雙導梁架橋機吊裝預制T 梁的施工安全計算分析

蘇建旭

（廣州大學）

0 引言

隨著我國橋梁領域的快速發展，架橋機作為加快施工工期的吊裝設備，其使用效率越來越頻繁，已經成為建設橋梁重要的組成部分。然而，架橋機施工過程事故時有發生：2021 年10 月2 日，湖杭高鐵施工段發生架橋機故障，造成1 死2 傷；2019 年7 月18 日，勉縣漢江二號大橋橋梁架設中架橋機倒塌，造成5 死7 傷[1]。這些事故的本質是對架橋機使用過程中的安全管理不足，從而造成嚴重的損失，因此對架橋機的安全驗算尤為重要[2]。本文以某高架橋線路中采用雙導梁架橋機吊裝預制T 梁為工程案例，對施工過程中的架橋機與橋墩結構的安全進行復核計算，分析架橋機施工中的風險點。

1 工程概況

某高架橋線路全長4.481km，橋跨結構采用先簡支后連續結構體系，需要架設30m 單片T 梁，邊梁最大重量約83t，擬采用的公路架橋機為雙導軌體系，由尾支腿、中支腿、主梁、起重小車、縱行桁車、前支腿、臨時支腿、上橫梁、輔助支腿、控制系統等組成，如圖1 所示。

圖1 架橋機構造圖

同時，為研究架橋機施工過程中，對支撐蓋梁與橋墩的影響，選取線路架中的典型橋墩進行受力分析，典型橋墩為Y 形墩，尺寸如圖2 所示。

圖2 驗算橋墩示意圖

2 有限元模擬

依據相關圖紙建立架橋機與橋墩結構的空間有限元模型如圖3 所示，對架橋機吊梁落梁過程的復核計算，驗算架橋機與蓋梁的強度。架橋機主梁與主桁采用Q345 鋼材，設計強度310MPa，主梁底桁采用Q235 鋼材，設計強度215MPa；蓋梁采用C50 混凝土，抗拉強度設計值為1.89MPa，抗壓設計值23.1MPa，本文主要驗算依據為《公路橋涵設計通用規范》JTG D60-2015[3]。

圖3 有限元模型示意圖

采用有限元軟件Midas Civil 2019 建立架橋機模型進行計算分析。架橋機桿件均采用梁單元模擬，如圖3(a)所示。架橋機主桁通過剛性連接與各支腿相連，同時通過各支腿簡支或連續支承于蓋梁或已架設梁段，起重小車和縱移桁車分別通過彈性連接簡支于主桁上弦，上橫梁與主桁上弦剛性連接，模擬真實的架橋機邊界條件。

采用有限元軟件ANSYS19.0 建立橋墩與蓋梁模型進行計算分析。橋墩與蓋梁均采用實體單元Solid45 單元模擬，預應力筋采用桿單元Link8 單元模擬。模型如圖3(b)所示。橋墩底面約束所有自由度進行固結，并根據設計資料調整橋墩的預應力張拉，使用節點約束法模擬預應力與混凝土之間的協同作用，并通過降溫法模擬鋼束的張拉力。

3 計算工況

3.1 施工方法

本案例架橋機施工方法采用水平斜吊，施工的步驟主要分為4 步如圖4 所示，分別為：

⑴梁體起吊（步驟1）：首先由運梁車運載T 梁至吊梁位置，提升梁體懸空并撤離運梁車；

⑵梁體單端水平移動（步驟2）：單端起重小車水平平移，調整梁體位置變為平面斜31 度，兩端小車同步提升梁體超過橋墩的支座墊石；

⑶梁體水平移動（步驟3）：起重小車同步往架橋機中間移動，使得梁體居中；

⑷主梁縱移到橋跨(步驟4）：主梁整體位移到達梁擬定放置位置，進行下放。

3.2 架橋機的安全分析

依據上述的施工方法，對架橋機的安全進行驗算。架橋機在吊梁落梁的過程中，橫梁與吊重小車位置并不恒定，為全面驗算施工過程中的架橋機安全，需要對每個步驟進行分析驗算，圖5 為步驟1 梁體起吊工況的受力分析情況。

