風(fēng)荷載作用下架橋機(jī)的穩(wěn)定性分析

摘要：依托工程案例，利用有限元軟件建立架橋機(jī)數(shù)值仿真模型，分析了在不同大小和方向風(fēng)載作用下架橋機(jī)主梁的應(yīng)力和應(yīng)變特征，探究了影響架橋機(jī)穩(wěn)定性的主要因素。結(jié)果表明，空載階段的架橋機(jī)變形最大位置為主梁最左端位置處；架橋機(jī)在各階段最大應(yīng)力主要發(fā)生在中支腿位置處；X向風(fēng)載是導(dǎo)致架橋機(jī)發(fā)生安全事故的主要原因；工作狀態(tài)下，架橋機(jī)應(yīng)力數(shù)值由大到小依次為落梁階段、滿(mǎn)載階段和半載階段，而位移大小則恰恰相反。

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；架橋機(jī)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；數(shù)值模擬；位移；應(yīng)力

0" "引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，為滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的需要，各大城市大力發(fā)展交通基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是橋梁工程[1]。在橋梁施工過(guò)程中，架橋機(jī)等施工設(shè)備的安全保障首當(dāng)其沖[2]。本文依托工程案例，通過(guò)有限元軟件建立了架橋機(jī)數(shù)值模型。根據(jù)架橋過(guò)程，分析了在工況下架橋機(jī)主梁的應(yīng)力和應(yīng)變情況，對(duì)影響架橋機(jī)穩(wěn)定性的主要原因做了剖析。

1" "工程概況

本文依托廣清城際清遠(yuǎn)站（不含）至省職教城站（含）段站前工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目試驗(yàn)路段的施工高度約為20m，地表粗糙度為0.15，主跨采用預(yù)制箱梁施工，共18孔32m雙線預(yù)制箱梁，采用900T型架橋機(jī)。

線路位于廣東省中北部，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，熱量豐富，長(zhǎng)夏無(wú)冬，雨量充沛，且易出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，工作狀態(tài)時(shí)架橋機(jī)風(fēng)級(jí)為10級(jí)，非工作狀態(tài)工作最高11級(jí)。根據(jù)主要?dú)庀笠乇恚@取了離地高度10m和20m處的靜力風(fēng)風(fēng)速，如表1所示。

2" nbsp;架橋機(jī)有限元模型

2.1" "架橋流程分析

實(shí)際工作中，架橋機(jī)架橋流程如下：運(yùn)梁車(chē)到架橋機(jī)尾部就位；1號(hào)吊梁車(chē)取梁，將梁吊起，并向前行駛；2號(hào)吊梁車(chē)取梁；兩輛吊梁車(chē)同時(shí)前移，到達(dá)落梁的指定位置；不斷調(diào)整量位置進(jìn)行精確落位。

分析以上架梁過(guò)程，發(fā)現(xiàn)比較危險(xiǎn)的情況主要有以下幾種：一是空載待機(jī)狀態(tài)維持時(shí)間較長(zhǎng)；二是1號(hào)吊梁機(jī)已經(jīng)取梁并向前行駛，2號(hào)吊梁車(chē)未取梁，此時(shí)架梁機(jī)處于半載狀態(tài)，受力不均衡；2號(hào)吊梁車(chē)取梁完畢，此時(shí)架梁機(jī)為滿(mǎn)載狀態(tài)，靜力負(fù)荷最大；箱梁就位，準(zhǔn)備架梁，此時(shí)受風(fēng)載影響較大。

2.2" "模型建立

利用有限元軟件建立簡(jiǎn)化的架橋機(jī)三維數(shù)值模型，模型中材料為Q324鋼，并依據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型施加了邊界約束。為了在保證計(jì)算精度的前提下兼顧到計(jì)算效率，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)架橋機(jī)后支腿、中支腿等關(guān)鍵受力部位進(jìn)行了局部加密，共劃分出43157個(gè)10節(jié)點(diǎn)的有限元網(wǎng)格。架橋機(jī)的有限元模型如圖1所示。

架橋機(jī)荷載主要包含兩部分：一部分為吊梁車(chē)自重；另一部分為工作荷載。參考相關(guān)規(guī)范，設(shè)定每輛吊梁車(chē)自重為65t，工作荷載設(shè)置為450t。

