大型架橋機(jī)在施工中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

摘要 大型架橋機(jī)在橋梁施工中，會(huì)受多種因素的影響，影響其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，進(jìn)而影響橋梁的施工質(zhì)量。文章以實(shí)際工程施工使用的架橋機(jī)為例，研究大型架橋機(jī)在施工中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。首先，依據(jù)該架橋機(jī)的型號(hào)和結(jié)構(gòu)，采用Midas Civil軟件構(gòu)建了有限元模型；然后，在該模型上施加荷載，分析了吊梁小車的許用應(yīng)力、架橋機(jī)的頂高支腿動(dòng)穩(wěn)定性及架橋機(jī)的整體動(dòng)穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，吊梁小車在不同施工工況下的最大工作應(yīng)力值為215.5 MPa，低于許用應(yīng)力結(jié)果；頂高支腿應(yīng)力云圖中呈現(xiàn)的應(yīng)力值較為均勻，不存在集中的應(yīng)力情況；架橋機(jī)的屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)值為16.8，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 大型架橋機(jī)；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；有限元模型；許用應(yīng)力；安全系數(shù)

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0192-03

0 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，大型架橋機(jī)作為橋梁建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的穩(wěn)定性和安全性對(duì)于保障整個(gè)施工過(guò)程的順利進(jìn)行至關(guān)重要。特別是在高速鐵路、大型公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，大型架橋機(jī)不僅需要面對(duì)復(fù)雜的施工環(huán)境和多變的作業(yè)條件，還需承擔(dān)大噸位、大跨徑的橋梁架設(shè)任務(wù)[1]，這對(duì)架橋機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性提出了更高要求。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是指大型架橋機(jī)在施工過(guò)程中，受各種動(dòng)態(tài)載荷、風(fēng)力、地震等外部因素作用時(shí)，能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)的能力[2]。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析是評(píng)估大型架橋機(jī)性能的重要手段，有助于深入理解架橋機(jī)在復(fù)雜工況下的受力特性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及可能存在的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，為架橋機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工控制及安全保障提供科學(xué)依據(jù)。然而，由于大型架橋機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境多變，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)架橋機(jī)在復(fù)雜工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、如何有效評(píng)估架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等[3]。

基于此，該文以某橋梁工程中使用的架橋機(jī)為例展開相關(guān)研究，利用有限元軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，對(duì)大型架橋機(jī)在施工中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)例分析，探討其在實(shí)際應(yīng)用中的效果和局限性，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議。

1 大型架橋機(jī)在施工中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

1.1 工程概況

為分析大型架橋機(jī)在施工中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，該文以某道路橋梁工程施工使用的架橋機(jī)為例展開相關(guān)研究，該工程全長(zhǎng)為77.65 km，雙向四車道設(shè)計(jì)，橋梁上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、T梁、變截面現(xiàn)澆連續(xù)梁，使用的混凝土等級(jí)為C50，T梁混凝土的單片長(zhǎng)度為43 m，重量約為148.5 t。該梁為大跨度梁，在施工時(shí)為保證施工質(zhì)量，采用HJQ120-30A3型架橋機(jī)進(jìn)行施工。該架橋機(jī)主要包含主梁、導(dǎo)梁、前支腿、頂高支腿及液壓機(jī)電氣系統(tǒng)等多個(gè)部分組成，架橋機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示：

該架橋機(jī)的核心構(gòu)造體現(xiàn)在其主梁設(shè)計(jì)上，其采用獨(dú)特的雙三角桁架梁結(jié)構(gòu)，每根梁的長(zhǎng)度精確至75 m，并通過(guò)橫梁巧妙地連接在一起，形成整機(jī)的承重基石。為確保施工過(guò)程中的靈活性和高效性，在主梁上方裝配兩臺(tái)性能卓越的吊梁小車，每臺(tái)均具備75 t的額定吊重能力，其主要職責(zé)是精準(zhǔn)地操控和吊裝擬架梁板。而在主梁的下部，則精心布置4個(gè)穩(wěn)固的支腿，這些支腿下方還配備了橫移軌道系統(tǒng)，使得整個(gè)架橋機(jī)能夠輕松地將擬架梁板橫向移動(dòng)到預(yù)定的施工位置，從而確保工程的順利進(jìn)行。

