裝配式橋梁架橋機(jī)施工力學(xué)特性及工藝研究

龔長華，郭奕辰，閆 博，李文杰

(1.中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，四川 成都 641418；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471000；3.天津理工大學(xué) 工程管理學(xué)院，天津 300384)

隨著山區(qū)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了多種橋梁樣式。其中中小跨徑預(yù)制裝配式混凝土橋梁具有標(biāo)準(zhǔn)化集中制作、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良、成本低、制作工期短、對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被大量應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)。預(yù)制梁架設(shè)作為裝配式混凝土橋梁成橋階段的施工重點(diǎn)之一，對施工起吊設(shè)備具有較高要求[4]。架橋機(jī)作為橋梁預(yù)制安裝時使用最多的起吊設(shè)備，其結(jié)構(gòu)力學(xué)特性直接影響預(yù)制梁架設(shè)過程安全性和橋梁施工質(zhì)量[5]。

架橋機(jī)力學(xué)特性分析常用的方法有解析法和有限元法[6]。由于架橋機(jī)零部件眾多，解析法通常針對主要構(gòu)件進(jìn)行解析計(jì)算，對銷板、銷軸等細(xì)部結(jié)構(gòu)分析較少，因此解析法對于架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況考慮的并不全面，計(jì)算結(jié)果有較大偏差[7]。有限元法通過模擬架橋機(jī)構(gòu)造，分析各施工階段整體結(jié)構(gòu)和細(xì)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形分布規(guī)律及數(shù)值[8-10]，該方法具有計(jì)算精確、契合實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)。許多專家學(xué)者利用有限元法對架橋機(jī)靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。如，謝瑾榮[11]利用ANSYS有限元軟件建立了TPZ/48型架橋機(jī)有限元模型，研究了大跨度鋼箱梁式架橋機(jī)在施工階段的穩(wěn)定性，并采用非線性屈曲分析法探究了架橋機(jī)結(jié)構(gòu)存在初始缺陷時的屈曲失穩(wěn)規(guī)律；孫振軍[12]利用有限元法進(jìn)行了JQS35-220t步履式雙導(dǎo)梁架橋機(jī)在懸臂、跨中和跨端工況下的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到了該架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的安全余量，同時優(yōu)化了架橋機(jī)結(jié)構(gòu)；郭永成[13]采用Midas Civil有限元軟件建立了3種型號架橋機(jī)模型，分析了不同型號架橋機(jī)在150 t吊重荷載作用下，其主梁、前后支腿等鋼構(gòu)部分的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足使用需求。此外，一些專家學(xué)者結(jié)合架橋機(jī)主梁的特殊受力位置及架橋機(jī)運(yùn)行姿態(tài)調(diào)整情況，對架橋機(jī)吊設(shè)安裝施工技術(shù)進(jìn)行了研究[14-16]。

本文以遂德高速公路九嶺崗大橋項(xiàng)目依托，利用Midas Civil有限元軟件建立架橋機(jī)模型，分析架橋機(jī)在3種工況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形規(guī)律和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 工程概況

遂德高速公路九嶺崗大橋全長565 m，左右幅分離式布置，全橋按照雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)路基寬度26 m，根據(jù)山體走勢布置不等橋跨，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用40 m預(yù)制T梁與20 m預(yù)制箱梁的混合形式。其中，40 m預(yù)制T梁144片，最大單片重約50 t；20 m預(yù)制箱梁64片，最大單片重約43 t。兩種梁片均通過架橋機(jī)進(jìn)行架設(shè)。

本項(xiàng)目采用JQJ型180t/40m步履式公路架橋機(jī)施工，40 m預(yù)制T梁架設(shè)采用配重過孔的方式，20 m預(yù)制箱梁架設(shè)采用自平衡過孔的方式，兩種梁片一次性架設(shè)就位。架橋機(jī)主要結(jié)構(gòu)為三角桁架式結(jié)構(gòu)，利用型鋼和鋼板焊接而成，抗風(fēng)性能好。為了方便運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝，架橋機(jī)主結(jié)構(gòu)之間采用銷軸和法蘭連接。該架橋機(jī)在結(jié)構(gòu)上可以分為主梁、提升小車、前支腿、中支腿、反托架、后支腿、行走軌道、運(yùn)梁平車、液壓和電氣等部分，這些部分構(gòu)成一個完整的結(jié)構(gòu)體系。架橋機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

表1 JQJ型180t/40m步履式架橋機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 架橋機(jī)有限元模型建立

架橋機(jī)主梁在靜力作用下強(qiáng)度、剛度不足，容易造成局部或整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，直接影響預(yù)制梁架設(shè)安全性、可靠性和橋梁施工質(zhì)量。本文通過有限元軟件模擬架橋機(jī)構(gòu)造，分析架橋機(jī)在過孔、架梁施工階段薄弱受力位置的應(yīng)力、變形分布情況以及屈曲穩(wěn)定性。

