DJ系列架橋機(jī)架設(shè)鐵路T梁的橫向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)分析

李世龍

(中鐵二局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司， 成都 610031)

DJ系列架橋機(jī)架設(shè)鐵路T梁的橫向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)分析

李世龍

(中鐵二局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司， 成都 610031)

在鐵路T梁架設(shè)施工技術(shù)領(lǐng)域，DJ系列架橋機(jī)具有許多輪軌式鐵路架橋機(jī)無(wú)法相比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但因其結(jié)構(gòu)和架梁工藝的特殊性，該類型架橋機(jī)潛在的傾覆失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)必須引起施工單位的高度重視。本文對(duì)DJ系列架橋機(jī)架設(shè)鐵路T梁的橫向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和研究，結(jié)果表明，該類型架橋機(jī)在架設(shè)邊梁作業(yè)過(guò)程中，架橋機(jī)自身的橫向穩(wěn)定性較差。利用橋面濕接縫預(yù)埋鋼筋對(duì)二號(hào)柱的橫移軌道進(jìn)行加固，可以提高架橋機(jī)的橫向穩(wěn)定性，對(duì)于確保架梁施工安全具有重要意義。

鐵路T梁； 架橋機(jī)； 橫向失穩(wěn)； 風(fēng)險(xiǎn)分析

DJ系列架橋機(jī)是本世紀(jì)初我國(guó)自主研制的兼具公路和鐵路橋梁架設(shè)功能的專用設(shè)備[1]，目前主要有DJ168和DJ180兩種型號(hào)，該系列架橋機(jī)用于鐵路簡(jiǎn)支T梁架設(shè)施工時(shí)，可采用“先架后鋪”方式施工，解決了傳統(tǒng)輪軌式架橋機(jī)[2]架梁受鋪軌進(jìn)度制約的技術(shù)難題，具有全幅機(jī)械橫移落梁功能，無(wú)論是單線還是雙線鐵路橋梁，無(wú)需人工移梁即可直接架設(shè)就位。盡管DJ系列架橋機(jī)具有輪軌式架橋機(jī)無(wú)法相比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但其架梁施工和過(guò)孔作業(yè)所面臨的傾覆失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，如何趨利避害將其傾覆風(fēng)險(xiǎn)降到最低成為研究課題，為此，本文以設(shè)計(jì)單位提供的數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，對(duì)該型架橋機(jī)的橫向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。

1 DJ系列架橋機(jī)結(jié)構(gòu)及其架梁工藝

1.1 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)[3]

DJ系列架橋機(jī)為單主梁四支腿結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)構(gòu)主要由零號(hào)柱、一號(hào)柱、二號(hào)柱、三號(hào)柱、機(jī)臂、曲梁、上橫移油缸、起重小車(也稱吊梁小車)、橫移軌道、動(dòng)力裝置、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。機(jī)臂底部焊接有齒條，與吊梁小車上部的驅(qū)動(dòng)齒輪互相嚙合。零號(hào)柱位于架橋機(jī)最前端，為三級(jí)伸縮圓管結(jié)構(gòu)，通過(guò)上部法蘭與機(jī)臂固定連接。三號(hào)柱位于架橋機(jī)最后端，通過(guò)托架與機(jī)臂固定連接。零號(hào)柱和三號(hào)柱均為輔助支腿，二者的作用主要是為一、二號(hào)柱與機(jī)臂換步縱移過(guò)孔提供臨時(shí)支撐，確保架橋機(jī)順利過(guò)孔就位。架梁作業(yè)時(shí)，機(jī)臂主要由一、二號(hào)柱承載受力。一號(hào)柱為兩柱兩級(jí)伸縮門式立柱結(jié)構(gòu)，二號(hào)柱為四柱兩級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)，一、二號(hào)柱均通過(guò)曲梁過(guò)渡并與機(jī)臂形成移動(dòng)副聯(lián)接關(guān)系，既可沿機(jī)臂縱向移動(dòng)，也可與機(jī)臂插銷鎖定。一、二號(hào)柱下部均設(shè)有變頻調(diào)速的橫移機(jī)構(gòu)，可分別沿一號(hào)柱和二號(hào)柱柱體下方的橫移軌道左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)橫移功能。兩臺(tái)起重小車上面均設(shè)有驅(qū)動(dòng)齒輪，既可沿機(jī)臂底部齒條縱向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)吊梁縱移功能，也可分別與一、二號(hào)柱鎖定，驅(qū)動(dòng)機(jī)臂或一、二號(hào)柱相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換步縱移過(guò)孔功能。

圖1 DJ180型架橋機(jī)

