架橋機踩雙架單施工加固方案研究

姜 敏

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 前言

2017年4月1日，中共中央、國務院決定成立雄安新區，為滿足雄安新區運輸要求，將原京霸城際鐵路新機場至霸州段調整至新機場至雄安新區。京雄城際鐵路是承載千年大計運輸任務、支撐國家戰略的重要干線，對于促進京津冀協同發展和支撐建設雄安國家級新區具有重要意義。線路建成后，雄安站將成為雄安新區路網性主客站、地面綜合交通樞紐，主要服務新區中長途客流，提高新區對全國的輻射能力，促進京津冀協同發展。

京雄、津九城際鐵路與京港臺高鐵都將通過雄安站，其中津九下聯引入雄安站前，先采用單線橋設計，再與按雙線橋設計的京雄左線接駁。現在雙線橋所用雙線箱梁已經架設完畢，根據現場施工條件決定通過架橋機架設單線箱梁。如何用現有常規單線運架設備通過雙線箱梁段精準架設單線箱梁，且保證雙線箱梁的安全是困擾施工單位的一個難題，如果此問題不解決將造成箱梁預制完成而不能架設的窘境。

2 運梁車及架橋機選型

津九XLD2K3＋696.56～津九XLD2K4＋285.34段與京雄左線橋上并線，由單線橋漸變成雙線橋。單線橋跨布置為預制無砟軌道31.5 m后張法預應力混凝土簡支箱梁，橋寬7.6 m；雙線橋跨布置為預制無砟軌道31.5 m后張法預應力混凝土簡支箱梁，橋寬12.6 m。采用YL550型運梁車及JQ550型架橋機運架單線梁。

YL550型運梁車適用于高鐵550 t級單線混凝土箱梁的運輸并能與JQ550型架橋機配合完成箱梁架設作業，能夠方便快捷地把梁片從預制場地運至架梁工位，為架橋機喂梁配合架橋機完成相應的架梁作業。運梁車的技術參數和要求滿足相應架橋機的要求，且能馱運架橋機實現橋間短途運輸。運梁車具有雙向作業功能，即無需調頭即可運梁和架橋機轉場馱運[1]。

JQ550型架橋機用于高速鐵路、客運專線單線箱梁的架設施工，與YL550型運梁車配合完成單線箱梁的運輸架設作業。JQ550型架橋機為雙主梁三支腿結構，可以架設32 m、24 m、20 m等跨及變跨高速鐵路、客運專線預應力混凝土單線單箱梁。JQ550型架橋機主要由機臂、輔助支腿、前支腿、后支腿、前起重小車、后起重小車、卷揚系統、電氣液壓系統、走行系統等組成，見圖1。

圖1 JQ550型單線箱梁架橋機結構示意

3 施工難點及雙線梁加固方案比選

3.1 施工難點分析

既有單線架橋機踩雙線箱梁架設單線箱梁時，雙線箱梁結構承受較大的施工機械偏載作用，超出了普通雙線梁常規適用范圍，應對其結構進行受力分析。控制工況為橋間轉移后支腿臨時支撐、架橋機過孔、后小車取梁。

(1)橋間轉移后支腿臨時支撐

運梁車馱架橋機就位后，放下前支腿的折翻柱體并支撐在橋墩墊石上，支撐并鎖定斜撐桿，通過專用錨定裝置將前支腿柱體與橋墩錨固，后起重小車行走至后支腿中心處，降下前后馱架，使后支腿的馱運支撐落放到支撐墊上支撐住架橋機(馱運支撐處墊80 mm枕木)，運梁車退出。此時后支腿位于距梁端1.7 m的位置，后支腿橫向間距5.0 m，橫向偏心2.5 m，單個后支腿受力為1 100 kN(見圖2)。

圖2 轉場后支腿橫向布置(單位:mm)

(2)架橋機過孔

后支腿驅動架橋機向前走行，輔助支腿到達前方墩臺上的支撐位置后停車，支撐輔助支腿，使前支腿脫離墩臺，整機轉換成輔助支腿和后支腿支撐。此時后支腿位于梁部跨中，后支腿橫向間距3.4 m，橫向偏心2.5 m，單個后支腿受力為1 400 kN(見圖3)。

圖3 過孔、取梁后支腿橫向布置(單位:mm)

(3)后小車取梁

架橋機由前、后支腿支撐，前起重小車和馱梁臺車同步吊梁拖拉取梁，到達后起重小車取梁位后，保證第二吊點距離后支腿不大于4.6 m，后起重小車取梁，運梁車返回梁場[2]。此時后支腿位于距梁端1.7 m的位置，后支腿橫向間距3.4 m，橫向偏心2.5 m，單個后支腿受力為2 900 kN(見圖3)。

由于箱梁承受橫向偏載，箱梁線單元模型無法體現出箱梁局部變形和應力，故采用實體單元模型進行分析。在三種控制工況下，雙線箱梁頂板橫向應力較大，均已超過混凝土極限抗拉強度，故對其進行裂縫寬度驗算。根據《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》(TB 10092-2017)第6.2.7條規定計算鋼筋混凝土結構裂縫寬度，過孔時頂板下緣裂縫寬度達到0.57 mm，后小車取梁及轉場時懸臂根部上緣裂縫寬度分別為0.21 mm、0.16 mm[3]。對于架橋機過孔及后小車取梁應采取加固改造措施加以控制[4]。