架橋機(jī)在施工時(shí)，受周期性外力作用時(shí)，例如風(fēng)力、機(jī)械振動(dòng)等，會(huì)發(fā)生受迫振動(dòng)等情況，該振動(dòng)會(huì)對(duì)架橋機(jī)的動(dòng)穩(wěn)定性造成影響[4]，因此，需對(duì)其施工時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其中，動(dòng)穩(wěn)定性指的就是架橋機(jī)在施工時(shí)受周期性外力作用的條件下，能夠保持自身穩(wěn)定、不發(fā)生受迫振動(dòng)或有效抑制振動(dòng)幅度的能力，該能力會(huì)影響施工的安全性和效率。

1.2 基于有限元的動(dòng)穩(wěn)定性分析

1.2.1 架橋機(jī)有限元模型構(gòu)建

該文為可靠實(shí)現(xiàn)大型架橋機(jī)在施工中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，以Midas Civil軟件為主，構(gòu)建架橋機(jī)的有限元模型進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定性分析。Midas Civil軟件主要用于橋梁、地下等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，支持剛構(gòu)橋、板型橋、箱型暗渠、懸索橋、斜拉橋等多種橋梁類型的建模助手，并且具備動(dòng)力分析、動(dòng)力彈塑性分析等多種分析功能，除此之外，還能夠進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化索力、屈曲分析、移動(dòng)荷載分析等專項(xiàng)分析；并在個(gè)后續(xù)的處理過(guò)程中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范自動(dòng)生成荷載組合，也可以添加和修改荷載組合；同時(shí)，可以輸出各種應(yīng)力結(jié)果，可找出指定單元發(fā)生最大內(nèi)力（位移等）時(shí)，移動(dòng)荷載作用的位置[5]。

該文采用Midas Civil軟件進(jìn)行架橋機(jī)模型構(gòu)建時(shí)，主梁的構(gòu)建選擇Q345鋼材，模型的單元總數(shù)量為1 022，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為425個(gè)。在模擬T梁結(jié)構(gòu)時(shí)，分別采用通用的截面梁?jiǎn)卧MT梁的主體部分、桁架單元模擬其腹桿和底架結(jié)構(gòu)。為優(yōu)化后續(xù)分析的效率和復(fù)雜度，采取以下方法進(jìn)行處理：首先，對(duì)于架橋機(jī)在不同工作條件下的支腿支撐力，通過(guò)調(diào)整支撐的數(shù)量、形式和位置簡(jiǎn)化描述[6]；其次，橋梁中各連接構(gòu)件的連接方式被模擬為節(jié)點(diǎn)剛性連接，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)間的相互作用；最后，對(duì)天車吊設(shè)產(chǎn)生的移動(dòng)荷載進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，并直接施加在主梁弦上，以進(jìn)一步降低模型的復(fù)雜性和提高分析效率。構(gòu)建的架橋機(jī)有限元模型如圖1所示：

1.2.2 荷載施加

模型構(gòu)建完成后，為分析架橋機(jī)施工時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定性，進(jìn)行不同施工工況的模擬。在進(jìn)行分析時(shí)需考慮吊梁小車（重量65 t）的重量和工作荷載（450 t），模擬吊梁小車施工時(shí)在不同施工工況下的荷載施加結(jié)果。由于每個(gè)小車均有4個(gè)受截面，受載面積為5.5 m2，不同工況下的荷載施加情況如表2所示：

2 動(dòng)穩(wěn)定性分析結(jié)果

2.1 吊梁小車的許用應(yīng)力分析

依據(jù)表2中的荷載施加情況，對(duì)架橋機(jī)施工過(guò)程進(jìn)行荷載施加模擬，以分析架橋機(jī)的動(dòng)穩(wěn)定性[7]。在該分析過(guò)程中，需考慮的動(dòng)荷載包含起升質(zhì)量、小車質(zhì)量、混凝土箱梁及風(fēng)荷載。在施工過(guò)程中，如果風(fēng)壓為150 Pa，

