試論高速鐵路架橋機(jī)前支腿安全性

陳 浩

（中鐵二十三局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司 四川成都610000）

試論高速鐵路架橋機(jī)前支腿安全性

陳 浩

（中鐵二十三局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司 四川成都610000）

近些年，我國(guó)在高速鐵路方面的建設(shè)與發(fā)展很快，高速鐵路也走出國(guó)門，走向世界。在高速鐵路的建設(shè)進(jìn)程中，規(guī)模較大的起重機(jī)器——架橋機(jī)成為建設(shè)機(jī)器設(shè)備中不可或缺的一員，保證架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性不容操作人員與設(shè)計(jì)人員忽視。本文論述的主體為TLJ900型架橋機(jī)前支腿，對(duì)其從靜強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、損傷構(gòu)造的影響幾個(gè)方面進(jìn)行安全性討論。

架橋機(jī)；前支腿；安全性

0 引言

高速鐵路建設(shè)像雨后春筍般在全國(guó)多地區(qū)發(fā)展，伴隨著在施工中機(jī)械化程度的提升，架橋機(jī)顯而易見(jiàn)地成為建設(shè)高速鐵路施工中不可缺失的機(jī)械設(shè)備。根據(jù)鐵路相關(guān)部門的規(guī)劃，截止到2020年我國(guó)預(yù)計(jì)架設(shè)20000公里的高速鐵路。在未來(lái)的高鐵建設(shè)過(guò)程中急需大量高生產(chǎn)效率、高質(zhì)量、高性能和配套系列化的高速鐵路橋梁施工設(shè)備。架橋機(jī)擁有非常樂(lè)觀的應(yīng)用前景，而且向著大規(guī)模、智能化的方向發(fā)展。眼下我國(guó)服役于高鐵建設(shè)中的架橋機(jī)都要架設(shè)900t及以上的梁片，在重載作用下，架橋機(jī)在施工過(guò)程中發(fā)生安全事故的概率大大增加。一旦發(fā)生安全事故，重則使得工作人員生命安全受到威脅，輕則增加施工資金的投入，所以大型機(jī)械器材的安全問(wèn)題必須得到施工人員的高度重視。

1 TLJ900 架橋機(jī)介紹

TLJ900架橋機(jī)在架設(shè)時(shí)速為200～350km鐵路客運(yùn)專線，以及20m、24m、32m雙線整孔預(yù)應(yīng)力箱型混凝土的工程時(shí)有著很大大的優(yōu)勢(shì)，該架橋機(jī)能有效應(yīng)對(duì)橋隧相連區(qū)域的架設(shè)工程而且能夠直接在距離隧道出口。M的地方實(shí)施建設(shè)。TLJ900架橋機(jī)不僅可以對(duì)橋梁架設(shè)任務(wù)實(shí)施有效的處理，而且可以滿足首末跨架以及非直線跨架等不同形式的架設(shè)，既可以短途運(yùn)輸橋梁，又可以按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

由于自身雙導(dǎo)梁式構(gòu)造的原因，TLJ900型架橋機(jī)組成部分一般包括：兩根箱型主梁、將主梁首尾連接在一起的橫聯(lián)、首尾各放置兩臺(tái)起重小車、硬度較大的后支腿、具有一定形變能力的前支腿、輔助支腿、懸臂梁以及下導(dǎo)梁等。如下圖1-1所示。

圖1 -1 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)該主梁是一種箱型結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓把5節(jié)長(zhǎng)12 m的拼接板連接在一起，方便運(yùn)輸和裝卸，借助前后橫聯(lián)把兩端連接。它是整個(gè)架橋機(jī)中起到承受荷載的主要作用。

(2)后支腿是空間剛性支腿，利用螺栓上端與主梁建立聯(lián)系，下端和走行臺(tái)車綁定，在對(duì)梁進(jìn)行架設(shè)的過(guò)程中依靠機(jī)械千斤頂器材承受較大的負(fù)載。借助液壓千斤頂，能夠完成機(jī)械受力裝置載荷和走行臺(tái)車之間的轉(zhuǎn)換。

(3)平面柔性支腿，其是整個(gè)機(jī)子的前端支撐點(diǎn)，使用鉸接上端和主梁相連。前支腿上配備了可以折疊的節(jié)點(diǎn)、能夠自由變換的節(jié)點(diǎn)以及固定節(jié)點(diǎn)，依靠這些元件能夠完成橋梁垂直坡、變跨施工以及孔橋梁的搭建的任務(wù)。

