變寬度移動模架設計與受力分析研究

齊云慧

（福建省交通建設工程監理咨詢公司，福建福州350000）

0 前言

移動模架造橋機是世界橋梁施工的先進工法，在我國被廣泛使用于跨線橋及跨海大橋的等寬截面箱梁施工中[1]。但是，國內外未見有采用移動模架施工截面變寬度箱梁工程的報道[2]。泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋工程首創變寬度移動模架施工工法，在實踐當中取得了良好的效果，經濟效益顯著。

本文的主要目的就是以泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋為依托工程介紹變寬度移動模架的設計要點，以及對其主要結構進行受力分析，驗證其設計的合理性。

1 工程概述

泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋處于潮汐區（見圖1），且位于江河入海口，沉積大量的泥砂層，考慮施工質量、安全、成本，以及借鑒類似工程經驗，決定采用移動模架施工。

圖1 泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋平面布置圖

秀涂互通主線橋互通區主線橋橫截面有單箱單室箱梁等寬段，以及由單箱雙室變為單箱三室或者四室斜腹板的等高變寬箱梁斷面形式。混凝土箱梁斷面形式復雜多樣，既有16.5 m和20.25 m兩種等寬的標準斷面，又有變寬的漸變斷面，最寬斷面為31.576 m（右幅B028-B027）。可以看出，秀涂互通主線橋上部箱梁施工難度最大的部分是漸變段施工。由于箱梁斷面寬度由16.5 m漸變到31.576 m，墩身寬度也相應加寬了約4 m；并且施工荷載變化較大，最輕施工梁段42 m，混凝土量為476.4 m3，最重施工梁段 58 m（右幅 B028-B027），混凝土量為1 616 m3。

可以看出為了保證秀涂互通主線橋工程施工質量與安全，設計合理、便于施工，同時又能保證安全的變寬度移動模架的就成為工程的關鍵。

2 變寬度移動模架結構設計要點

2.1 總體結構

變寬度移動模架總體結構仍與傳統等寬度移動模架大致相同，由主梁、鼻梁、牛腿、推進平車、橫梁、外模板等組成。泉州灣跨海大橋秀涂互通主線橋移動模架全長1 36.4 m，前后鼻梁為箱型桁架結構，長30m。主梁為鋼箱梁，長76.4m，高5m，寬2.5 m。每一部分都配有相應的液壓或機械系統。主體結構見圖2所示。

2.2 主梁

變寬度移動模架由于箱梁荷載噸位大，一般應采用兩組受力性能良好的箱形截面[3]，作為模架的骨架承受荷載，對于較大跨徑，對其剛度和強度的要求也應相應提高。另外還要考慮模架的縱向行走過孔，因此主梁宜采用空腹鋼箱梁，并在縱向適當挖成橢圓洞，以減輕自重并使外形美觀。模架鋼結構主梁的梁內宜設置斜撐及隔板等，以提高主梁局部承載能力及抗扭剛度。同時在主梁內、系統頂升支點及橫梁連接處作局部加強構造。圖3為其主梁斷面圖。

圖2 泉州灣跨海大橋變寬度移動模架造橋機總體布置圖

2.3 模板橫梁

模板橫梁通常是通過機械支撐系統進行豎向和橫向調整，橫梁制造應分為標準模板橫梁和加長模板橫梁，使其同時適應等寬段和變寬段施工需要。圖4為其橫梁橫斷面圖。

在漸變段，箱梁斷面寬度由16.5 m漸變到31.576 m，墩身寬度也相應加寬了約4 m。因此，移動模架的底模板需要加寬10.43 m，牛腿的支撐距離也要相應地加寬4 m，牛腿橫梁與模板橫梁均需相應地接長，并加固支點。

2.4 增加模架橫向剛度臨時結構

該橋屬大寬度變寬度箱梁，其最大橋寬為31.64 m，因此，如何解決移動模架橫向剛度，使其適應大寬度變寬度移動模架施工是關鍵。

經反復研究和論證，泉州灣跨海大橋秀凃互通主線橋確定通過在模架主梁兩側布設三角架來解決移動模架結構橫向剛度問題。具體為：加寬段施工時，模板橫梁接長，將位于加寬段側主縱梁兩側的三角支架水平旋轉展開，其上布設螺旋千頂支撐橫梁 (此時加寬側主縱梁上螺旋千斤頂不受力，用三角支架上的螺旋千斤頂作為支點)，以減小模板橫梁撓度，改善其受力。

三腳架大樣如圖5所示。

圖5 主梁三腳架大樣圖

3 變寬度移動模架受力分析

3.1 計算原則

計算以MSS50-3600設計圖紙、技術要點和原始資料為依據，根據《起重機設計規范》（GB3811-83）、《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）和《公路橋涵施工技術規范》（JTJ 041-89）進行。造橋機現行強度計算采用許用應力法，對于用塑性材料制作的零件，其計算應力：考慮零件尺寸、熱處理和載荷特性的材料屈服極限；n：塑性材料零件的安全系數（見表1）]。

表1 結構強度計算安全系數一覽表

由于造橋機所有材料均為塑性材料Q345系列和Q235系列，根據造橋機的工作條件和使用特點，計算載荷組合類別選用組合Ⅰ（見表2），故上述兩種材料的許用應力分別為：230MPa和160MPa。

