架橋機結(jié)構(gòu)優(yōu)化及抗風(fēng)性能現(xiàn)狀研究

王蕭斌

（中交路橋建設(shè)有限公司 北京 101121）

0 引言

由于西南地區(qū)高山峽谷眾多，在進行公路交通建設(shè)時需要建設(shè)大量的橋梁。為提高西南山區(qū)橋梁建設(shè)的效率與工程的質(zhì)量，在工程建設(shè)中架橋機的已經(jīng)被大量使用。由于架橋機需要進行高空工作具有較大的風(fēng)險性，其結(jié)構(gòu)形式以及質(zhì)量、體積大小對于施工成本以及施工安全有著較大的影響，因此優(yōu)化架橋機的結(jié)構(gòu)是很有必要的，在滿足施工要求的前提之下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少架橋機的自身的重量，同時提高架橋機對風(fēng)荷載的抵抗能力。因此，許多研究人員針對架橋機的結(jié)構(gòu)以及抵抗風(fēng)荷載性能進行了大量的研究，得到了許多新型結(jié)構(gòu)形式、提出的抵抗風(fēng)荷載的措施以及施工建議并運用在工程項目中取得了不錯的效果。本文歸納了眾多學(xué)者針對架橋機的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化及抗風(fēng)性能的研究成果。

1 架橋機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

公路橋梁架橋機結(jié)構(gòu)形式多樣，而架橋機主要的支承結(jié)構(gòu)為主梁，所以大部分研究人員對架橋機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時主要是對主梁進行研究。王炳榮[1]發(fā)現(xiàn)架橋機在施工過程中，主梁會產(chǎn)生下?lián)?，其主要由架橋機的自身重量以及工作過程中施工載荷所產(chǎn)生的下?lián)辖M成。通過ANSYS有限元軟件建立架橋機主梁有限元模型，在滿足工作時剛度、強度的前提之下對主梁截面尺寸優(yōu)化以達到減小主梁自重的目的，從而減小主梁所產(chǎn)生的下?lián)系哪康?。對架橋機主梁優(yōu)化后的質(zhì)量降低了 6553.8kg，體積縮減了30%，并且驗證后發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化方案是可行的。焦國敏[2]針對公路架橋機的結(jié)構(gòu)的進行研究分析后，提出了運架一體式架橋機和下導(dǎo)梁式架橋機的新型架橋機結(jié)構(gòu)形式。并運用層次分析法，對這兩種新的結(jié)構(gòu)形式進行分析和優(yōu)化。運用定性和定量的評分標準，采用Matlab軟件計算求解各個評價指標的權(quán)重，來作為評價方案的評分依據(jù)。通過層次分析法評價后發(fā)現(xiàn)無論是定量分析標準還是定性分析標準，運架一體式架橋機相對于下導(dǎo)梁式架橋機的表現(xiàn)更加優(yōu)秀。任才[3]采用有限元軟件Midas Civil建立了架橋機對橋梁進行施工建設(shè)時的有限元模型，并通過有限元模型對架橋機主梁應(yīng)力、吊桿力、主梁位移等進行了分析計算。在對主梁的抗彎剛度、吊桿截面積大小等對結(jié)構(gòu)受力性能的影響因素分析后發(fā)現(xiàn)增加架橋機的主梁剛度可以有效的減小協(xié)作受力效應(yīng)，吊桿的面積對其協(xié)作受力的影響并不明顯。侯杰通過架橋機的結(jié)構(gòu)特點進行分析，設(shè)計出一種適用于多種復(fù)雜工況下的雙梁架橋機，并利用有限元軟件ANSYS Workbench對架橋機的主梁結(jié)構(gòu)進行建立模型并計算分析，通過模型對該主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行驗證分析，確定該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。而后又根據(jù)響應(yīng)面法、MOGA以及Screening算法等相結(jié)合對架橋機的主梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足架橋機的使用性能以及施工安全的基礎(chǔ)之上得到了最佳的主梁設(shè)計方案，主梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在優(yōu)化后減少9.8%。張亞海將TLJ1100t架橋機的主梁、前支腿、后支腿等各個受力部件進行計算分析后，得到滿足施工要求和施工安全的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并將該架橋機用于中交路橋建設(shè)集團寧波象山灣疏港高速公路橋梁的現(xiàn)場施工，滿足了該地區(qū)復(fù)雜工況下的施工應(yīng)用，提高了橋梁建設(shè)的效率，節(jié)約了建設(shè)成本。范晨陽為研究架橋機桁架主梁中節(jié)段連接構(gòu)件螺栓的受力情況，選取全懸掛工況對主梁的強度和剛度進行分析，通過有限元子模型法建立螺栓計算的子模型，施加邊界條件，對螺栓進行受力分析。通過計算后發(fā)現(xiàn)采用有限元子模型法可以較準確地獲得螺栓的受力情況，為架橋機主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供了更合理的分析和評估方法。陳士通[4]為避免架橋機在施工過程中因為產(chǎn)生主梁損傷導(dǎo)致威脅工程安全，便進行了在施工階段時架橋機主梁損傷識別研究。通過研究 SXJ900/32型架橋機在施工過程中主梁不斷變化的內(nèi)力，采用剛度折減以及位移協(xié)調(diào)推導(dǎo)出簡化模型的力法方程，求解主梁結(jié)構(gòu)的撓度影響線的數(shù)學(xué)解析式，并通過建立架橋機的有限元模型對簡化后的力法方程以及函數(shù)解析式等理論結(jié)果進行驗證。研究結(jié)果表明：利用單點損傷識別對架橋機主梁進行識別時可以有效識別，但某些點位識別的效果不佳。當采用兩點損傷識別時，識別精度相比單點識別更高。在識別損傷位置的同時，通過計算結(jié)構(gòu)剛度折減系數(shù)可以較為精確的判斷架橋機主梁結(jié)構(gòu)的損傷程度。郭永成利用 Midas Civil建立架橋機主梁的有限元模型，計算分析架橋機主梁各個鋼結(jié)構(gòu)的強度、前、中、后支腿的穩(wěn)定性以及架橋機的抗傾覆穩(wěn)定性，優(yōu)化了架橋機結(jié)構(gòu)，節(jié)約了施工成本，保證了施工安全。