(4)懸臂梁的構(gòu)造一般是板梁式析架，往往放置在主梁的前橫聯(lián)處，稍稍上翅，有利于下導(dǎo)梁天車穩(wěn)定工作。

2 架橋機(jī)前支腿安全性分析

2.1 對(duì)前支腿結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

架橋機(jī)運(yùn)行過(guò)程中依次包括吊梁起升、吊梁工作、改變橫向方位、放下梁四種不同工序，每種施工工序單獨(dú)存在。參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 3811-2008中的載荷分類與組成說(shuō)明，可以將每種工況下的計(jì)算載荷分為三種組合形式，即載荷組合I、載荷組合II及載荷組合III。各載荷組合形式下的載荷組成及安全系數(shù)見(jiàn)下表。

表2 -1 載荷組成及安全系數(shù)

而每種載荷組合又可以分為多種組合方式，如下表所示。

表2 -2 各計(jì)算工況下的載荷組合

在載荷組合方式1（1）下做出計(jì)算，前支腿上的最大節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力為126 MPa。TU900型架橋機(jī)使用的是Q345鋼材料，該材料是塑性材料，它的屈服極限為345 MPa，在此載荷組合方式下材料的安全系數(shù)取為1.5， 126 MPa＜345 MPa/1.5,能夠滿足使用要求。

在載荷組合方式2（2）下做出計(jì)算，山于風(fēng)載的作用，各部分的應(yīng)力均比載荷組合方式I大，其最大節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力為134 MPa。在這種組合方式下材料的安全系數(shù)取為1.33，可得134 MPa＜345 MPa/1.33,能夠滿足使用要求。

2.2 對(duì)前支腿結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的分析

在實(shí)際工作中，機(jī)械設(shè)備承受的載荷是不確定，隨時(shí)間不斷變化的。超過(guò)極限應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間遭到破壞。更多的狀況是，負(fù)載十分小，但卻嚴(yán)重的破壞了原有的結(jié)構(gòu)，這種情況出現(xiàn)的就是由于動(dòng)載荷的存在。架橋機(jī)的工作環(huán)境十分惡劣，工作載荷十分復(fù)雜，經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷、移動(dòng)載荷等載荷的作用，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析非常重要。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可以計(jì)算出架橋機(jī)在作業(yè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移等數(shù)據(jù)，還可以利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為架橋機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。架橋機(jī)在工作時(shí)，會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生很大的影響，會(huì)使得金屬結(jié)構(gòu)受到動(dòng)載荷的作用，這種載荷對(duì)結(jié)構(gòu)影響非常大，長(zhǎng)時(shí)間處于這種載荷中會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破壞。這種情況發(fā)生的原因主要是因?yàn)榧軜驒C(jī)在工作時(shí)是金屬產(chǎn)生振動(dòng)，這種震動(dòng)的頻率和結(jié)構(gòu)的頻率相同時(shí)會(huì)發(fā)生共振，使得結(jié)構(gòu)被破壞。所以在設(shè)計(jì)和研究架橋機(jī)時(shí)，一定要對(duì)架橋機(jī)所能承受的動(dòng)載荷進(jìn)行分析，以保證架橋機(jī)能夠順利穩(wěn)定的工作。