1.2 架梁工藝原理

架橋機(jī)由運(yùn)梁車馱運(yùn)到前方的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)位，運(yùn)梁車返回制梁場(chǎng)(或工廠)裝載T型橋梁[4]后經(jīng)線路路基或已鋪軌道馱運(yùn)至架梁施工現(xiàn)場(chǎng)。由架橋機(jī)前起重小車取梁、拖梁，運(yùn)梁車配合喂梁，之后兩臺(tái)起重小車同時(shí)吊梁縱移至前方的待架橋孔。架橋機(jī)通過(guò)一、二號(hào)柱下部的橫移軌道進(jìn)行整機(jī)橫移，一、二號(hào)柱上部的橫移油缸也可對(duì)機(jī)臂進(jìn)行橫移調(diào)整，從而調(diào)整待架梁的縱向和橫向位置，實(shí)現(xiàn)橋梁與墩臺(tái)的準(zhǔn)確對(duì)位。梁片落梁就位后進(jìn)行灌漿以錨固橋梁支座，再用同樣的方法架設(shè)并排的其他梁片。同一孔橋的梁片架設(shè)完畢進(jìn)行橫向連接[5]，之后，架橋機(jī)的機(jī)臂和支腿采用換步縱移方式完成過(guò)孔作業(yè)，準(zhǔn)備架設(shè)下一孔橋梁，如此循環(huán)完成鐵路橋梁的架設(shè)施工。

2 架橋機(jī)的橫向穩(wěn)定性分析[6]

2.1 施工荷載分布特征

DJ系列架橋機(jī)正常架梁時(shí)，一號(hào)柱通過(guò)其橫移軌道支撐于橋墩或橋臺(tái)(末孔梁架設(shè)工況)上面，二號(hào)柱通過(guò)兩根平行的橫移軌道支撐在已架梁片端部位置(如圖2所示)。待架梁片的重量通過(guò)吊梁小車、機(jī)臂分別傳遞給一號(hào)柱和二號(hào)柱，再由一號(hào)柱和二號(hào)柱將施工荷載分別傳遞至橋墩和已架梁片的端部。由于二號(hào)柱更靠近架橋機(jī)的機(jī)臂重心位置，機(jī)臂的大部分重量由二號(hào)柱承擔(dān)，因此，二號(hào)柱下方梁片比一號(hào)柱下方橋墩承受的施工荷載要大得多。

圖2 DJ180架橋機(jī)架設(shè)雙線鐵路橋

DJ系列架橋機(jī)架設(shè)邊梁時(shí)，起重小車吊梁縱移到位后必須進(jìn)行整機(jī)橫移才能落梁就位。整機(jī)橫移過(guò)程中，架橋機(jī)的重心隨之橫向移動(dòng)，整機(jī)橫移到位后，二號(hào)柱在梁面的支撐位置及狀態(tài)如圖3所示。

圖3 二號(hào)柱受力及施工荷載分布(mm)

顯然，架橋機(jī)向左側(cè)橫移后，P1大于P2，架橋機(jī)向右側(cè)橫移后，則P2大于P1。根據(jù)設(shè)備制造商提供的數(shù)據(jù)資料[7]，DJ180型架橋機(jī)架設(shè)32 m梁時(shí)，當(dāng)架橋機(jī)整機(jī)橫移至落梁位置時(shí)，二號(hào)柱橫移軌道下方兩側(cè)鋼墊箱處的支反力分別為：P1=79.6 t，P2=4.05 t。P1和P2即已架梁片上的施工荷載。由此數(shù)據(jù)可以看出，架設(shè)邊梁時(shí)，同一孔橋左右梁片上的施工荷載并不對(duì)稱，而且相差懸殊非常大，但這是該類型架橋機(jī)無(wú)法避免的工況特性。

2.2 最不利工況分析

DJ型架橋機(jī)為結(jié)構(gòu)龐大的起重設(shè)備，不僅自身重量大，吊重荷載大，而且重心較高，架梁狀態(tài)主要由一、二號(hào)柱支撐和承受荷載。整機(jī)橫移運(yùn)動(dòng)時(shí)其重心隨一、二號(hào)柱同步橫移，當(dāng)二號(hào)柱橫移超出鋼墊箱的外側(cè)時(shí)，橫移軌道由簡(jiǎn)支狀態(tài)轉(zhuǎn)換為懸臂狀態(tài)承載受力。架設(shè)邊梁時(shí)還需要機(jī)臂負(fù)載二次橫移方能到達(dá)落梁位置，此時(shí)二號(hào)柱的走行梁作用于橫移軌道懸臂端的輪壓F1 遠(yuǎn)大于另一端的輪壓F2，因此構(gòu)成了架橋機(jī)橫向失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。顯然，隨著走行梁車輪橫移越靠近懸臂端外側(cè)，二號(hào)柱失穩(wěn)的危險(xiǎn)性就越大。一號(hào)柱與二號(hào)柱的支撐受力狀況有所不同，其橫移軌道支撐于前方橋墩上面，橫向支撐位置幾乎不受限制，不會(huì)出現(xiàn)懸臂狀態(tài)受力的狀況，因此，一號(hào)柱在橫向方向是相對(duì)穩(wěn)定的。

