裝配式橋梁架橋機施工力學特性及工藝研究

龔長華，郭奕辰，閆 博，李文杰

(1.中鐵十五局集團第三工程有限公司，四川 成都 641418；2.河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471000；3.天津理工大學 工程管理學院，天津 300384)

隨著山區(qū)公路建設的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了多種橋梁樣式。其中中小跨徑預制裝配式混凝土橋梁具有標準化集中制作、結構性能優(yōu)良、成本低、制作工期短、對環(huán)境污染小等優(yōu)點[1-3]，被大量應用于公路橋梁建設。預制梁架設作為裝配式混凝土橋梁成橋階段的施工重點之一，對施工起吊設備具有較高要求[4]。架橋機作為橋梁預制安裝時使用最多的起吊設備，其結構力學特性直接影響預制梁架設過程安全性和橋梁施工質量[5]。

架橋機力學特性分析常用的方法有解析法和有限元法[6]。由于架橋機零部件眾多，解析法通常針對主要構件進行解析計算，對銷板、銷軸等細部結構分析較少，因此解析法對于架橋機結構的真實受力情況考慮的并不全面，計算結果有較大偏差[7]。有限元法通過模擬架橋機構造，分析各施工階段整體結構和細部結構的內力、變形分布規(guī)律及數值[8-10]，該方法具有計算精確、契合實際的優(yōu)點。許多專家學者利用有限元法對架橋機靜態(tài)強度進行了研究。如，謝瑾榮[11]利用ANSYS有限元軟件建立了TPZ/48型架橋機有限元模型，研究了大跨度鋼箱梁式架橋機在施工階段的穩(wěn)定性，并采用非線性屈曲分析法探究了架橋機結構存在初始缺陷時的屈曲失穩(wěn)規(guī)律；孫振軍[12]利用有限元法進行了JQS35-220t步履式雙導梁架橋機在懸臂、跨中和跨端工況下的靜力學分析和模態(tài)分析，得到了該架橋機結構的安全余量，同時優(yōu)化了架橋機結構；郭永成[13]采用Midas Civil有限元軟件建立了3種型號架橋機模型，分析了不同型號架橋機在150 t吊重荷載作用下，其主梁、前后支腿等鋼構部分的強度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足使用需求。此外，一些專家學者結合架橋機主梁的特殊受力位置及架橋機運行姿態(tài)調整情況，對架橋機吊設安裝施工技術進行了研究[14-16]。

本文以遂德高速公路九嶺崗大橋項目依托，利用Midas Civil有限元軟件建立架橋機模型，分析架橋機在3種工況下的應力狀態(tài)、變形規(guī)律和整體結構穩(wěn)定性。

1 工程概況

遂德高速公路九嶺崗大橋全長565 m，左右幅分離式布置，全橋按照雙向四車道高速公路標準建設，設計路基寬度26 m，根據山體走勢布置不等橋跨，橋梁上部結構采用40 m預制T梁與20 m預制箱梁的混合形式。其中，40 m預制T梁144片，最大單片重約50 t；20 m預制箱梁64片，最大單片重約43 t。兩種梁片均通過架橋機進行架設。

本項目采用JQJ型180t/40m步履式公路架橋機施工，40 m預制T梁架設采用配重過孔的方式，20 m預制箱梁架設采用自平衡過孔的方式，兩種梁片一次性架設就位。架橋機主要結構為三角桁架式結構，利用型鋼和鋼板焊接而成，抗風性能好。為了方便運輸和現(xiàn)場安裝，架橋機主結構之間采用銷軸和法蘭連接。該架橋機在結構上可以分為主梁、提升小車、前支腿、中支腿、反托架、后支腿、行走軌道、運梁平車、液壓和電氣等部分，這些部分構成一個完整的結構體系。架橋機性能參數如表1所示。

表1 JQJ型180t/40m步履式架橋機技術參數

2 架橋機有限元模型建立

架橋機主梁在靜力作用下強度、剛度不足，容易造成局部或整體結構失穩(wěn)，直接影響預制梁架設安全性、可靠性和橋梁施工質量。本文通過有限元軟件模擬架橋機構造，分析架橋機在過孔、架梁施工階段薄弱受力位置的應力、變形分布情況以及屈曲穩(wěn)定性。

