基于現(xiàn)場測試的架橋機主梁結(jié)構(gòu)響應分析

朱志鑫 薛志鋼 蘇文勝 胡東明 巫 波

(1.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院 無錫 214174)

(2.國家橋門式起重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 無錫 214174)

隨著我國高鐵建設的迅速發(fā)展，大量的900t混凝土箱梁需要架設，而架橋機是架設該箱梁的重要工具，架橋機根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式分為步履式架橋機、運架一體機、下導梁式架橋機、拼裝式架橋機、一跨式架橋機、雙導梁式架橋機、兩跨式無導梁架橋機，其中兩跨式無導梁架橋機具有結(jié)構(gòu)簡單、施工快捷、安全可靠等特點，而且能實現(xiàn)整機自行懸臂過孔，轉(zhuǎn)場時不需要其他輔助設施，利用設備自身的功能和輔具進行馱運轉(zhuǎn)場、調(diào)頭等優(yōu)點而被廣泛的應用。目前針對架橋機的研究大多基于仿真分析，如周芳娟[1-2]對某架橋機的模態(tài)分析探討了運行過程中的激勵作用對結(jié)構(gòu)共振的影響。學者[3-5]對架橋機的主體結(jié)構(gòu)和支腿進行承載能力分析，驗證了架橋的承載能力，并確定了最危險的工況和結(jié)構(gòu)的危險點。還有學者[6]對外界荷載進行研究，討論了荷載的各種組合形式和組合系數(shù)。學者[7]對架橋的穩(wěn)定性進行了分析，確定了失穩(wěn)的危險工況，并分析了縱向筋和橫隔板對主梁局部失穩(wěn)所起的作用，也有學者[8]在現(xiàn)場對某架橋機進行現(xiàn)場檢驗，但是主要是針對架橋機板的厚度進行了檢測，而對承載能力和剛度缺少相應的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)。

國家橋門式起重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心完成中鐵集團10余臺架橋機的檢驗工作，本文以其中一臺架橋機為例對架橋機過孔和吊裝箱梁兩個重要動作進行了現(xiàn)場測試，基于測試對該架橋機的承載能力進行分析，并對應變數(shù)據(jù)進行了頻域分析，發(fā)現(xiàn)在過孔工況下，該架橋機的動剛度存在不足，該分析對架橋機設計和優(yōu)化具有參考價值。

1 架橋機介紹

待測試的架橋機型號為TQ900，如圖1所示，支承跨度為35.15（前梁）和32.6（后梁），重為617t，能夠吊裝長度為32m和24m的箱梁，最大起重量為900t。

圖1 架橋機

在吊裝之前架橋機要完成過孔工作，過孔流程：首先前支腿收起，脫離橋墩，然后在電機驅(qū)動下，中、后支腿同步沿著軌道行走，當前支腿行至下個橋墩位置處停止行走，同時支腿伸長至橋墩上支承前主梁，最后固定好防風裝置。吊裝時，前后小車分別和主梁連接后同時起吊，使主梁脫離運梁小車，接著兩個小車同步驅(qū)動，吊運主梁到安裝位置上方，然后雙小車同步下落，主梁被放到安裝位置，最后在主梁和橋墩的間隙處完成混凝土的澆筑工作后吊具和箱梁分離，兩小車回到后支腿位置。對兩種工況下的結(jié)構(gòu)進行力學簡化分析，如圖2所示。小車在啟動和制動過程中都會對架橋機沿梁的方向造成一定的沖擊作用，為了保護支腿防止發(fā)生失穩(wěn)，故在吊梁的工況中前支腿處的轉(zhuǎn)動自由度被釋放。

圖2 架橋機過孔和吊梁的力學簡化模型

該架橋機的主梁為等截面梁，由式（1）可知，其應力最大位置在彎矩最大的位置處，由彎矩圖可知該結(jié)構(gòu)的危險點在前主梁中間位置，后主梁中間位置和中支腿位置處。

式中：

σ ——架橋機結(jié)構(gòu)所受的應力；

M ——荷載作用下的架橋機結(jié)構(gòu)所受彎矩；

y ——架橋機主梁結(jié)構(gòu)橫截面上某點到中性軸的距離；

Iz——架橋機主梁結(jié)構(gòu)截面慣性矩。

2 測試及結(jié)果分析

2.1 架橋機過孔

在架橋機主梁各危險點處布置傳感器，首先研究架橋機過孔時結(jié)構(gòu)應力的變化規(guī)律。在起重機過孔前將兩個小車移至后支腿處，主要目的是為了使架橋機的重心后移，增加過孔過程中的安全系數(shù)。在此對該工況下各危險點承載能力進行測試，在前支腿承載力未卸載前開始測試，并將此時設為應力為0點，前支腿開始卸載，然后架橋機開始行走至前支腿的安裝位置，安裝前支腿并使其開始受力，整個過孔的應力時程曲線如圖3所示。