綜上所述，對(duì)于DJ型架橋機(jī)的最不利工況為：架設(shè)邊梁時(shí)，兩臺(tái)吊梁小車取梁并沿機(jī)臂縱移到位，整機(jī)橫移和機(jī)臂橫移至落梁位置時(shí)所處狀態(tài)，此時(shí)二號(hào)柱為懸臂狀態(tài)受力，存在橫向失穩(wěn)的可能性。

2.3 橫向穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)單位提供的資料，鐵路橋的左右側(cè)T梁腹板中心距為2 200 mm。由于T型梁片翼緣板越靠邊沿其結(jié)構(gòu)越薄弱，為了保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計(jì)單位對(duì)架橋機(jī)二號(hào)柱下方鋼墊箱的安裝位置作了嚴(yán)格限制，只能對(duì)稱布置于已架梁片腹板正上方或其附近位置(見圖3)，鋼墊箱中心距最大允許值為2 400 mm。下面對(duì)其最不利工況(即架設(shè)邊梁工況整機(jī)橫移到位且機(jī)臂橫移至其極限位置時(shí))的橫向穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)設(shè)備制造商提供的數(shù)據(jù)，最不利工況時(shí)DJ180型架橋機(jī)的二號(hào)柱走行梁下方車輪的輪壓分別為：F1=63.3 t，F(xiàn)2=21.7 t。由于F1作用于橫移軌道的外懸端，對(duì)架橋機(jī)構(gòu)成橫向傾覆力矩。由圖3可知，傾覆力F1的作用臂長(zhǎng)L1=0.65 m，平衡力F2的臂長(zhǎng)L2=2.35 m，故有：

傾覆力矩：Mq=F1×L1=63.3×0.65=41.5 mm

平衡力矩：Mp=F2×L2=21.7×2.35=50.9 mm

橫向穩(wěn)定系數(shù)：n=Mp÷Mq=50.9÷41.5=1.23

計(jì)算結(jié)果表明，DJ180架橋機(jī)的二號(hào)柱在最不利工況下的橫向穩(wěn)定系數(shù)僅為1.23，橫向穩(wěn)定系數(shù)小于1.3，由此可以得出二號(hào)柱的橫向穩(wěn)定性較差的結(jié)論。如考慮客觀存在的動(dòng)載、沖擊、風(fēng)荷載等不利因素，二號(hào)柱的橫向穩(wěn)定性實(shí)際上更差。二號(hào)柱為架橋機(jī)的主要承載構(gòu)件，其橫向穩(wěn)定性直接關(guān)系整機(jī)的橫向穩(wěn)定性，因此該型架橋機(jī)的橫向穩(wěn)定性較差。

3 DJ系列架橋機(jī)事故案例

3.1 事故經(jīng)過(guò)

2015年5月26日，在黑龍江哈爾濱市賓縣常安鎮(zhèn)境內(nèi)，某公司架梁隊(duì)在哈佳鐵路(哈爾濱-佳木斯)3標(biāo)枷板河特大橋工地采用DJ180型架橋機(jī)進(jìn)行架梁施工，在96號(hào)墩至98號(hào)臺(tái)進(jìn)行過(guò)孔作業(yè)時(shí)，架橋機(jī)失穩(wěn)向前傾覆，造成人員傷亡和架橋機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞事故。

3.2 原因分析

事故發(fā)生后，地方安監(jiān)局、項(xiàng)目業(yè)主以及有關(guān)專家代表組成的調(diào)查小組經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)分析，導(dǎo)致本次事故的直接原因是：未對(duì)架橋機(jī)機(jī)臂進(jìn)行調(diào)平(機(jī)臂前后存在440 mm高差)，且作為主要受力支腿的一號(hào)柱未采取防失穩(wěn)(臨時(shí)錨固或斜撐)保護(hù)措施。在此情況下架橋機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)處于極其不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行過(guò)孔作業(yè)發(fā)生前傾失穩(wěn)事故在所難免。筆者以為最根本的原因是使用單位對(duì)該型架橋機(jī)工況特性的分析、研究不夠且技術(shù)措施不夠完善。

4 防止架橋機(jī)橫向失穩(wěn)的技術(shù)措施[8]

