橋梁拓寬不等高前支腿架橋機的力學(xué)行為

范 亮，葉清鋒

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

架橋機是一種廣泛用于公路橋梁預(yù)制混凝土梁片安裝的施工機械[1]，適用于多種梁型及梁長預(yù)制構(gòu)件的起重安裝。在架設(shè)與舊橋相接的邊梁時，架橋機前支腿一肢支撐在舊橋橋面上，另一肢支撐在加寬后的蓋梁或橋墩上，兩前支腿之間會存在一個高度差。

隨著中國交通行業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁拓寬工程日益增多，架橋機在此需求下長期進行著前支腿不等高狀態(tài)下的工作。目前國內(nèi)外對于架橋機的研究有很多，如王錫朝等[2]對架橋機的傾覆原因做了一定的探討，提出給架橋機加設(shè)傳感器進行監(jiān)控或減輕自重的方式來防止其傾覆；王模公[3]等對架橋機的運梁工況做了詳細分析，提出了2種不同的喂梁方法；邢海軍等[4]通過有限元軟件對前支腿無高差情況下架橋機的強度、剛度、穩(wěn)定性進行了研究。然而，對于不利情況下的不等高前支腿架橋機施工過程中的力學(xué)行為及影響因素的研究目前卻未見報道。故本文以某高速互通橋拼寬項目為依托，對某典型架橋機在前肢腿不等高情況下的工作進行全過程受力研究及穩(wěn)定性分析，并將前支腿高差作為影響參數(shù)，分析不同高差下架橋機應(yīng)力、變形及穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。

1 工程概況

某高速互通拼寬橋項目原橋為分離式路基橋段，半幅橋橋梁寬度為12.25 m，平面位置位于緩和曲線和圓曲線段上，上部構(gòu)造采用40 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土T梁鋼構(gòu)，結(jié)構(gòu)連續(xù)，全橋共5聯(lián)，左右幅均為23孔，一聯(lián)長度有4孔和5孔，分別為160 m和200 m；拼寬部分均采用40 m跨徑T梁，梁重134 t，先簡支后橋面連續(xù)，如圖1所示。

圖1 橋梁拓寬橫截面

該架橋機采用雙梁式尾部喂梁，整機帶梁橫移，整跨橋逐片落梁就位，軌道方式運行，可縱移、橫移，適用于40 m跨徑橋梁上部鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁和箱型梁的架設(shè)。架橋機中托支撐位置根據(jù)架設(shè)橋梁的跨徑可以調(diào)整，架設(shè)不同跨徑的預(yù)制梁時，按照橋梁跨徑重新安放中托支腿的位置，即可滿足不同跨徑混凝土預(yù)制梁的架設(shè)。該型架橋機主要由主梁、前腳、中托、后上橫梁、天車、電氣系統(tǒng)、安全裝置以及輔助臺車(后托支撐)、千斤頂(后支撐)等部分組成(圖2)，整機主梁及主要聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)采用銷軸聯(lián)結(jié)，安裝拆卸方便快捷。架橋機采用導(dǎo)梁形式，極大地減少了架橋機前端懸繞度，更適應(yīng)架設(shè)上下坡橋梁。

圖2 某典型架橋機結(jié)構(gòu)

2 架橋過程及工況分析

該架橋機的架橋過程為：運梁平車將預(yù)制T梁運至后托支撐下方，2號天車吊起T梁并與運梁平車一起向前移動，T梁尾端吊點恰好移動至1號天車正下方時，1號天車吊起T梁并且與2號天車同速向前移動，移動到縱橋向T梁設(shè)計位置后，天車開始帶梁橫移至落梁位置并落下梁段，至此一片T梁架設(shè)完成。整個架橋過程可以簡化為5個主要工況進行分析，如圖3所示。

圖3 架橋工況

3 高差影響參數(shù)范圍的確定

在拼寬橋架設(shè)過程中，架橋機前腳一肢支撐在舊橋橋面上，另一肢支撐在新橋蓋梁上，兩支撐間存在一個高差h，即架設(shè)梁段的梁高，如圖4所示。目前中國預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的標準跨徑有25、30、35、40 m四種，對應(yīng)的經(jīng)濟高跨比為1/15～1/25[5-6]。因此，這些預(yù)制梁梁高在1.0～2.67 m之間。故選取h為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m對該架橋機進行研究。

圖4 高低腿架橋機架橋

4 架橋機全過程靜力力學(xué)行為分析

該型架橋機主梁由2道梁組成，每道梁由5個12 m長的三角桁架和1個6 m長的三角桁架組合而成。架橋機有限元模型中所有桿件均采用梁單元模擬，如圖5所示。架橋機下部支撐結(jié)構(gòu)所用鋼材型號為Q235B，設(shè)計強度為215 MPa；上部主桁架桿件所用鋼材為Q345，設(shè)計強度為310 MPa。

圖5 架橋機有限元模型

圖6 最大應(yīng)力與施工階段關(guān)系曲線

圖7 最大應(yīng)力與高差關(guān)系曲線

圖9 最大變形與高差關(guān)系曲線

架橋機前腳在不同高差、不同工況下的最大應(yīng)力及變形如圖6～9所示。在架橋機架設(shè)單片新增主梁的全過程(工況1～工況5 )中，工況1的最大應(yīng)力發(fā)生在2號天車梁上，其他工況的最大應(yīng)力均發(fā)生在中支撐下弦桿處。整個過程中最大變形發(fā)生在前腳與中托的主梁之間。

