樣固定不動，不僅間距保持不變，各支點的高程也可以保持不變，避免了因支點高差頻繁變化引起的不可控風險，當后導梁的尾端接近吊掛系統(tǒng)時，移動模架的重心已越過中支點，可在中支點和前支點的支承托架上繼續(xù)向前滑移(圖9)，直至新的制梁位置。

圖9 帶有后導梁的復合式移動模架走行示意

由于在這種走行方式下，吊掛系統(tǒng)與主梁(或導梁之間)將發(fā)生相對位移，需要采取措施保證它們之間的連接安全，且能夠順暢地滑移，實踐中采取了圖10所示的技術方案：在后導梁上設置圓鋼滑道，而吊掛系統(tǒng)下端設有配套夾具將其夾持?？紤]到這是一種滑動摩擦，其阻力很可能大于前述吊掛系統(tǒng)與梁面之間的滾動摩擦力，因此吊掛系統(tǒng)上下兩端所受到的水平力必然對吊掛系統(tǒng)產生更強的破壞作用，如何處理構件之間的連接以應對各種復雜的彎、剪、扭、拉等作用效應組合，并保證吊掛系統(tǒng)的自身平衡及其與導軌之間的滑動，是一個重大考驗。此外，該型移動模架主要適用于連續(xù)梁的施工。

圖10 吊掛系統(tǒng)設計實例二

3.3實例三：全幅開模、吊桿與橫梁鉸結、吊掛系統(tǒng)隨主梁走行

為避免在箱梁翼緣板上開洞、裝拆臨時吊桿等工序，有的廠家采取了彎腿方案以避開箱梁翼緣(圖11)[10]。移動模架的縱移過孔分為牛腿(支承托架)過孔安裝與主梁過孔兩大步驟，牛腿過孔前先解除移動模架與箱梁之間所有妨礙模架過孔的約束，依靠設備自重脫模落架12 cm 左右，后輔助支腿在橋面支撐，中、前輔助支腿在墩頂支撐，將牛腿吊掛在主梁下緣軌道上；松開墩柱兩側的高強精軋螺紋鋼，利用縱移油缸使牛腿前移到位后通過吊掛油缸精確調整其高程，安裝對拉精軋螺紋鋼筋并張拉到設計預拉力。主梁過孔拆除前、中輔腿的支撐及底模、底模桁架中間連接的螺栓，然后橫移開模，利用縱移千斤頂使模架整體前移完成過孔，過孔后主梁再次落在推進小車上的豎向千斤頂上，完成一個循環(huán)施工過程。

圖11 吊掛系統(tǒng)設計實例三

該設計采用C形剛性吊桿與主梁固結[11]，避免了吊掛系統(tǒng)蕩移；上端可繞橫梁轉動，防止了主梁扭轉，主梁自身的平衡則可通過調整重心和吊掛點位置來解決，吊桿與主梁及尾部橫梁的連接方式得到較好的處理，是一次成功的創(chuàng)新，實際使用效果也基本符合預期。缺點是剛性吊桿需承受彎、剪等作用，吊桿截面和用鋼量較大，略顯笨重。

3.4實例四：全幅開模、吊桿與橫梁固結、吊掛系統(tǒng)隨主梁走行

圖12 吊掛系統(tǒng)設計實例四

在圖12所示的吊掛系統(tǒng)中，吊桿采用桁架結構，并通過增大橫梁的截面尺寸使吊掛系統(tǒng)有較大的剛度，減小了橫梁的懸臂撓度和主梁扭轉角度，但桁架式吊桿使橫梁懸臂長度和開模幅度有所增加，橫梁及支承托架用鋼量增大。該吊掛系統(tǒng)在進行承重體系轉換及橫移開模時均不需要安裝臨時吊桿，避免了在箱梁翼緣板上開洞，這與其獨特的支承托架有關。該型移動模架的托架與支架采取分離式設計，托架橫梁能夠吊掛在主梁下緣自由橫移，因此移動模架能夠在承重體系轉換之前先進行橫移開模，然后將支腿吊掛在主梁下轉移至下一孔跨的橋墩處安裝。其缺點是，兩次承重體系轉換都是在最大開模幅度下進行的，支承托架和吊掛系統(tǒng)都處于最不利承重狀態(tài)，前、中、后3根扁擔梁為滿足懸臂受力時的強度、剛度需要，設計比較笨重。此外，在采用這種吊掛系統(tǒng)時必須將支承托架的設計結合起來考慮。

3.5實例五：微幅開模、吊桿與橫梁固結、吊掛系統(tǒng)隨主梁走行

圖13所示的吊掛系統(tǒng)是所有復合式移動模架中鋼材用量最少的一種方案，其吊桿由豎桿和斜桿組成，斜桿負責承擔吊掛系統(tǒng)所受水平力。該型移動模架的開模方式比較特殊，開模時移動模架的鋼箱主梁只需微幅橫移(開模幅度<0.5 m)，先將底模與支撐桁架(即梳形梁)之間的撐桿或螺旋千斤頂拆除，然后采用拉抽屜的方式將橫穿主梁腹板的梳形梁向兩側拉出，底模及側模、撐桿支架也同時被向外拉出，中間留出的空間即可滿足過孔需要。因此，該型移動模架的吊掛系統(tǒng)受力為有利，其橫梁的懸臂長度得到最大限度的縮減，且整套移動模架不需要安裝配重，支承托架的設計得到最大程度的優(yōu)化，因此具有很好的經濟性。但由于需要在鋼箱主梁的腹板上開洞，主梁的抗剪能力受到一定程度的削弱，且底模支架(梳形梁)與兩榀主梁之間屬自由簡支狀態(tài)，與主梁之間的整體性較差，當處于開模狀態(tài)時，底模及側模、撐桿支架的重心處于主梁之外最遠處，在整個走行過程中梳形梁都處于最不利承載狀態(tài)，并導致主梁的橫向穩(wěn)定性削弱，需采取措施防止主梁向外傾覆，而梳形梁的開、合本身也是一項風險較高的復雜操作，施工時需做好各種安全措施。