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可知，DJ系列架橋機(jī)架梁時(shí)存在的架橋機(jī)自身橫向失穩(wěn)傾覆風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，采取以下措施可以有效防止架橋機(jī)橫向失穩(wěn)。

(1)架橋機(jī)過(guò)孔后在支撐一、二號(hào)柱前，先將柱體下方的橫移軌道調(diào)整水平且支墊牢固，避免橫移軌道左右高低不平形成坡度，防止架橋機(jī)整機(jī)沿一、二號(hào)柱的橫移軌道發(fā)生橫向溜移現(xiàn)象，以避免坡度因素對(duì)架橋機(jī)的橫向穩(wěn)定性造成不利影響。

(2)對(duì)二號(hào)柱橫移軌道進(jìn)行臨時(shí)加固，具體方法是利用已架橋梁作為錨固裝置，采用卸扣和雙頭螺栓組合調(diào)整方式將二號(hào)柱的兩根橫移軌道收緊使之牢牢地錨固于橋面(如圖4所示)，該方法簡(jiǎn)單易行且不影響施工作業(yè)，對(duì)于提高二號(hào)柱的橫向穩(wěn)定性作用大，效果明顯。

(3)為防止架橋機(jī)整機(jī)過(guò)度橫移導(dǎo)致橫向傾覆事故，必須在橫移軌道端部設(shè)置行程限位裝置，采用電氣開關(guān)閉環(huán)控制和機(jī)械止擋限位相結(jié)合的方式可以實(shí)現(xiàn)此功能。實(shí)際上DJ系列架橋機(jī)均設(shè)計(jì)有此裝置，使用單位應(yīng)經(jīng)常檢查并在空載情況下測(cè)試電氣限位開關(guān)的可靠性和靈敏度。

圖4 二號(hào)柱橫移軌道臨時(shí)加固

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于架橋機(jī)這種結(jié)構(gòu)龐大、重心較高的特種設(shè)備而言，任何工況下都必須保證其縱向和橫向結(jié)構(gòu)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。本文僅對(duì)DJ型架橋機(jī)的橫向穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，DJ系列架橋機(jī)架設(shè)邊梁工況的橫向穩(wěn)定性是比較差的。使用該型架橋機(jī)時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施防止其橫向失穩(wěn)傾覆，更為重要的是使用單位要清楚地認(rèn)識(shí)到這些失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的根源。

[1] 邯鄲中鐵橋梁機(jī)械有限公司.公鐵兩用架橋機(jī)：中國(guó) ZL 2008 10055209.2[P].2010-11-10. Handan China Railway Bridge Machinery Co.,Ltd.Road& Railway Purpose Bridge Erecting Machine:China ZL 2008 1 0055209.2[P].2010-11-10.

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[3] 李世龍.DJ180型公鐵兩用架橋機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[J].高速鐵路技術(shù),2014,5(5):51-55. LI Shilong.Key Technique and Application of DJ 180 Road & Railway Purpose Bridge Erecting Machine[J].High speed railway technology,2014,5(5):51-55.

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[5] 鐵建設(shè)[2006]181號(hào)，鐵路架橋機(jī)架梁暫行規(guī)程[S]. TIE Jian She [2006]181,Railway Bridge Rack Beam Provisional Rules[S].

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[8] 王心利.雙梁式架橋機(jī)橫向穩(wěn)定性分析及防止傾覆的措施[J].鐵道工程學(xué)報(bào),1999,16(2):104-107. WANG Xingli.Lateral Stability Analysis of Double-Beams Bridge Erecting Machine and Measures to Prevent Overturning[J].Journal of Railway Engineering Socity,1999,16(2):104-107.

收稿日期：2016-03-23

作者簡(jiǎn)介：李江(1984-)，男，工程師。

文章編號(hào)：1674—8247(2016)05—0042—05

Lateral Instability Risk Analysis of DJ-series Bridge Erection Machine Erecting T-type Railway Beams

LI Shilong

(China Railway Erju Group Corporation, Chengdu 610031, China)

In railway T-type beam erection construction technology field, compared with other types of rail mounted erecting machine, DJ-series bridge erecting machine has a lot of technology advantages. Also, because of particularity of its structure and erecting technology, there are some potential lateral instabilities risks, which the construction companies have to pay special attention to. In this article, the lateral instabilities risks of DJ-series railway beam erecting machine are studied. It shows us that, during the bridge erecting procedures, the erecting machine’s stability is quite poor, which can be enhanced by reinforcing the transverse moving track of pillarⅡ, this will improve the stabilities and ensure the girder erecting construction safety.

T-beam of railway； bridge erecting machine； lateral instability； risk analysis

2016-04-27

李世龍(1970-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0039—03

U445.468

A