采用Midas Civil軟件建立架橋機(jī)結(jié)構(gòu)空間有限元模型，主梁長66 m，構(gòu)件材料選用Q345鋼材。模型單元總數(shù)為980、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為378，其中主梁上下弦、橫托彎梁采用一般截面梁單元模擬，腹桿及底架支撐采用桁架單元模擬。為簡化模型計(jì)算，通過設(shè)置支承數(shù)量、形式、位置來表示架橋機(jī)在各種工況下的支腿支承，采用節(jié)點(diǎn)剛性連接模擬構(gòu)件間連接，將天車吊設(shè)的移動荷載轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)荷載施加于主梁上弦桿。架橋機(jī)構(gòu)造模型如圖1所示。

圖1 架橋機(jī)構(gòu)造模型

3 架橋機(jī)主梁靜力分析

3.1 架橋機(jī)主梁強(qiáng)度分析

計(jì)算架橋機(jī)主梁主要構(gòu)件強(qiáng)度時，需要考慮過孔、架中梁、架邊梁3種不利荷載工況。過孔工況下，主梁前支腿尚未支承于下一跨墩柱，主梁懸臂端部彎矩最大，需要校核此狀態(tài)下主梁上下弦的強(qiáng)度；架中梁工況下，當(dāng)提升小車運(yùn)送40 m預(yù)制T梁移動至距離支撐端約41 m 的主梁跨中位置時，主梁彎矩呈現(xiàn)最大值；架邊梁工況下，當(dāng)提升小車偏移架橋機(jī)主梁一側(cè)時，主梁中的剪力最大，需校核此狀態(tài)下主梁腹桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；架設(shè)邊梁工況下，前支腿受力最不利，需要考慮該工況下前支腿強(qiáng)度。架橋機(jī)主要構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。在不利工況下，架橋機(jī)上下弦桿、提升小車橫梁、腹桿、銷軸、中托彎梁等主要構(gòu)件強(qiáng)度均滿足材料性能要求。

表2 主梁桿件內(nèi)力計(jì)算值

3.2 架橋機(jī)主要構(gòu)件剛度分析

依據(jù)GB/T 26470-2011《架橋機(jī)通用技術(shù)條件》[17]規(guī)定，主梁靜態(tài)剛度應(yīng)不大于L/400(L為主梁計(jì)算跨徑，取39 750 mm)，故本項(xiàng)目架橋機(jī)在架設(shè)40 m預(yù)制T梁時，架橋機(jī)主梁的許用撓度[f]應(yīng)滿足[f]≤L/400(L/400=39 750 mm/400=99.4 mm)。

懸臂工況下，提升小車空載，前支腿向架橋機(jī)梁跨前端移動呈懸空狀態(tài)，中支腿和后支腿固定于已架設(shè)橋跨。此工況下架橋機(jī)有限元模型的前支腿不設(shè)置約束，中支腿與后支腿處設(shè)置Dy、Dz方向一般支承約束，同時施加自重荷載。通過模擬分析可知，懸臂工況下主梁前支腿豎向位移變形量最大，最大值達(dá)到56 mm，小于許用撓度99.4 mm，滿足主梁剛度設(shè)計(jì)要求。

跨中工況下，前支腿支承于下一墩柱蓋梁上，中支腿和后支腿固定于已架設(shè)橋段，提升小車滿載75 t進(jìn)行移動。模型中前支腿、中支腿以及后支腿節(jié)點(diǎn)設(shè)置Dy、Dz方向一般支承約束，提升小車載重以集中荷載形式作用于主梁，方向豎直向下。通過模擬分析可知，跨中工況下前支腿與中支腿間主梁簡支段豎向位移變形量最大，最大值達(dá)到87 mm，小于許用撓度99.4 mm，滿足主要構(gòu)件剛度設(shè)計(jì)要求。

3.3 架橋機(jī)整體穩(wěn)定性分析

對最大懸臂狀態(tài)下架橋機(jī)模型施加2倍以上的特征值屈曲荷載，架橋機(jī)屈曲失穩(wěn)模態(tài)如圖2所示。通過屈曲模態(tài)分析可知，架橋機(jī)失穩(wěn)主要發(fā)生在主梁跨中桁架桿處，屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)為15.8，大于《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]要求的屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)4，即架橋機(jī)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 架橋機(jī)整體穩(wěn)定性分析

以上架橋機(jī)驗(yàn)算是按照40 m預(yù)制T梁荷載驗(yàn)算，滿足安全要求，因此，針對該橋20 m跨徑預(yù)制箱梁架設(shè)施工，架橋機(jī)跨度、荷載均變小，因此使用同型號架橋機(jī)架設(shè)20 m預(yù)制箱梁也是安全的。