圖13 吊掛系統(tǒng)設計實例五

4 若干建議

根據以上分析并結合實踐經驗，關于移動模架尾部吊掛系統(tǒng)的設計、制造及現(xiàn)場處理，有以下事項值得注意或參考。

(1)吊掛系統(tǒng)所承受的水平力具有很強的破壞性，設計時不能忽略。

(2)為防止蕩移，吊掛系統(tǒng)與主梁之間在平面a內的連接應具有抗彎和抗剪能力；當移動模架走行過程中吊掛系統(tǒng)固定不動(不隨主梁縱移)時，吊桿與橫梁之間應具有抗彎和抗剪能力。

(3)在平面b內，A、B(或G、H)兩點只要有一處鉸接(或與鉸接等效)即可解決主梁的扭轉問題，A點采用鉸接可同時消除吊桿在該平面內的受彎問題，宜優(yōu)先考慮。

(4)橫梁中心距軌面的高度h1應盡可能降低，以減小對橫梁的扭矩。

(5)調整軌道位置以縮短橫梁懸臂長度，有利于減小橫梁在平面b和平面c內的彎矩。

(6)宜采用剛度較大的鋼軌以減小軌道局部變形和翹曲，減小水平摩阻力。

(7)避免采用木枕或其他彈性變形較大的材料作為軌枕，并盡量降低軌枕高度。

(8)避免采用步履走行方式或反復頂升尾部橫梁(扁擔梁)。倒用軌節(jié)時，拼接處應可靠連接且不得有軌頂錯臺，軌底宜用鋼板或鋼枕支承。

(9)為減小輪箱的加工和裝配間隙，輪與軸、軸與軸承之間宜采用過盈配合[12]。

(10)走行前應測控梁面拱度和平整度，以及梁縫處兩孔梁之間的高差，必要時予以處理。

(11)吊掛系統(tǒng)兩側的負載有可能不同，頂升裝置的設計應同時考慮頂力、速度、行程的同步性。

(12)吊掛系統(tǒng)對主梁的扭轉、高差等影響會傳遞給主梁、導梁、支承托架等其他結構。

(13)設計時應針對施工中可能存在的各種偏差進行相應檢算和分析，并根據計算成果將各工況下的偏差限值以列表的形式提供給施工人員，作為現(xiàn)場工作中的監(jiān)測控制[13]依據。

5 結語

吊掛系統(tǒng)是復合式移動模架的重要承重構件，其復雜的力學狀態(tài)和破壞機理尚未被人們充分及廣泛地認識和了解，多數(shù)設計人員由于缺乏現(xiàn)場工作經驗和研究手段，在計算和設計過程中習慣于靜止地、孤立地按照臆想中的理想狀態(tài)而非動態(tài)地、相互關聯(lián)地按照構件在使用中的真實狀態(tài)進行分析，忽視了對吊掛系統(tǒng)各構件及連接部位的極限狀態(tài)與關聯(lián)運動的研究。根據統(tǒng)計資料，因吊掛系統(tǒng)設計或制造缺陷而造成的事故在所有移動模架事故中占有非常大的比例，且大多是個別構件由于強度或穩(wěn)定問題造成局部失效，進而擴散到其他構件及整個結構，國內外都出現(xiàn)過由此類問題引起的移動模架垮塌事故。

復合式移動模架因具備支腿自移功能而受到施工單位的青睞，許多廠家也將其作為一項先進裝備或關鍵技術進行推介，但作為一種新型的、操作方法更為復雜的功能，一些廠家對該項技術所蘊含的風險還缺乏深入研究，對相關設計理論和研究方法也尚未完全理解和掌握。而現(xiàn)場人員在解決所遇到具體問題時由于不了解技術原理可能會帶來更嚴重的問題，例如有的施工單位為了方便對吊掛系統(tǒng)的銷軸拆裝作業(yè)，將原設計的單鉸改為雙鉸[14]，使吊掛系統(tǒng)與移動模架主梁之間缺乏水平方向上的相互約束，走行過程中吊掛系統(tǒng)有發(fā)生蕩移的風險，留下重大安全隱患。這些現(xiàn)狀導致此類移動模架的安全問題比較突出，需要引起足夠重視。

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Approach to the Design of Compound MSS Tail Hanging System

Liu Honggang， Zhang Chaofu， Hou Song

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China)

Owning to the self-moving brackets， the compound MSS with tail hanging running on the surface of cast in situ concrete girder has been widely used in bridge construction at home and abroad. But accidents of the MSS occur frequently， resulted largely from the hanging system design or manufacturing defects. This paper analyzes the hanging system being acted upon by the combination of the multi-dimensional changing of bending， shearing， torsion and pulling in the process of walking. With reference to the lessons learned in the actual operation， a number of issues on its calculation， design， manufacturing， and on-site handling are summarized， the merits and demerits of several common compound MSS designs are discussed on the basis of these conclusions and recommendations， and the importance is addressed of the limit status and failure laws relating to each other according to the element true conditions in use in the designing of the hanging system．

Compound MSS; Hanging system; Design; Approach

2014-02-14；

：2014-02-25

劉宏剛(1975—)，男，高級工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學院交通土建工程專業(yè)，工學學士，E-mail：kerix@126.com。

1004-2954(2014)11-0097-06

U445.463

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.023