客貨共線鐵路T型梁JQ190架橋機結構屈曲穩定性分析

胡學軍，張啟貴

（中國中鐵科工集團，武漢 430066）

1 引言

目前國內普速鐵路T 型混凝土預制梁架設大量使用JQ165 架橋機，該架橋機額定起重量為165t，隨著我國時速200km的客貨共線鐵路的設計、建設，T 型混凝土預制梁重量增大，梁片結構改變，研制適應于客貨共線鐵路T型混凝土預制梁架設的設備迫在眉睫。JQ190 型架橋機是為新建時速200km 客貨共線鐵路T 型混凝土預制梁架設而設計的施工設備，該架橋機額定起重量為190t，滿足16m、20m、24m、32m 單線/雙線鐵路T 型梁架設要求，可以方便地進行曲線架梁、變跨架梁和首、末跨架梁，能夠滿足隧道口架梁，該架橋機采用步履過孔、尾部喂梁、同步拖拉取梁、簡支架梁和一次落梁施工工藝，滿足一孔四片梁施工時機上空中橫向移梁要求，整機解體后滿足公路運輸要求。本文根據T 型梁施工工藝提出計算工況，應用大型結構有限元分析程序SuperSAP 對各種工況進行了力學分析，其分析結果對該機的設計有一定指導作用。目前，國內首臺JQ190 型架橋機已在國家規劃的大能力運煤通道建設項目-山西中南部鐵路通道項目成功實現T 梁架設，各項技術指標均滿足施工要求。

2 架橋機力學模型建立

2.1 架橋機基本結構

JQ190 型架橋機主要由以下幾部分組成：機臂、零號柱、一號柱、二號柱、三號柱、前、后吊梁小車，結構如圖1。機臂為為架橋機承載主梁，單箱形梁結構，總長56.1m。梁高1480mm，寬1220mm，機臂分四節段，符合公路運輸要求，各節段間采用銷連接。各立柱均為箱形結構，采用油缸升降。零號柱、三號柱與機臂采用鉸接連接，一號柱、二號柱通過帽梁與機臂連接。

圖1

2.2 有限元模型

該架橋機主體結構機臂和立柱均采用箱型梁結構，各部件采用不同厚度的Q345C 鋼板焊接而成，有限元模型采用板單元建模比較合適，同時，由于所選用的板厚均較薄，薄板屈曲問題尤顯突出，采用板單元可對總體結構進行局部屈曲穩定性分析。各立柱與機臂間采用等效剛度的虛擬單元模擬鉸接，在引入虛擬單元時，要注意其質量和剛度的等效替換。虛擬單元計算結果并不重要，重要的是它能否保證各構件的相對位置尺寸，保證力和彎矩的正確傳遞，只有這樣才可以保證主要部件應力、變形計算的準確。

2.3 計算工況

根據實際架梁過程對以下工況進行計算。工況一：前吊梁小車于二號柱尾部取梁，將梁片吊起。工況二：前吊梁小車拖拉梁片至一號柱和二號柱跨中。工況三：后吊梁小車于二號柱尾部取梁，將梁片吊起。工況四：前、后吊梁小車落梁對位（載荷無橫向偏載）。工況五：前、后吊梁小車落梁對位（載荷橫向偏載0.9m）。工況六：機臂縱移過孔到位。工況七：一號柱提起縱移，過孔到位。工況八：二號柱提起縱移至一號柱和三號柱跨中。

3 靜力學分析

根據以上有限元模型對各工況進行計算靜力學分析，其應力分布如圖2 所示，其中最大應力為226MPa，出現在工況七，即機臂縱移過孔到位工況，位置為機臂下蓋板靠近二號柱處。工況五，即前、后吊梁小車落梁對位（載荷橫向偏載0.9m）時，機臂下撓89mm。工況七，即機臂縱移過孔到位時，機臂實際下撓548mm，凈位移116mm。

圖2

4 總體屈曲穩定性分析

由于該架橋機主體結構均為薄板焊接件，且零立柱、一號柱為受壓細長桿件，因此必須對該架橋機進行整體穩定性和局部屈曲穩定性分析，總體結構的屈曲穩定性計算使邊界條件處理比較簡單，模型無需做過多的簡化，是尋找整體結構薄弱環節的重要手段。傳統的計算方法是將主梁取一段進行有限元分析，但邊界條件很難給出，模型需作大量簡化，計算結果與實際相差較大。而對結構進行整體屈曲穩定性分析時，約束邊界遠離壓應力較大處，且約束邊界可用等剛度的虛擬單元模擬，這樣可避免得不到關注部位的屈曲臨界載荷乘子。使用Super SAP屈曲模塊對結構進行了總體屈曲穩定性分析，零號柱在工況七時受力狀況最惡劣，一號柱在工況五時受力狀況最惡劣。分別對以上二種工況進行了穩定性分析，計算結果如圖3 所示。工況五：前、后吊梁小車落梁對位（載荷橫向偏載0.9m）時，曲屈發生在機臂腹板，為腹板局部失穩，屈曲載荷乘子為5.1，此工況單側機臂耳梁受壓，腹板由于彎矩產生的壓應力很大，且腹板為薄板，容易發生局部失穩。工況七：一號柱提起縱移過孔到位時，曲屈發生在零號柱，為零號柱整體失穩，屈曲載荷因子為8.8，零號柱截面尺寸相對長度尺寸要小得多，為細長受壓桿件，易發生整體失穩。

圖3

5 結論

（1）通過對各工況進行靜力學分析，最大應力為226MPa，出現在工況七：機臂縱移過孔到位。位置為機臂下蓋板靠近二號柱處，雖在工況五時，一號柱帽梁出現超過240MPa的點，但這是由于帽梁與機臂間的約束引起的應力集中，可不予考慮，所以總體結構最大應力未超過240MPa，未出現大面積超過200MPa，結構強度滿足要求。

（2）跨中工況（工況二：前吊梁小車至一、二號柱跨中時），凈位移89mm，根據文獻［4］，架橋機工作時主梁靜撓度f＜l/400，該架橋機許用位移93.45mm，故該架橋機機臂剛度符合要求。

（3）懸臂工況（工況六：機臂縱移過孔到位）。其實際最大位移為548mm，此時應校核零號柱是否可上墩臺，凈位移116mm，根據文獻［5］中附錄C 規定架橋機過孔時，懸臂下撓不大于S/100，該架橋機過孔時，懸臂允許下撓360mm，故懸臂過孔滿足規范要求。

（4）二號柱提起至一、三號柱跨中時，主梁中部實際位移達369.4mm，此時應校對2 號柱能否提起縱移。

（5）分別對工況五，前、后吊梁小車落梁對位（載荷橫向偏載0.9m），工況七，一號柱提起縱移過孔到位時進行了穩定性計算，其屈曲臨界載荷因子分別為5.1 和8.8，對Q345C 鋼板焊接成的受壓構件，穩定系數一般取1.8～3，計算表明該架橋機結構是穩定的。

［1］陳驥.鋼結構穩定理論與設計［M］.北京：科學出版社，2001.

［2］龍馭球，包世華.結構力學教程［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］王金諾，于蘭峰.起重運輸機金屬結構［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［4］GB/T26470-2011，架橋機通用技術條件［S］.

［5］TSG Q7002-2007，特種設備安全技術規范［S］.