3.2 加固方案比選

對于架橋機過孔工況而言，架橋機的后支腿作用于頂板及翼緣板上方，集中力為1 400 kN，跨中頂板厚28.5 cm。主拉應力過大的原因為集中力較大，頂板厚度較薄，所以可采取運梁車馱運架橋機后支腿過孔，這樣可把后支腿的力分布于運梁車上。

后小車提梁可采取的加固措施:

(1)由于拉應力出現在懸臂根部上緣，懸臂下撓值較大，故可在懸臂下設置支架，限制其向下的位移。

方案優缺點:箱梁與臨時支架同時受力，可減小箱梁支座反力；搭設臨時支架不僅影響工期，還會使工程造價有所提高；箱梁與臨時支架受力不明確。

(2)采取架橋機后支腿下增設鋼墊梁的方案，將集中力分散到鋼墊梁上后再傳遞到斜腹板上。

方案優缺點:鋼墊梁在工廠加工，不會影響施工工期，工程造價較低，消除雙線梁頂板開裂風險；箱梁受力明確；缺點為箱梁支座反力較大，支座型號應考慮是否滿足要求。

通過對兩方案從工期、造價、結構安全方面的比選，最終選取鋼墊梁方案，并就鋼墊梁方案采用有限元軟件對結構進行力學計算分析[5]。傳統基于桿系及橫向分布理論的分析方法逐漸無法滿足工程設計需要，對橋梁結構進行空間內力分析已成為必然[6]，故本文采用MIDAS FEA大型有限元軟件建立精細化實體有限元模型進行受力分析[7-8]。

4 工況驗算

各支撐載荷說明及支撐面積見表1。

表1 支撐載荷相關參數

工況1:運梁車馱架頂起機臂尾部，架橋機前支腿支撐，運梁車輔助整機縱移。荷載分布情況見圖4，其中Py1＝38 kN，Py2＝14 kN，Pjq＝2 470 kN，Pyh＝Pyq＝0。此工況集中力Pjq＝2 470 kN較為不利，采用FEA建立實體模型進行驗算。架橋機前支腿提供支撐反力，單個支撐面積為500 mm×1 000 mm(縱向×橫向)，支撐數量2個，2個支撐橫向間距為3 m。

圖4 工況1荷載分布(單位:mm)

工況2:馱架頂起機臂尾部，前輔助支腿支撐，前支腿縱移。縱橫向荷載分布情況見圖5，其中Py1＝67 kN，Py2＝9 kN，Pjf＝946 kN，Pyh＝Pyq＝0。 此工況集中力Py1＝67 kN較為不利，采用FEA建立模型進行驗算。

工況3:馱架頂起機臂尾部，前輔助支腿支撐，前支腿縱移到位。荷載分布情況見工況2，其中Py1＝61 kN，Py2＝10 kN，Pjf＝1 240 kN，Pyh＝Pyq＝0。此工況集中力Pjf＝1 240 kN較為不利，采用FEA建立模型進行驗算。架橋機輔助支腿提供支撐反力，單個支撐面積為360 mm×400 mm(縱向×橫向)，數量2個，2個支撐橫向間距為2.36 m。

圖5 工況2荷載分布(單位:mm)

工況4:運梁。荷載分布情況見圖6，其中Py1＝Py2＝56 kN。

圖6 工況4荷載分布(單位:mm)

工況5:前小車取梁。荷載分布情況見圖7，其中Py1＝4.4 kN，Py2＝41 kN，Pyh＝650 kN，Pyq＝0，Pjhf1＝200 kN，Pjhf2＝5 200 kN。 此工況在荷載Py2＝41 kN、Pyh＝650 kN作用下較為不利，采用FEA建立模型進行驗算。

圖7 工況5荷載分布(單位:mm)

工況6:后小車取梁。荷載分布情況見圖7，其中Py1＝Py2＝13 kN，Pyh＝Pyq＝0，Pjhf1＝220 kN，Pjhf2＝5 780 kN。

工況7:馱梁轉場。荷載分布情況見圖6，其中Py1＝47 kN，Py2＝46 kN。

針對踩雙線梁架設單線梁的7種工況[9]，采用MIDAS FEA建立實體單元模型，節點14 196個，單元12 264個。實體模型及預應力布置見圖8。

在自重、預應力及施工荷載作用下，前6個工況為最不利荷載工況。在運架梁施工過程中，對箱梁混凝土應力、抗裂進行驗算[10]，結果見表2。

圖8 雙線梁實體模型

根據最不利工況計算結果，在運、架過程中，最大主壓應力出現在支座節點附近。工況3、工況6架設過程中頂板橫向未開裂；工況1、工況2、工況4、工況5架設過程中頂板橫向出現裂縫，裂縫寬度最大為0.18 mm，滿足規范要求[11]。

5 結論

采用“踩雙架單”架橋工藝，架橋機后支腿下增設鋼墊梁分散受力，成功消除了架橋機由于支腿角度偏離對箱梁造成重壓而帶來的安全隱患，順利完成了京雄城際鐵路首個雙線變單線箱梁架設任務(跨度為31.5 m)，為京雄城際鐵路按期順利通車提供技術保證，為同類型工程施工提供參考借鑒[12]。