架橋機前腳高差為1.0、1.5、2.0、2.5 m時，隨著天車向前移動，架橋機最大應(yīng)力逐漸增大，但均小于工況5的最不利應(yīng)力值，即工況5(主梁到位工況)是高差1～2.5 m時架橋機應(yīng)力最不利工況。對于h=3.0 m的架橋機，2號天車向工況4移動的過程中，架橋機下弦桿的最大應(yīng)力快速增長至峰值后逐漸降低，故工況4(主梁移動中工況)為3.0 m高差架橋機最不利應(yīng)力工況。此時最不利應(yīng)力值明顯大于高差1.0～2.5 m的最不利應(yīng)力值。

當架橋機前腳高差值不超過2.5 m時，施工過程中的架橋機桿件最大應(yīng)力隨前支腿高差增加而增大，但并不影響架橋機的控制工況(主梁到位工況)及桿件最不利受力；當架橋機前腳高差值達到3 m時，架橋機在起吊工況與主梁到位結(jié)束工況的最大應(yīng)力基本不受前腳高差值的影響，但主梁吊運過程的最不利應(yīng)力出現(xiàn)顯著增長，高差h=3.0 m時架橋機的最大應(yīng)力為208.85 MPa，相比h=1.0 m時的177.30 MPa增長約18%。

隨著天車向前移動，架橋機最大變形曲線都遵循先下降后上升再下降的規(guī)律。當天車移動到中托附近時，架橋機在整個架橋過程中的變形值最小，為15.53 mm。天車繼續(xù)移動，架橋機的最大變形曲線開始上升，當天車移動到工況4所在的位置時架橋機的變形到達峰值，之后開始減小。由此可以得出，不同高差值下架橋機的最大變形均發(fā)生在工況4，故稱工況4為架橋機變形的最不利工況。整個過程中架橋機的最大變形值為52.50 mm。

5 架橋機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

運用Midas Civil的線性屈曲分析功能求解桁架單元構(gòu)成的臨界荷載系數(shù)和對應(yīng)的屈曲模態(tài)[7-8]。在一定變形狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的靜力平衡方程式為

KU+KGUG=P

式中：K為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣；KG為結(jié)構(gòu)幾何剛度矩陣；U為結(jié)構(gòu)的整體位移向量；P為結(jié)構(gòu)的外力向量。

若結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，其平衡方程必須有特殊解，即等價剛度矩陣的行列式等于0時，發(fā)生屈曲失穩(wěn)[9-10]。故屈曲分析就可以歸結(jié)為求解特征值。

|K+λIKG|=0

式中：λI為特征值。

架橋機主梁由空間桿件構(gòu)成，在較大荷載作用下架橋機主梁可能會發(fā)生屈曲失穩(wěn)。由于架橋機最不利工況均發(fā)生在工況4，故對h取1.0～3.0 m、架橋機在工況4狀態(tài)時進行屈曲穩(wěn)定性分析。

確定結(jié)構(gòu)臨界狀態(tài)的屈曲系數(shù)λ后，當前荷載乘以λ即結(jié)構(gòu)屈曲的臨界荷載，這時結(jié)構(gòu)的變形就是結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)。通過Midas對架橋機模型進行屈曲分析得知：在架橋機自重和T梁自重的荷載工況組合下，架橋機的前3階失穩(wěn)模態(tài)均為中托與前腳間主梁的面外整體失穩(wěn)(圖10)。進一步得到架橋機前腳取不同高差值時，架橋機的穩(wěn)定系數(shù)與高差的關(guān)系曲線，如圖11所示。

圖10 架橋機屈曲變形

圖11 架橋機穩(wěn)定系數(shù)隨高差的變化趨勢

由圖11可知：架橋機一階(狀態(tài)1)穩(wěn)定系數(shù)在15左右，且基本不隨前腳高差的增大而改變；二階(狀態(tài)2)穩(wěn)定系數(shù)隨著前腳高差的增大明顯減?。蝗A(狀態(tài)3)穩(wěn)定系數(shù)基本不隨高差發(fā)生變化?？傮w而言，前腳不等高時，該架橋機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所削弱，但在常規(guī)范圍內(nèi)不會對架橋機施工過程的穩(wěn)定性產(chǎn)生控制性影響。

6 結(jié) 語

(1)常規(guī)橋梁拓寬時，由于架橋機前支腿分別位于舊主梁與新加蓋梁之間，架橋機的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到前支腿高差的不利影響，且高差越大，影響越顯著。

(2)該架橋機在前支腿高差范圍為1.0～2.5 m時，最不利工況均為主梁就位工況，最不利桿件為中支撐處下弦桿，不等高前支腿基本不影響架橋機主梁吊運過程的控制工況及控制桿件應(yīng)力，但高差越大，施工中的桿件最不利應(yīng)力水平越高。

(3)該架橋機的前支腿高差值為3.0 m時，最不利工況為主梁吊運至中托與前腳間，最不利桿件位置不變。此時，最不利桿件應(yīng)力值較前支腿高差為1.0～2.5 m時增加18%。

(4)該架橋機在前支腿高差為1.0～3.0 m時，各階段變形控制值基本不變，架橋機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所削弱，但在常規(guī)范圍內(nèi)不會對架橋機施工過程的穩(wěn)定性產(chǎn)生控制性影響。