采用Midas Civil軟件建立架橋機結構空間有限元模型，主梁長66 m，構件材料選用Q345鋼材。模型單元總數為980、節(jié)點總數為378，其中主梁上下弦、橫托彎梁采用一般截面梁單元模擬，腹桿及底架支撐采用桁架單元模擬。為簡化模型計算，通過設置支承數量、形式、位置來表示架橋機在各種工況下的支腿支承，采用節(jié)點剛性連接模擬構件間連接，將天車吊設的移動荷載轉換為節(jié)點荷載施加于主梁上弦桿。架橋機構造模型如圖1所示。

圖1 架橋機構造模型

3 架橋機主梁靜力分析

3.1 架橋機主梁強度分析

計算架橋機主梁主要構件強度時，需要考慮過孔、架中梁、架邊梁3種不利荷載工況。過孔工況下，主梁前支腿尚未支承于下一跨墩柱，主梁懸臂端部彎矩最大，需要校核此狀態(tài)下主梁上下弦的強度；架中梁工況下，當提升小車運送40 m預制T梁移動至距離支撐端約41 m 的主梁跨中位置時，主梁彎矩呈現(xiàn)最大值；架邊梁工況下，當提升小車偏移架橋機主梁一側時，主梁中的剪力最大，需校核此狀態(tài)下主梁腹桿的強度及穩(wěn)定性；架設邊梁工況下，前支腿受力最不利，需要考慮該工況下前支腿強度。架橋機主要構件應力計算結果如表2所示。在不利工況下，架橋機上下弦桿、提升小車橫梁、腹桿、銷軸、中托彎梁等主要構件強度均滿足材料性能要求。

表2 主梁桿件內力計算值

3.2 架橋機主要構件剛度分析

依據GB/T 26470-2011《架橋機通用技術條件》[17]規(guī)定，主梁靜態(tài)剛度應不大于L/400(L為主梁計算跨徑，取39 750 mm)，故本項目架橋機在架設40 m預制T梁時，架橋機主梁的許用撓度[f]應滿足[f]≤L/400(L/400=39 750 mm/400=99.4 mm)。

懸臂工況下，提升小車空載，前支腿向架橋機梁跨前端移動呈懸空狀態(tài)，中支腿和后支腿固定于已架設橋跨。此工況下架橋機有限元模型的前支腿不設置約束，中支腿與后支腿處設置Dy、Dz方向一般支承約束，同時施加自重荷載。通過模擬分析可知，懸臂工況下主梁前支腿豎向位移變形量最大，最大值達到56 mm，小于許用撓度99.4 mm，滿足主梁剛度設計要求。

跨中工況下，前支腿支承于下一墩柱蓋梁上，中支腿和后支腿固定于已架設橋段，提升小車滿載75 t進行移動。模型中前支腿、中支腿以及后支腿節(jié)點設置Dy、Dz方向一般支承約束，提升小車載重以集中荷載形式作用于主梁，方向豎直向下。通過模擬分析可知，跨中工況下前支腿與中支腿間主梁簡支段豎向位移變形量最大，最大值達到87 mm，小于許用撓度99.4 mm，滿足主要構件剛度設計要求。

3.3 架橋機整體穩(wěn)定性分析

對最大懸臂狀態(tài)下架橋機模型施加2倍以上的特征值屈曲荷載，架橋機屈曲失穩(wěn)模態(tài)如圖2所示。通過屈曲模態(tài)分析可知，架橋機失穩(wěn)主要發(fā)生在主梁跨中桁架桿處，屈曲穩(wěn)定安全系數為15.8，大于《起重機設計規(guī)范》[18]要求的屈曲穩(wěn)定安全系數4，即架橋機整體結構穩(wěn)定性滿足設計要求。

圖2 架橋機整體穩(wěn)定性分析

以上架橋機驗算是按照40 m預制T梁荷載驗算，滿足安全要求，因此，針對該橋20 m跨徑預制箱梁架設施工，架橋機跨度、荷載均變小，因此使用同型號架橋機架設20 m預制箱梁也是安全的。