吊梁機(jī)共分為4種工況進(jìn)行模擬，分別為空載狀態(tài)、半載狀態(tài)、剛?cè)×籂顟B(tài)和準(zhǔn)備落梁狀態(tài)，其受力情況如表2所示。

3" "結(jié)果分析與討論

3.1" "靜力仿真計(jì)算

通常架橋機(jī)中支腿設(shè)計(jì)更為厚實(shí)，安全系數(shù)較高。后支腿為框架結(jié)構(gòu)，在架橋過(guò)程中由于梁前移，導(dǎo)致其荷載進(jìn)一步減小，因此其安全系數(shù)亦較高。相比較而言，前支腿在加量過(guò)程中負(fù)載較大，且其設(shè)計(jì)較為薄弱，因此與梁撓度控制均為架橋過(guò)程中易遭遇的難點(diǎn)問(wèn)題。靜力模擬的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，隨著架橋過(guò)程的推進(jìn)，運(yùn)梁車(chē)不斷前移，架橋機(jī)前支腿復(fù)合應(yīng)力持續(xù)增大，甚至與整個(gè)架橋機(jī)應(yīng)力最大值較為接近，可見(jiàn)其承受荷載之大。在空載階段，架橋機(jī)變形最大位置為主梁最左端位置處，而在其余階段，其變形最大位置逐漸過(guò)渡到主梁前端中央位置處。架橋機(jī)在各階段最大應(yīng)力主要發(fā)生在中支腿位置處，但由于其設(shè)計(jì)較為厚實(shí)，因此安全系數(shù)仍能保持較高水平。

3.2" "主風(fēng)向分析

模擬時(shí)加載分為3個(gè)階段：第一階段為靜力加載階段，即在0～10s內(nèi)勻速施加靜載；第二階段為靜力持續(xù)階段，即在10～20s內(nèi)保持靜力加載不變；第三階段為風(fēng)荷載施加階段，即在20～100s內(nèi)施加。

3.2.1" "主梁位移分析

圖2展示了在11級(jí)風(fēng)力作用下不同風(fēng)向的分量位移隨時(shí)間變化情況，并對(duì)X+風(fēng)向下分量位移變化情況和Z+風(fēng)向下分量位移變化情況進(jìn)行了對(duì)比。

從圖2中可以看出，隨著時(shí)間的增加，Y方向和Z方向位移均呈現(xiàn)先增后穩(wěn)的趨勢(shì)，在20s之后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本未發(fā)生波動(dòng)。X方向位移在20s之后呈現(xiàn)上線波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)幅度較大，最大可達(dá)到10mm左右。

由此可見(jiàn)，在X+風(fēng)向條件下，由于架橋機(jī)本身阻尼的作用，使得橫向風(fēng)荷載主要影響與風(fēng)向垂直的截面使其發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，而Y方向和Z方向基本未受到X+風(fēng)載影響。在Z+風(fēng)載作用下，Z方向發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)，其次，X方向也受到了一定影響，相比之下，Y方向基本未受影響。

3.2.2" "架橋機(jī)前支腿應(yīng)力分析

圖3展示了架橋機(jī)前支腿最大應(yīng)力變化曲線。

從圖3可以看出，在2種不同方向風(fēng)力作用下，架橋機(jī)前支腿最大應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同。相比較之下，在X+方向風(fēng)載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)大于Z+方向，可見(jiàn)架橋機(jī)受橫向風(fēng)力影響較大。造成這種現(xiàn)象主要是由于架橋機(jī)結(jié)構(gòu)在X軸方向?qū)Ω髦鹊墓潭ㄝ^少，因此X向風(fēng)載是導(dǎo)致架橋機(jī)發(fā)生安全事故的主要原因。

3.3" "危險(xiǎn)工況分析

3.3.1" "主梁X方向上的最大位移和應(yīng)力變化情況

圖4展示了在10級(jí)風(fēng)載作用下不同工況下架橋機(jī)主梁X方向上的最大位移和應(yīng)力變化情況。工作狀態(tài)下荷載施加是在非工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，增加了100～200s范圍的X-向風(fēng)載，其風(fēng)載等級(jí)亦為10級(jí)。