4 預(yù)制梁架設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工工序

(1)架橋機(jī)過孔。架橋機(jī)架設(shè)簡支梁時，需要使架橋機(jī)先通過預(yù)架設(shè)梁跨，架橋機(jī)過孔狀態(tài)如圖3所示。首先，在架設(shè)完成的梁片上方指定位置安置架橋機(jī)；然后，利用架橋機(jī)液壓系統(tǒng)將3號和0號支腿收起，之后將架橋機(jī)主梁前行至橋梁2/3跨徑位置，并放出3號支腿和1號支腿將架橋機(jī)架起；接著通過移動2號支腿將主梁導(dǎo)梁沿懸臂端方向移動，使0號支腿置于獨(dú)立蓋梁上方越過中線1 m位置；最后驅(qū)動1號支腿移動至邊緣位置蓋梁上方，完成架橋機(jī)過孔階段。

圖3 架橋機(jī)過孔

(2)架橋機(jī)架梁。利用運(yùn)梁車輛運(yùn)送預(yù)制梁片至架橋機(jī)起吊梁位置，在架橋機(jī)2號和3號支腿之間吊起預(yù)制梁片，通過架橋機(jī)前后兩部吊梁小車同時前進(jìn)帶動預(yù)制梁前行至預(yù)定梁位上方，如圖4所示。因架設(shè)梁片時后支腿承受的質(zhì)量較大，需在3號支腿下方鋪設(shè)一道橫梁，將梁片準(zhǔn)確對位在設(shè)計(jì)位置，同時在支座按設(shè)計(jì)和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[19]要求安裝好后方可落梁。

圖4 架橋機(jī)架梁

4.2 施工注意事項(xiàng)

(1)結(jié)合架橋機(jī)力學(xué)特性分析結(jié)果，確定主梁與導(dǎo)梁聯(lián)接處即主梁懸臂端部、主梁腹桿、桁架桿為架橋機(jī)薄弱部位，應(yīng)增大該位置的結(jié)構(gòu)剛度，并在架橋機(jī)運(yùn)營各階段監(jiān)測該部位，必要時增加外焊鋼板，以提高其穩(wěn)定性。

(2)位于主梁前方的吊梁小車通過吊具緩慢吊起預(yù)制梁前端，在提升約70～90 mm 高度后停止起吊(禁止將梁前端提升超過100 mm)，起吊速度應(yīng)控制在0.56 m/min以下，同時保證起吊平穩(wěn)。這樣通過同步控制裝置，前方吊梁小車和托梁裝置可一起驅(qū)動牽引箱梁前移，前移速度通過變頻電機(jī)應(yīng)控制在3.1 m/min以下。

(3)橋梁架設(shè)按照“先中梁后邊梁”的順序進(jìn)行。由于本標(biāo)段橋梁單幅梁片數(shù)為4片或6片，架設(shè)時應(yīng)先架設(shè)中梁，然后架設(shè)內(nèi)邊梁，最后架設(shè)外邊梁。在梁板安裝前，應(yīng)對墊石、支座中心進(jìn)行復(fù)核。在距離支座20～30 cm 高度時，應(yīng)提前對中測量，以保證梁體與支座對中安裝。

(4)不同跨度或不同形式梁體轉(zhuǎn)換時，需調(diào)整后支腿橫梁配重，以平衡主梁吊裝產(chǎn)生的彎矩。應(yīng)注意前支腿在梁跨與蓋梁連接位置的支承穩(wěn)定性，確保架橋機(jī)主梁前后處于同一高度。

5 結(jié)論

(1)通過對架橋機(jī)主要構(gòu)件在過孔、架中梁、架邊梁3種不利荷載工況下的強(qiáng)度分析得出，架橋機(jī)主要構(gòu)件均滿足材料性能要求。其中過孔工況下，主梁上下弦懸臂端部彎矩最大，該位置最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力；架中梁工況下，主梁上下弦跨中及提升小車橫梁跨中應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力；架邊梁工況下，前支腿受力最不利，最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。

(2)通過對架橋機(jī)主梁進(jìn)行靜態(tài)模擬分析得出：懸臂工況下，主梁前支腿端豎向位移變形量最大值小于許用撓度；跨中工況下，前支腿與中支腿間主梁簡支段豎向位移變形量最大值小于許用撓度。

(3)通過屈曲穩(wěn)定性分析，確定了架橋機(jī)失穩(wěn)主要發(fā)生在主梁跨中桁架桿位置，同時得出本工程架橋機(jī)主梁屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求值，滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)本文架橋機(jī)驗(yàn)算是按照40 m 預(yù)制T梁荷載驗(yàn)算的，滿足架橋機(jī)安全要求；對于40 m以下跨徑的梁片來講，跨度、荷載均變小了，故架橋機(jī)架設(shè)這些梁片也是安全的。

(5)通過用有限元法對山區(qū)不等跨徑高墩預(yù)制梁橋架設(shè)施工階段力學(xué)特性的分析，發(fā)現(xiàn)了架橋機(jī)在3種工況下最不利控制位置，并結(jié)合現(xiàn)場施工操作得出了相應(yīng)施工注意事項(xiàng)，保證了預(yù)制梁架設(shè)安全與工程質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期工程效果。