混凝土箱梁風(fēng)荷載可等效于集中荷載，并施加在小車上，小車承受的風(fēng)荷載則以壓力的方式施加在有限元模型中，以計(jì)算吊梁小車的許用應(yīng)力（許用應(yīng)力是機(jī)械設(shè)計(jì)和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本數(shù)據(jù)。它作為一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，用于判斷零件或構(gòu)件在受載后的工作應(yīng)力是否過(guò)高或過(guò)低，當(dāng)零件或構(gòu)件中的最大工作應(yīng)力ξmax不超過(guò)許用應(yīng)力時(shí)，該零件或構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)中被認(rèn)為是安全的；反之，則可能面臨不安全的狀況）。按照該應(yīng)力的計(jì)算方法進(jìn)行吊梁小車的動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算，ξmax的計(jì)算公式為：

式中，ξs——材料的屈服強(qiáng)度；η——安全系數(shù)，文中取值為1.5。

依據(jù)式（1）分析架橋機(jī)在不同施工工況下的許用應(yīng)力結(jié)果，模型中的架橋機(jī)的材料為Q345，其值為230 MPa，如圖2所示：

對(duì)圖2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，在4種施工工況下，架橋機(jī)吊梁小車施工時(shí)的最大工作應(yīng)力ξmax結(jié)果均低于許用應(yīng)力，其中ξmax的最大值為215.5 MPa，表明吊梁小車的動(dòng)強(qiáng)度滿足施工需求，能夠在較為穩(wěn)定的情況下完成橋梁施工。

2.2 架橋機(jī)的頂高支腿動(dòng)穩(wěn)定性分析

以工況4為例，獲取該工況下架橋機(jī)頂高支腿的穩(wěn)定性。該穩(wěn)定性通過(guò)應(yīng)力云圖進(jìn)行描述，分析結(jié)果如圖3所示：

對(duì)圖3試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，在工況4下，頂高支腿應(yīng)力云圖中呈現(xiàn)的應(yīng)力值較為均勻，不存在集中的應(yīng)力情況且應(yīng)力值較低，不會(huì)影響架橋機(jī)施工的穩(wěn)定性。

2.3 架橋機(jī)整體動(dòng)穩(wěn)定性分析

為分析架橋機(jī)整體的動(dòng)穩(wěn)定性，以工況3為例，在最大懸臂狀態(tài)下，對(duì)構(gòu)建的架橋機(jī)模型施加2倍的屈曲荷載，獲取該情況下架橋機(jī)整體的失穩(wěn)模態(tài)結(jié)果，如圖4所示：

對(duì)圖4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，在架橋機(jī)執(zhí)行取梁作業(yè)時(shí)，當(dāng)其處于最大懸臂狀態(tài)并受到兩倍于正常值的屈曲荷載時(shí)，觀察到的失穩(wěn)現(xiàn)象主要集中在主梁跨中的桁架桿區(qū)域。經(jīng)過(guò)細(xì)致分析，該區(qū)域的屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)被測(cè)定為16.8。根據(jù)《建筑起重機(jī)械安全規(guī)程》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)這一安全系數(shù)值遠(yuǎn)高于要求的最低值4，這充分表明在面臨這種極端工況時(shí)，架橋機(jī)依然保持較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。這一結(jié)果不僅證明架橋機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，也為其在實(shí)際工程應(yīng)用中的可靠性和安全性提供了有力保障。因此，架橋機(jī)在施工時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，選擇的大型架橋機(jī)滿足該橋梁的施工需求。

3 結(jié)論

在大跨度橋梁施工時(shí)，主要選擇大型架橋機(jī)完成，架橋機(jī)施工時(shí)受各種外力、內(nèi)力作用時(shí)能否保持平衡，并防止架橋機(jī)失穩(wěn)造成的意外事故，需掌握架橋機(jī)的動(dòng)穩(wěn)定性。該文為分析大型架橋機(jī)在施工時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，以實(shí)際橋梁工程施工時(shí)使用的大型架橋機(jī)為例進(jìn)行相關(guān)分析，評(píng)估架橋機(jī)在工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)該分析得出，大型架橋機(jī)在施工過(guò)程中，能夠在不同工況下保證動(dòng)穩(wěn)定性，安全地完成橋梁施工。

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