2.3 對(duì)前支腿的穩(wěn)定性分析

我們都知道，在受力時(shí)機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)因?yàn)樽冃嗡a(chǎn)生的內(nèi)力能抵消外力的作用時(shí)，此時(shí)為平衡狀態(tài)。處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，由于被外因擾動(dòng)離平衡位置，擾動(dòng)消失后能回到原來(lái)的平衡位置，并保持原來(lái)的平衡狀態(tài)，叫做穩(wěn)定平衡；無(wú)法復(fù)原且在其他位置建立了和原本不同的平衡狀態(tài)，那么將其稱之為失穩(wěn)平衡狀態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在受到載荷達(dá)到零界值是，如果在增加一個(gè)很小的增量就會(huì)改變結(jié)構(gòu)的平衡位置以及形狀，這種現(xiàn)象為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)因性質(zhì)不同可以分為三類，分別是：第一類失穩(wěn)，這種失穩(wěn)是指在負(fù)荷達(dá)到一定數(shù)值后，結(jié)構(gòu)已有的平衡狀態(tài)被破壞，形成另一種平衡狀態(tài)，這種情況就相當(dāng)于數(shù)學(xué)上的運(yùn)動(dòng)方程求特征值一樣，失穩(wěn)時(shí)的載荷稱之為零界載荷；第二類失穩(wěn)，這類失穩(wěn)會(huì)使得結(jié)構(gòu)的變形被擴(kuò)大，而且不會(huì)出現(xiàn)新的平衡狀態(tài)，這種失穩(wěn)也稱之為極值點(diǎn)失穩(wěn)。在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)一般都屬于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；第三類失穩(wěn)，這類失穩(wěn)是指當(dāng)載荷達(dá)到一定數(shù)值以后，原來(lái)的平衡狀態(tài)直接越變到不相鄰且具有較大位移的平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在狀態(tài)越變時(shí)會(huì)遭到破壞，這就導(dǎo)致失穩(wěn)后的狀態(tài)已經(jīng)不能利用了。第一類失穩(wěn)是分析結(jié)構(gòu)彈性失穩(wěn)的只要分析目標(biāo)，而分析的目的主要是找到穩(wěn)定的零界負(fù)荷值。

前支腿是由翼緣板和腹板傑接成的，在軸向力的作用下，前支腿各個(gè)板要承受正壓力，可以看做是均勻受壓的薄板，要考慮屈曲失穩(wěn)問(wèn)題。如果翼緣板或是腹板局部出現(xiàn)扭曲退出工作，就會(huì)使得桿件整體承載能力下降，進(jìn)而喪失整體的穩(wěn)定性。由于我國(guó)鋼鐵技術(shù)水平不斷提高，大大增加了鋼材屈服極限，施工企業(yè)考慮到成本問(wèn)題，就會(huì)在最低強(qiáng)度要求條件下，大大減小壁厚，這就增加了桿件發(fā)生屈曲失穩(wěn)的幾率。當(dāng)構(gòu)件小面積出現(xiàn)屈曲之后，該部分的構(gòu)件就失去了承擔(dān)重力的作用，造成構(gòu)件整體承受重力的能力減退，在構(gòu)件承受不變的重量時(shí)，就會(huì)發(fā)生安全事故。

2.4 損傷結(jié)構(gòu)對(duì)前支腿頻率的影響分析

架橋機(jī)因施工的水平、使用材料的質(zhì)量等因素的影響，當(dāng)不同的機(jī)械載荷、載荷溫度以及自然環(huán)境侵蝕時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。這種損傷主要表現(xiàn)在材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，機(jī)械性能也逐漸降低，材料會(huì)變得很脆，非常容易開(kāi)裂折斷。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間使用后，一些原本韌性非常不錯(cuò)的低碳鋼、和低碳合金鋼會(huì)隨著材料性能的下降而變得很脆，這種情侶在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷以后會(huì)變得尤為明顯，也會(huì)大幅度加快機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)性能的下降速度。對(duì)于架橋機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，會(huì)對(duì)架橋機(jī)在使用中的安全性構(gòu)成極大的威脅，為施工安全埋下隱患。對(duì)損傷對(duì)固有頻率影響的研究時(shí)，我們可以從單一單元損傷、特定單元不同程度損傷、多出不同位置不同損傷這三個(gè)方面進(jìn)行研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

由上可知，隨著架橋機(jī)起重量的不斷增加，將會(huì)造成鋼材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生改變，不但需要提高起重機(jī)的起重能力，還要求盡量減小資金投入。結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定問(wèn)題是非常重要的，需要引起充分重視，如果發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)倒塌，造成大量經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，所以，施工單位必須充分重視架橋機(jī)前支腿安全性的重要性，并加大研究力度。

[1]王連生.國(guó)內(nèi)高速鐵路架橋機(jī)技術(shù)發(fā)趨勢(shì)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2015,21∶23-25.

[2]葉晨立.雙導(dǎo)梁架橋機(jī)失穩(wěn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[J].福建建筑,2015,2∶106-107.

[2]張啟貴，高速鐵路架橋機(jī)動(dòng)力特性分析[J].建筑機(jī)械,2015,3∶71-73.

TU714

B

1007-6344（2017）01-0233-02

陳浩 男（1982-7） 本科 工程師 主要從事鐵路橋梁橋梁工程工作。