門式雙主梁提梁機施工抗風性能研究

李永樂，楊 懌，陳 杰，蔡劍濤，劉耀強

(1.西南交通大學 橋梁工程系，成都 610031;2.中鐵一局 新運工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

蘭新鐵路第二雙線是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點項目之一。由于該線所處地理位置特殊，有長達近60%的線路需要穿越新疆著名的煙墩、百里、三十里和達坂城四大風區(qū)，大風區(qū)內(nèi)自然條件極其惡劣，是我國乃至世界鐵路風沙災害最為嚴重的地區(qū)之一。其中的百里風區(qū)、三十里風區(qū)是目前世界內(nèi)陸鐵路所經(jīng)過的大風風速最高的地區(qū)之一［1-4］。沿線地區(qū)的風環(huán)境具有風速高、風期長、變化速度快等顯著特點，部分地區(qū)年大風天數(shù)超過200 d。蘭新鐵路工期緊，不可避免地要進行有風情況下的提、運、架梁作業(yè)。

提梁機如果遭受如此大風侵襲而又無必要的防風措施，不僅會對提梁機本身造成損害，帶來施工安全隱患，同時也可能延長工期而造成巨大的浪費，大風已成為影響機具安全與整體施工進度的控制因素。而國內(nèi)外對于橋梁施工抗風研究大多針對橋梁主體結(jié)構(gòu)本身［5－7］，對提梁機這類施工機具抗風性能的研究未見報道。因此，為確保提梁機的施工安全，對其整體抗風穩(wěn)定性能進行研究十分必要。

本文以TLJ450/36型門式雙主梁提梁機為對象，采用有限元方法分析了提梁機的抗滑移性能、抗傾覆性能以及被吊梁段的位移情況，明確了風速儀的安裝位置，提出了實用的防風措施。

1 分析方法

TLJ450/36型提梁機為門式雙主梁兩支腿結(jié)構(gòu)，適用于鐵路客運專線32 m，24 m，20 m整孔雙線箱梁的起吊、轉(zhuǎn)移等工作。提梁機由主梁、剛性支腿、柔性支腿、大車走行機構(gòu)、起重小車、電氣系統(tǒng)等組成(如圖1)。

圖1 提梁機結(jié)構(gòu)示意

在強風荷載的作用下，提梁機易發(fā)生整體滑移和傾覆現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件的損壞較少，故在計算中，忽略結(jié)構(gòu)自身彈性變形，僅計入構(gòu)件自重與風荷載的作用。將各受力構(gòu)件視為抗彎剛度相同的桿件，采用梁單元模擬。靜力風荷載以線性荷載的方式施加到提梁機的主要迎風構(gòu)件(如提梁機支腿、主梁走臺)及混凝土梁梁段上，同時考慮迎風側(cè)桿件對背風側(cè)桿件的遮擋效應。施加風荷載時，對背風側(cè)桿件的阻力系數(shù)進行了適當?shù)恼蹨p。其它構(gòu)件(如起重小車、控制系統(tǒng)等)采用質(zhì)量單元模擬其自重，器械與地面接觸點采用鉸接約束模擬。提梁機計算模型如圖2所示，圖中AD(或BC)方向為提梁機走行方向。

圖2 提梁機有限元模型

提梁機的計算風速取地面以上10 m高度處的風速，考慮0～50 m/s的風速變化范圍，同時考慮風速沿豎直高度方向的分布，按下列公式計算

式中，Vz2為地面以上高度Z2處的風速(m/s);Vz1為地面以上高度Z1處(Z1=10)的風速(m/s);α為地表粗糙度系數(shù)。

風的靜力作用按照靜陣風荷載計算，對提梁機構(gòu)件僅考慮風的阻力作用，對混凝土梁段考慮阻力和升力的共同作用。風的靜力荷載按照下式計算

式中，F(xiàn)H、FV分別為單位長度構(gòu)件的靜風阻力和升力;ρ為空氣密度;Vg為靜陣風風速;CH、CV分別為各構(gòu)件截面的阻力系數(shù)與升力系數(shù);D、B分別為各構(gòu)件截面的高度與寬度［8-10］。

2 抗風性能分析

針對提梁機可能出現(xiàn)的最不利情況，分別計算分析了提梁機空載狀態(tài)、提梁工作狀態(tài)、提梁防風狀態(tài)等不同工作狀況下的抗風性能。其中，空載狀態(tài)和提梁防風狀態(tài)時考慮沿提梁機走行方向的風荷載的作用，考察結(jié)構(gòu)的水平抗滑移和抗傾覆性能。提梁工作狀態(tài)時，考慮垂直于提梁機走行方向的風荷載的作用，考察結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能和混凝土梁段在風載作用下的位移，位移大小可反映風對施工的影響。

2.1 抗滑移性能

通過計算結(jié)構(gòu)順風向約束反力來分析提梁機的水平抗滑移性能，計算中最不利風向為沿提梁機走行方向。計算結(jié)果表明，提梁機處于空載或提梁防風狀態(tài)，風荷載沿提梁機走行方向情況下，其順風側(cè)支點的約束反力值均隨著風速增大而逐漸增大，且背風側(cè)支點的反力值大于迎風側(cè)(如圖3所示)。支點 A，B，C，D的位置如提梁機模型圖(圖2)所示。

圖3 空載狀態(tài)順風向約束反力

要保證提梁機不發(fā)生整體滑移，需要提供的制動力合力亦隨風速增大逐漸增大，且提梁機沿走行方向的制動力合力大小與提梁機是否提梁無關，不同風速下所需要提供的制動力合力大小見表1。