3.2 變寬度移動模架主梁強度、剛度和穩定性計算

采用數值計算方法[4]來分析變寬度移動模架主梁強度、剛度和穩定性。有限元計算模型的標準載荷為：混凝土自重、內外模板自重、螺旋頂自重、人行道及輔助設備的重量。取秀凃互通主線橋荷載跨進行計算，其中該跨混凝土總方量為1 517.5 m3,澆注混凝土全長為50 m+8 m，混凝土重量3 600 t（已扣除62號、63號墩頂226m3混凝土），內外模板重400 t。主梁用板殼元來模擬，將鼻梁、模板橫梁均采用空間梁單元來模擬。

表2 計算載荷的組合一覽表

有限元計算結果如下：

（1）上部支架在設備自重和澆注混凝土共同作用下的總變形云圖見圖6所示，僅在澆注混凝土作用下的靜變形云圖見圖6（a）所示。外側主梁總撓度為：110.89mm，內側主梁最大靜撓度為：102.8 mm，均小于規范規定的主梁撓度L/500(L為主梁支撐跨度)，故主梁剛度滿足要求。

（2）主梁在設備自重和混凝土共同作用下的Von Mises應力云圖見圖6（b）所示。主梁最大應力為：σmax=196 MPa且最大應力點位于主梁前支點的支點腹板上。由于主梁采用Q345B焊接而成，其材料的許用應力：[σ]=230 MPa，故主梁滿足強度要求。

圖6 變寬度移動模架主梁靜力計算結果圖

（3）主梁整體穩定性計算,將外模自重和混凝土作為集中外載荷加在螺旋頂上，通過計算得主梁一階失穩變形，見圖7所示，一階失穩處于主梁后支點內腹板上，一階屈曲特征值為：2.06，滿足穩定性要求[5、6]。

圖7 度移動模架橫梁強度、剛度和穩定性計算

采用數值計算方法來分析變寬度移動模架橫梁強度、剛度和穩定性。移動模架在澆注變寬度箱梁過程中，位于墩頂附近的橫梁受力最大，此時橫梁所承擔的所有載荷共3 000 kN。計算結果如下：

（1）橫梁垂向變形云圖見圖8(a)所示，豎向最大總變形為9.544 mm，故橫梁剛度滿足要求。

（2）橫梁Von Mises應力云圖見圖8(b)所示，最大應力為：σmax=190MPa，位于橫梁腹板支點部位，屬擠壓應力。由于腹板用Q345B焊接而成，[σ]=190MPa，故滿足強度要求。

（3）通過計算得橫梁失穩變形見圖9所示，一階失穩變形位置位于靠近內側螺旋千斤頂處的腹板上，一階特征值為：4.818，滿足穩定性要求。

3.4 變寬度移動模架造橋機開模行走橫向穩定性計算

移動模架采取模板、橫梁分段打開的方式實現縱移過孔，用合模狀態的模板、橫梁平衡已打開的模板、橫梁，移動模架過孔過程中至少保證8組橫梁處于合攏狀態。取移動模架造橋機正?？玳_?？v移為計算工況，采用理論分析法來分析變寬度移動模架造橋機開模行走橫向穩定性，計算簡圖見圖10所示。

作用載荷：

（1）設備單側主梁、鼻梁重 G1=267.7 t，力臂L1=1.22 m。

（2）設備單側已開模橫梁重G2=120 t，力臂L2=6.55 m。

（3）設備單側已開模模板重 G3=27 t，力臂L3=15.6 m。

圖8 泉州灣跨海大橋變寬度移動模架橫梁應力云圖

（4）單側三角支撐架重G4=20 t，力臂L4=1.63m。

（5）未拆除橫梁可提供抗傾覆力矩M=30×10×8=2 400（t·m）。

（6）主梁、模板等效風載：F1=∑CKhPS=23.1 t；力矩：L5/2=4.81 m。

其中：C—— 風載體型系數，取1.4；

Kh——風壓高度變化系數，取1；

P——風壓值，取0.026 8 t/m2（8級風風壓值）；

S—— 迎風面積為：615.68 m2。

（7）鼻梁等效風載：F2=φECKhPS=4.09 t;力矩L6/2=1.75m。

其中：φ——充滿系數，取0.3；

C——風載體型系數，取1.4；

Kh——風壓高度變化系數，取1；

P——風壓值，取0.0268 t/m2（8級風風壓值）；

S——迎風面積為：364 m2。

各載荷對支點取力矩，則橫向抗傾覆系數δ由抗傾覆力矩M1比傾覆力矩M2求得：

故該設備滿足起重機規范的橫向穩定性要求。

4 結語

泉州灣跨海大橋秀涂互通主線橋采用變寬度移動模架施工箱梁工法，在國內首創，該移動模架的設計與應用，解決了以往移動模架在大寬度變寬度箱梁現澆施工中無法滿足現場施工條件的問題，使移動模架的適用范圍得到極大擴展，且對類似工程項目施工具有重要參考價值。

本文介紹了變寬度移動模架主要結構的設計要點，并通過理論分析驗證了其設計的合理性，同時在施工實踐中，泉州灣跨海大橋秀涂互通主線橋采用變寬度移動模架施工箱梁，施工質量良好，安全可控，取得了很好的社會效益及經濟效益，為變寬度移動模架的推廣運用，起到了很好的示范作用。

[1]范立礎.預應力混凝土連續梁橋[M].北京；人民交通出版社，1998.

[2]馬濤，李軍堂，毛偉琦.移動模架造橋機在曲線連續箱梁橋上的應用[J].橋梁建設，2006(增 1)：119-122.

[3]柏華軍.移動模架若干問題研究與優化.[D].杭州:浙江大學，2007.

[4]王勖成.有限元單元法.[M].北京:清華大學出版社，2003.

[5]陳紹藩.鋼結構穩定性設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社，2004.

[6]陳驥.鋼結構穩定性理論與設計.[M].北京:科學出版社，2003.