由計算結果可知，兩片桁架中支腿反力分別為846kN、343kN 及207kN、172kN。主桁應力介于-278MPa（壓應力）～237MPa（拉應力）之間。均低于架橋機Q345鋼材的設計強度310MPa，滿足要求。

同時注意到，當架橋機吊起邊梁時，穩定性最差，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）第1.2.12 條規定，橋跨結構在施工架設時期應保證傾覆穩定性，穩定系數不應小于1.3[4]。架橋機“水平斜吊”步驟1 結構第一階失穩模態如圖5(d)，其中結構自重及T梁重量均設置為變量，對應的屈曲臨界系數為12.4，滿足要求。

圖5 吊梁落梁工況一中架橋機的受力分析

限于篇幅，剩余吊裝施工的工況驗算情況在表1 列出，由表可知主桁應力均在290MPa 以內，低于主桁Q345 鋼材的設計強度310MPa，滿足安全要求。

表1 水平斜吊施工步驟中架橋機的受力

3.3 橋墩蓋梁安全性驗算與評價

取上小節架橋機計算分析中支腿反力最大的工況，將支座反力以節點荷載的方式加載到ANSYS 模型上面，并考慮蓋梁已經架設一側預制T 梁進行驗算。取架橋機“水平斜吊”的步驟1 支座反力846kN、343kN，已架設T梁按自重荷載分配在支座位置加載，加載面積按兩個臨時支座底面考慮。施工工序如圖6(a)所示，其中最危險的工序是當架橋機架設完畢1 到9 號梁后，吊起10 號梁時，此時蓋梁懸臂端受荷載最大。按以上的受力狀態建立的計算模型如圖6(b)所示。

圖6 有限元模型受力示意圖

分析該工況下引起的蓋梁受力，應力分析如圖7(a)所示。可以看到橋墩整體的拉應力都在1.89MPa 以內，1.89MPa 是蓋梁C50 混凝土的抗拉強度設計值，說明蓋梁的抗裂都能滿足要求。蓋梁的壓應力都在8MPa以內，這都遠低于蓋梁混凝土標號的抗壓強度設計值。因此可以認為架橋機架梁過程中蓋梁仍然是安全的且滿足使用性要求。

分析該工況引起的橋墩受力，結構的應力分析如圖7(b)所示。可以看到橋墩在架橋機的另一側的墩柱面在架橋機的偏壓作用下，根部出現拉應力超過1.71MPa 的區域，1.71MPa 是墩柱C40 混凝土的抗拉強度設計值，說明橋墩抗裂不滿足要求。

圖7 橋墩與蓋梁應力圖

3.4 分析結論

對某高架橋線路的預應力混凝土T 梁橋架橋機施工安全進行了全面復核。分別對架橋機體系和橋墩及蓋梁在施工全過程的安全性進行了計算，建立了架橋機的整體桿系有限元模型和蓋梁及墩柱的實體有限元模型，分析了各種施工工況作用下的架橋機及蓋梁受力狀況。主要研究結論如下：

分析了架橋機吊梁落梁施工全過程的架橋機受力性能，重點分析了架橋機斜吊T 梁過程的受力性能，分析發現主桁應力均在290MPa 以內，低于主桁Q345 鋼材的設計強度310MPa；同時對吊梁過程中的主桁橫向穩定進行了分析，計算發現主桁的穩定系數在12 以上，表明架橋機橫向穩定性較好，滿足安全要求。

分析了架橋機吊梁落梁施工全過程的蓋梁與墩柱受力性能，提取最不利架橋過程中的支撐反力進行加載，分析發現蓋梁在自重、預應力和架橋機反力作用下結構整體的拉應力均低于蓋梁的抗拉強度設計值，壓應力普遍低于8MPa，整體說明架橋機架梁過程中，蓋梁結構仍然是安全的且滿足使用性要求。

但架橋機吊梁落梁施工過程中，因為架橋機的偏壓作用，橋墩在另外一側的墩柱面根部出現拉應力，數值超過橋墩C40 混凝土的抗拉強度設計值，橋墩抗裂不滿足要求,這需要在施工過程中引起重視并采取其它方法進行混凝土防裂措施。