表1 提梁機抗滑移所需提供的制動力合力

2.2 抗傾覆性能

通過計算結(jié)構(gòu)各支點的豎向約束反力來分析提梁機的抗傾覆性能。以豎直向上為正，若某支點豎向反力值為負值，則該支點處脫離地面支撐。當迎風側(cè)支點豎向反力值均為負值時，提梁機將發(fā)生整體傾覆。

計算結(jié)果表明，提梁機的背風側(cè)豎向約束反力隨著風速增加逐漸增大，而迎風側(cè)反力隨著風速增加逐漸減小。

空載狀態(tài)時，最不利風向為沿提梁機走行方向。提梁機各支點豎向反力隨風速變化如圖4所示，由圖4可知，當風速增加至35 m/s左右時，迎風側(cè)支點 A豎向反力出現(xiàn)負值，當風速增加至40 m/s時，迎風側(cè)支點B豎向反力也出現(xiàn)負值，提梁機將發(fā)生傾覆，需要采取必要的防風措施才能保證提梁機安全。

圖4 空載狀態(tài)各支點豎向反力

提梁工作狀態(tài)時，最不利風向為垂直于提梁機走行方向。隨著混凝土梁段被提升高度的增加，提梁機背風側(cè)支點豎向反力值逐漸減小，迎風側(cè)支點豎向約束反力略有增大，而豎向反力合力值隨著提升高度的增大而減小。梁段提升至額定起升高度(28.5 m)時，迎風側(cè)與背風側(cè)支點豎向反力值均隨風速的增大而減小，但在0～50 m/s的風速范圍內(nèi)，其豎向反力值均為正(如圖5所示)，即提梁機提梁工作狀態(tài)不會發(fā)生垂直于提梁機走行方向的傾覆。

吊梁防風狀態(tài)，即提梁機處于非工作狀態(tài)時，將起重小車吊住混凝土梁段，使鋼絲繩處于繃緊而梁段未被吊起，最不利風向為沿提梁機走行方向。起重小車分別承受1 000 kN，2 000 kN力時各支點豎向反力值如圖6和圖7所示。承受全部梁重時，起重小車分別位于提梁機橫梁中間位置和靠近支腿位置時各支點豎向反力值如圖8和圖9所示。

由圖6和圖7可知，提梁防風狀態(tài)，提梁機豎向支點反力值隨風速變化規(guī)律同空載狀態(tài)一致。

隨著起重小車拉力的逐漸增大，迎風側(cè)支點豎向反力出現(xiàn)負值時所對應的風速值也逐漸增大，即相應的安全性越高。承受1 000 kN力的情況下風速達37 m/s時支點A反力為負值，承受2 000 kN的力情況下風速達39 m/s時支點A反力為負值。

由圖8和圖9可知，起重小車承受全部梁重時，小車位于橫梁中間位置比起重小車靠近支腿位置處迎風側(cè)支點豎向反力出現(xiàn)負值時所對應的風速值大，即起重小車位于橫梁中間位置處時提梁機更安全。

2.3 混凝土梁段位移

提梁工作狀態(tài)，混凝土梁段提升至不同高度時順風向位移如圖10所示。由圖10可知，隨著混凝土梁段提升高度的增加，梁段的順風向位移逐漸減小，21 m/s風速時，梁段最大順風向位移約為4 cm。

圖8 起重小車位于橫梁中間位置時各支點豎向反力

圖9 起重小車靠近支腿位置時各支點豎向反力

3 風速儀安裝位置

提梁機的抗風穩(wěn)定性能是隨著風速而變化的，而風速又沿高度有變化。要明確提梁機所在位置處的風速變化情況，可通過安裝風速儀實時監(jiān)控。

由于提梁機計算風速為離地面高度10 m處的風速，故風速儀應安裝在相應高度處。但為了消除提梁機自身構(gòu)件對風場環(huán)境的影響，可在距離提梁機一定距離，地表相對平坦，且周邊無其它高大結(jié)構(gòu)物的位置處單獨安裝風速儀。風速儀高度為離地10 m，測試風速應為10 min平均風速。

4 防風措施

為了確保提梁機在強風作用下的的安全性，還需要采取必要的防風措施對其進行加固。

前述計算分析表明，起重小車位于提梁機橫梁中間位置時效果更好，停止施工作業(yè)時可采取吊梁狀態(tài)以增加抗風穩(wěn)定性，吊繩內(nèi)力不宜過小。

此外，提梁機空載狀態(tài)時，隨著風速的增大，提梁機有傾覆的可能性，可在提梁機設置抗拉設備以防止其被吹翻。可采用將大車走行輪組用夾軌器與軌道連接，或在提梁機兩側(cè)設置拉桿等防風措施。

5 結(jié)論

1)提梁機空載狀態(tài)時，隨著風速的增大，要保證提梁機不產(chǎn)生沿走行方向的滑移，所需要提供的制動力合力逐漸增大。當風速為35 m/s時，迎風側(cè)一支點豎向反力出現(xiàn)負值。

2)提梁工作狀態(tài)時，垂直于提梁機走行方向的抗傾覆穩(wěn)定性較好。當風速為21 m/s時，混凝土梁段在風荷載作用下的順風向位移約為4 cm。

3)提梁機吊梁防風狀態(tài)時，隨著起重小車張拉力的逐漸增大，提梁機抗傾覆穩(wěn)定性逐漸提高，起重小車置于提梁機中間位置時具有更好的抗風穩(wěn)定性。

4)風速儀應在距離提梁機一定距離，地表相對平坦，且周邊無其它高大結(jié)構(gòu)物的位置處單獨安裝。風速儀高度為離地10 m，測試風速為10 min平均風速。

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