3.3.2" "最大位移分析

從圖4的位移結(jié)果可以看出，工作狀態(tài)下，不同工況主梁X方向位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，在0～10s范圍內(nèi)位移持續(xù)增加，在10～20s范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，20s施加風(fēng)載后出現(xiàn)振動(dòng)。

各工況間對(duì)比，位移最大的為工況2即半載狀態(tài)，其次為工況3即取梁狀態(tài)，位移最小的為工況4，即落梁狀態(tài)。由于工況2時(shí)，前半段主梁的跨中位置達(dá)到了最大承載，因此造成了位移最大。風(fēng)向轉(zhuǎn)變后，各工況下主梁X方向位移均出現(xiàn)一部分縮減，這是由于隨著風(fēng)向的變化，導(dǎo)致其位移增量方向發(fā)生改變，由X-風(fēng)向產(chǎn)生的位移對(duì)原本X+風(fēng)向產(chǎn)生的位移進(jìn)行了一部分抵消，因而表現(xiàn)出了風(fēng)向轉(zhuǎn)變后架橋機(jī)主梁X軸位移發(fā)生突變。

3.3.3" "最大應(yīng)力分析

從圖4的應(yīng)力結(jié)果可以看出，隨著荷載的施加，各工況下應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)生變化，在0～10s內(nèi)表現(xiàn)為急速增加，在10～20s范圍內(nèi)表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，而在20～220s范圍內(nèi)則表現(xiàn)持續(xù)波動(dòng)，不同工況下應(yīng)力大小上存在差異，但變化趨勢(shì)相同。各工況間對(duì)比，應(yīng)力數(shù)值由大到小依次為工況4、工況3和工況2。同位移變化趨勢(shì)相似，各工況應(yīng)力在120s亦發(fā)生突減，但由于先施加X(jué)+方向的風(fēng)載，導(dǎo)致其率先產(chǎn)生位移，以至于施加X(jué)-方向風(fēng)載后應(yīng)力數(shù)值有差異。

綜上分析，在風(fēng)載作用下，架橋機(jī)主梁會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，應(yīng)力和位移均不穩(wěn)定，導(dǎo)致了架橋機(jī)整體的穩(wěn)定性和前支腿強(qiáng)度的降低。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文以架橋機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬手段，建立了架橋機(jī)有限元仿真模型。根據(jù)架橋過(guò)程，設(shè)置了架橋機(jī)4種不同工況，分析了不同工況下架橋機(jī)主梁的應(yīng)力應(yīng)變情況和影響架橋機(jī)穩(wěn)定性的原因。得出主要結(jié)論如下：

在空載階段，架橋機(jī)變形最大位置為主梁最左端位置處，而在其余階段，其變形最大位置逐漸過(guò)渡到主梁前端中央位置處。架橋機(jī)在各階段最大應(yīng)力主要發(fā)生在中支腿位置處，但由于其設(shè)計(jì)較為厚實(shí)，因此安全系數(shù)仍能保持較高水平。

在X+風(fēng)向條件下，由于架橋機(jī)本身阻尼的作用，使得橫向風(fēng)荷載主要影響與風(fēng)向垂直的截面使其發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，而Y方向和Z方向基本未受到X+風(fēng)載影響。

由于架橋機(jī)結(jié)構(gòu)在X軸方向?qū)Ω髦鹊墓潭ㄝ^少，導(dǎo)致在X+方向風(fēng)載作用下產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)大于Z+方向，X向風(fēng)載是導(dǎo)致架橋機(jī)發(fā)生安全事故的主要原因。

工作狀態(tài)下，架橋機(jī)應(yīng)力數(shù)值由大到小依次為落梁階段、滿(mǎn)載階段和半載階段，而位移大小則恰恰相反，架橋機(jī)主梁撓度最大的亦為半載階段。

參考文獻(xiàn)

[1] 張雙洋.深水大跨橋梁水中墩鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2021，345（12）：101-104+164.

[2] 朱明清，李冬冬，夏昊，等.架橋機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，20（3）：251-256.