圖3 架橋機過孔各危險點應力時程和頻譜圖

由各危險點的應力時程曲線可知，在前支腿卸載過程中各危險點的應力逐漸增大，其中過孔下的工作應力最大的位置在測點2位置，最大值為60MPa，在運行過程中由于橋面和軌道的不平衡，并且架橋機無工作荷載，激勵架橋機振動，造成結(jié)構(gòu)應力放大，放大倍數(shù)約為1.05。取運行過程中的應力時程曲線做頻域分析，如圖3（b）所示，在1.1Hz和1.9Hz處有較高的幅值，在該兩點處極有可能是結(jié)構(gòu)共振點，為了防止低頻振動對司機操作員造成不適，相關的規(guī)范[9]建議起重機的動剛度不應低于2Hz，由此在設計架橋機的剛度時，要考慮過孔對結(jié)構(gòu)共振的影響，此外對司機室和主梁連接的部位可考慮增加隔振措施，防止司機不適引起操作失誤帶來的事故。

2.2 架橋機架梁

探究架橋機在架橋過程中主梁應力變化規(guī)律。架梁的流程是首先將前后小車移至主梁吊孔位置上方，將吊鉤與主梁連接，然后前后小車同時起吊，將主梁提起，其次前后小車同步移動，將主梁移至安裝上方，最后前后小車同步下落，將主梁放置在安裝位置進行安裝，監(jiān)測架橋機主梁在整個架梁過程的應力變化，應力時程如圖4所示。其中在1和2號點測試的同時完成對主梁的靜剛度測試，3號點測試的工況和1、2號點測試工況相同，區(qū)別是該點應力測試時沒有主梁的靜剛度測試，故測試時間比較短。

圖4 架橋機架梁應力時程曲線

通過對其應力測試可知小車在提起主梁時后主梁表現(xiàn)出下彎，由于中支腿和主梁的固定連接作用，經(jīng)力矩傳遞會在前主梁上作用反力矩，該力矩使前主梁表現(xiàn)出上彎，上蓋板表現(xiàn)出拉力。隨著小車的行走，前小車從后主梁移至前主梁過程中，前小車壓力對前主梁的下彎作用超過后小車作用后主梁對前主梁反彎矩的上彎作用，前主梁逐漸表現(xiàn)出下彎現(xiàn)象，上蓋板逐漸由拉應力過渡為壓應力，同時后小車向前移動過程中后主梁所受彎矩逐漸增大，隨著前后小車的移動，前后主梁所有彎矩逐漸增大，當后小車移至后主梁跨中位置時后梁所受彎矩最大，此時上蓋板的最大應力為82.6MPa（壓應力，沒有考慮架橋機自重，下同），此時前主梁上蓋板的應力為84.9MPa（壓應力），當前小車移至前主梁跨中位置時，前主梁所受彎矩最大，此時前主梁上蓋板的最大應力為88.76MPa（壓應力），此時后主梁上蓋板的最大應力為79.8MPa（壓應力）。由測點2的應力時程曲線可知，當前后小車分別在前后主梁跨中位置附近時，支腿位置處主梁的彎矩最大，此時主梁支腿位置處上蓋板的應力為89.4MPa。當前后小車移至主梁就位位置上方，此時的前后小車分別在前支腿和中間支腿位置處，梁的重力作用幾乎全靠支腿承擔，此時主梁所受力較小，各危險點的應力較小。主梁安裝結(jié)束，拆除吊具和主梁的連接時，各危險點應力幾乎恢復至初始狀態(tài)，由于兩小車的位置發(fā)生變化，故各危險點的應力不能完全恢復至0狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為基礎，對架橋機的過孔和吊梁過程主梁結(jié)構(gòu)的強度響應做了分析，通過分析得到以下結(jié)論。

1）起重機在過孔過程中由于地面和軌道的不平，會激勵結(jié)構(gòu)振動，使結(jié)構(gòu)強度響應放大，同時可能引起起重機結(jié)構(gòu)低頻振動，造成司機的不適，具有潛在的危險，在使用時需要注意。

2）架橋機的架梁過程中，對主梁的最不利工況是兩個小車分別在前后主梁跨中位置，在小車移至此位置時要對梁跨中位置和梁與支腿位置連接處加強觀察。

3）本文主要探究過孔和架梁兩種重要工況主梁結(jié)構(gòu)應力的變化規(guī)律，如要對承載能力進行評估需要考慮主梁的自重應力，其估算方法可根據(jù)相關文獻[10]，在不考慮加肋板的情況下，根據(jù)主梁截面慣性矩計算應力最大位置處的自重應力約為35MPa，通過線性疊加可得在最不利工況下結(jié)構(gòu)最大的應力為124.4MPa，滿足其承載能力要求。