4 預制梁架設施工關鍵技術

4.1 施工工序

(1)架橋機過孔。架橋機架設簡支梁時，需要使架橋機先通過預架設梁跨，架橋機過孔狀態(tài)如圖3所示。首先，在架設完成的梁片上方指定位置安置架橋機；然后，利用架橋機液壓系統(tǒng)將3號和0號支腿收起，之后將架橋機主梁前行至橋梁2/3跨徑位置，并放出3號支腿和1號支腿將架橋機架起；接著通過移動2號支腿將主梁導梁沿懸臂端方向移動，使0號支腿置于獨立蓋梁上方越過中線1 m位置；最后驅動1號支腿移動至邊緣位置蓋梁上方，完成架橋機過孔階段。

圖3 架橋機過孔

(2)架橋機架梁。利用運梁車輛運送預制梁片至架橋機起吊梁位置，在架橋機2號和3號支腿之間吊起預制梁片，通過架橋機前后兩部吊梁小車同時前進帶動預制梁前行至預定梁位上方，如圖4所示。因架設梁片時后支腿承受的質量較大，需在3號支腿下方鋪設一道橫梁，將梁片準確對位在設計位置，同時在支座按設計和《公路橋涵設計通用規(guī)范》[19]要求安裝好后方可落梁。

圖4 架橋機架梁

4.2 施工注意事項

(1)結合架橋機力學特性分析結果，確定主梁與導梁聯(lián)接處即主梁懸臂端部、主梁腹桿、桁架桿為架橋機薄弱部位，應增大該位置的結構剛度，并在架橋機運營各階段監(jiān)測該部位，必要時增加外焊鋼板，以提高其穩(wěn)定性。

(2)位于主梁前方的吊梁小車通過吊具緩慢吊起預制梁前端，在提升約70～90 mm 高度后停止起吊(禁止將梁前端提升超過100 mm)，起吊速度應控制在0.56 m/min以下，同時保證起吊平穩(wěn)。這樣通過同步控制裝置，前方吊梁小車和托梁裝置可一起驅動牽引箱梁前移，前移速度通過變頻電機應控制在3.1 m/min以下。

(3)橋梁架設按照“先中梁后邊梁”的順序進行。由于本標段橋梁單幅梁片數為4片或6片，架設時應先架設中梁，然后架設內邊梁，最后架設外邊梁。在梁板安裝前，應對墊石、支座中心進行復核。在距離支座20～30 cm 高度時，應提前對中測量，以保證梁體與支座對中安裝。

(4)不同跨度或不同形式梁體轉換時，需調整后支腿橫梁配重，以平衡主梁吊裝產生的彎矩。應注意前支腿在梁跨與蓋梁連接位置的支承穩(wěn)定性，確保架橋機主梁前后處于同一高度。

5 結論

(1)通過對架橋機主要構件在過孔、架中梁、架邊梁3種不利荷載工況下的強度分析得出，架橋機主要構件均滿足材料性能要求。其中過孔工況下，主梁上下弦懸臂端部彎矩最大，該位置最大應力小于材料許用應力；架中梁工況下，主梁上下弦跨中及提升小車橫梁跨中應力值均小于材料許用應力；架邊梁工況下，前支腿受力最不利，最大應力小于材料許用應力。

(2)通過對架橋機主梁進行靜態(tài)模擬分析得出：懸臂工況下，主梁前支腿端豎向位移變形量最大值小于許用撓度；跨中工況下，前支腿與中支腿間主梁簡支段豎向位移變形量最大值小于許用撓度。

(3)通過屈曲穩(wěn)定性分析，確定了架橋機失穩(wěn)主要發(fā)生在主梁跨中桁架桿位置，同時得出本工程架橋機主梁屈曲穩(wěn)定安全系數大于規(guī)范要求值，滿足設計要求。

(4)本文架橋機驗算是按照40 m 預制T梁荷載驗算的，滿足架橋機安全要求；對于40 m以下跨徑的梁片來講，跨度、荷載均變小了，故架橋機架設這些梁片也是安全的。

(5)通過用有限元法對山區(qū)不等跨徑高墩預制梁橋架設施工階段力學特性的分析，發(fā)現(xiàn)了架橋機在3種工況下最不利控制位置，并結合現(xiàn)場施工操作得出了相應施工注意事項，保證了預制梁架設安全與工程質量，達到了預期工程效果。