2 架橋機抗風(fēng)性能

由于架橋機屬于細長型的柔性結(jié)構(gòu)并在施工中長期處于高空作業(yè)，強風(fēng)狀態(tài)下架橋機容易產(chǎn)生位移，威脅橋梁安全以及施工人員的生命安全。為保證在大風(fēng)高發(fā)季節(jié)期間的安全施工，孫九春運用有限元模擬軟件建立有限元模型對3種典型工況下強風(fēng)荷載對架橋機的位移進行研究分析，在抖振荷載下，施工至最大懸臂狀態(tài)時架橋機與橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了瞬時反力，存在接點支座瞬時脫空的風(fēng)險，威脅橋梁工程安全，需要采用張拉臨時風(fēng)纜的方式提高架橋機的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能。李永樂[5]運用ANSYS有限元軟件建立了龍門式雙主梁架橋機數(shù)值模型在0～50m/s的風(fēng)速變化以及架橋機在空載、施工、吊梁防風(fēng)的工況下架橋機的抗風(fēng)性能，研究結(jié)果明在強風(fēng)狀態(tài)下，架橋機部分結(jié)構(gòu)有脫離橋梁的風(fēng)險；施工時如遇較大風(fēng)速可能會導(dǎo)致架橋機后支腿脫離橋面支撐，研究表明在強風(fēng)季節(jié)架橋機進行施工時需要增加吊梁防風(fēng)。由于移動模架造橋機的長細比較大，在強風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生變形和振動，危及人員、橋梁等安全，張建超針對架橋機的風(fēng)致振動原理進行了廣泛的研究，得到了風(fēng)力的功率密度譜密度函數(shù)公式，采用ANSYS有限元軟件建模對順風(fēng)向脈動風(fēng)的風(fēng)振對架橋機結(jié)構(gòu)的影響，計算結(jié)果表明順風(fēng)向脈動風(fēng)的風(fēng)振對結(jié)構(gòu)的影響較小。劉樹堂以Fluent有限元軟件建立模型計算分析不同工況下，強側(cè)風(fēng)對于架橋機主梁的沖擊荷載以及氣動力為實際工程中的架橋機的安全性提供了建議。杜航考慮到目前架橋機發(fā)生了較多的前傾以及側(cè)翻等事故，進行了大量的架橋機在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的研究。運用Kaimal譜以及FFT技術(shù)對脈動風(fēng)風(fēng)速建立風(fēng)場模型，獲得了自然風(fēng)載時程曲線，研究結(jié)果表明軸線方向上的風(fēng)荷載對架橋機的安全威脅最大，施工階段如遇大風(fēng)必須添加臨時錨固以保證安全。曾耀對珠江黃埔大橋的上行式架橋機進行抗風(fēng)性能研究，利用有限元軟件ANSYS建立了氣動彈性模型，并對其進行大氣邊界層風(fēng)洞實驗，研究結(jié)果表明當施工時風(fēng)速大于10m/s架橋機就不應(yīng)移動，大于20m/s時架橋機應(yīng)添加吊梁、張拉臨時風(fēng)纜等臨時防風(fēng)措施。胡慶安針對MSS62.5架橋機在跨徑最大時空的模閉合狀態(tài)、澆筑狀態(tài)、開模行走狀態(tài)共三種最不利工況進行風(fēng)洞實驗，試驗結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)形式的架橋機抗風(fēng)性能較好，較為通透，不會發(fā)生渦振等不良現(xiàn)象。

3 結(jié)論

如今的交通建設(shè)需要修建越來越多的橋梁，而架橋機已經(jīng)成為橋梁建設(shè)中必不可少的一部分，優(yōu)化架橋機的結(jié)構(gòu)形式，提高架橋機的穩(wěn)定性成為了重中之重。國內(nèi)外大量的學(xué)者選擇對架橋機的主梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使得主梁的質(zhì)量以及體積得到了優(yōu)化，在保證了工作性能以及安全性的前提之下降低了架橋機的成本。同時也對架橋機在工作過程中的主梁損傷進行了研究分析，為安全的進行橋梁施工提供了保障。各研究人員考慮到架橋機通常需要進行高空作業(yè)，在強風(fēng)季節(jié)時，風(fēng)荷載可能會使得架橋機脫離橋梁，威脅生命財產(chǎn)安全，造成巨大的工程事故，故對架橋機在強風(fēng)狀態(tài)下穩(wěn)定性采用數(shù)值模擬或者風(fēng)洞實驗進行研究分析。在強風(fēng)天氣，架橋機需要添加吊梁防風(fēng)、張拉臨時風(fēng)纜等抗風(fēng)措施，以及MSS62.5架橋機在風(fēng)速大于10m/s時應(yīng)停止移動，大于20m/s時就需要添加抗風(fēng)措施，盡可能減少架橋機因大風(fēng)天氣所導(dǎo)致的安全問題，保證人員以及設(shè)備安全。