富龍西江特大橋小箱梁U形流水線移動(dòng)臺座優(yōu)化

欒志雄，商小平

（中交路橋華南工程有限公司，廣東中山528400）

1 引言

就預(yù)制箱梁而言， 傳統(tǒng)的施工工藝流程存在固定臺座利用率低、臺座數(shù)量多、臺座占地面積大等諸多弊端。 為了解決這些問題，目前已有大量學(xué)者對其展開研究。 陳禮彪和陳榮剛提出了一種自行式臺座工廠化流水線施工[1]，這種施工工藝減少了臺座的使用數(shù)量，提高了預(yù)制箱梁的生產(chǎn)效率，并有效降低了施工成本，增強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)效益。 宋春雨則先對鋼臺座和混凝土臺座造價(jià)和使用性能進(jìn)行了分析對比[2]，隨后確定利用鋼材制作移動(dòng)臺座， 發(fā)現(xiàn)這種材質(zhì)的移動(dòng)臺座在保證施工進(jìn)度的同時(shí)，可以重復(fù)周轉(zhuǎn)利用，降低了施工成本，并有效加快了模板和臺座的周轉(zhuǎn)周期。 王海峰則對傳統(tǒng)生產(chǎn)線和基于移動(dòng)臺座的智能化流水線進(jìn)行了分析對比[3]，從成本、質(zhì)量、工期、作業(yè)環(huán)境等方面均表現(xiàn)出基于移動(dòng)臺座的智能化流水線具有高效性和實(shí)用性。

2 工程概況

富龍西江特大橋工程既是廣東省 “十三五” 重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，也是佛山市推動(dòng)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)交通先行的重點(diǎn)項(xiàng)目。項(xiàng)目路線全長5.81 km，設(shè)主橋1 座、樞紐互通立交2 處。 互通立交上部結(jié)構(gòu)采用30 m 預(yù)制小箱梁的結(jié)構(gòu)形式，其智慧梁場位于項(xiàng)目標(biāo)尾，占地面積34 140 m2，采用新型流水線形式，分為鋼筋加工區(qū)、箱梁成型區(qū)、橫移區(qū)、霧化養(yǎng)生區(qū)、張拉區(qū)、存放區(qū)6 個(gè)區(qū)域，承擔(dān)項(xiàng)目1 260 片30 m 預(yù)制小箱梁施工。

結(jié)合場地特點(diǎn)，項(xiàng)目首創(chuàng)一種U 形流水線施工方式布置，以移動(dòng)臺座+ 固定液壓模板為核心， 使梁體預(yù)制生產(chǎn)中以固有節(jié)拍移動(dòng)，對各工序施工區(qū)域進(jìn)行工位匹配，使操作工人在固定區(qū)域、固定的時(shí)間進(jìn)行專業(yè)化作業(yè)，提升施工標(biāo)準(zhǔn)化水平和生產(chǎn)效率。 同時(shí)集合運(yùn)用信息化、自動(dòng)化、智能化等技術(shù)，對主要設(shè)備進(jìn)行研發(fā)及技術(shù)升級迭代， 推進(jìn)預(yù)制小箱梁施工工業(yè)化升級。

根據(jù)預(yù)制小箱梁施工工藝， 梳理出預(yù)制小箱梁流水線包括底腹頂板鋼筋綁扎、波紋管安裝、模板安裝、混凝土澆筑、恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)等共17 道施工工序。

在整個(gè)預(yù)制小箱梁生產(chǎn)過程中，通過移動(dòng)臺座的縱、橫向移動(dòng)及回流，有效串聯(lián)各功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制小箱梁制造過程中功能區(qū)域間的軌道精確對位連接、相互銜接，并形成循環(huán)生產(chǎn)，形成U 形流水線作業(yè)。合理設(shè)計(jì)的移動(dòng)臺座確保了預(yù)制小箱梁在各種外部環(huán)境下都能保持足夠的穩(wěn)定性， 提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

3 移動(dòng)臺座設(shè)計(jì)

3.1 縱向移動(dòng)臺座設(shè)計(jì)

縱向移動(dòng)臺座是指可以在縱向方向上進(jìn)行調(diào)整或移動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)，通常用于調(diào)整結(jié)構(gòu)的高度或位置。這種臺座的調(diào)整方向通常是垂直于地面或結(jié)構(gòu)的縱軸方向。 縱向移動(dòng)臺座共10 跨，邊跨懸挑1.3 m，中跨均為3.8 m，總長33 m，主梁采用12 mm 厚鋼板焊接形成矩形鋼箱。 臺座梁高424 mm，寬795 mm，縱向間隔設(shè)置加勁肋。 設(shè)計(jì)9 組輪箱組成行走系統(tǒng)，主從動(dòng)輪箱間隔布置。

3.2 橫向移動(dòng)臺座設(shè)計(jì)

橫向移動(dòng)臺座是指可以在橫向方向上進(jìn)行調(diào)整或移動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)， 通常用于調(diào)整結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)的位置或水平位置的調(diào)整。 橫向移動(dòng)臺座共7 跨，邊跨懸挑1.4 m，中跨均為6.2 m，主梁采用兩道H588 mm×300 mm 型鋼，上下粘貼2 cm 厚鋼板形成。 沿主梁縱向每隔1 m 設(shè)置一道H500 mm×200 mm 鋼橫向聯(lián)系梁，縱向設(shè)置6 道支腿。

4 驗(yàn)算結(jié)果及分析

采用Midas Civil Designer 建立計(jì)算模型， 針對預(yù)制小箱梁U 形流水線施工過程中臺座、小箱梁所受恒載、可變荷載、偶然荷載等荷載組合及分析，計(jì)算結(jié)果如下。

4.1 縱向移動(dòng)臺座驗(yàn)算

4.1.1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

縱向移動(dòng)臺座考慮結(jié)構(gòu)自重、小箱梁荷載、地基沉降等荷載工況，分別進(jìn)行荷載組合驗(yàn)算，詳見表1。

表1 各部件計(jì)算一覽表

4.1.2 支座脫空的極端不利情況驗(yàn)算

考慮施工過程中9 組輪箱不平衡，對任一輪箱脫空的不利工況進(jìn)行組合驗(yàn)算，共計(jì)5 組驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果顯示1#輪箱脫空即最外側(cè)輪箱脫空時(shí)為最不利工況，其驗(yàn)算結(jié)果如表2 所示。

表2 最不利工況驗(yàn)算結(jié)果一覽表

4.1.3 驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)

移動(dòng)臺車設(shè)計(jì)為框架式鋼結(jié)構(gòu)，主梁為箱形截面。采用轉(zhuǎn)速為690r/min 的三向異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 其功率為2.2kW，行走輪直徑24.5cm，行走速度4m/min。

驅(qū)動(dòng)力需求主要考慮移動(dòng)臺座承受的預(yù)制梁自重（900 kN）、臺車自重及其附件荷載（300 kN），鋼質(zhì)車輪與鋼軌之間滾動(dòng)摩擦系數(shù)考慮0.005，鋼與鋼之間靜摩擦系數(shù)0.15。移動(dòng)臺座克服摩擦力的驅(qū)動(dòng)力需求F＞193.5 kN； 單個(gè)電機(jī)及輪組提供扭矩4 kN，轉(zhuǎn)換輸出力33 kN；經(jīng)計(jì)算，最少須6 臺該型號電機(jī)驅(qū)動(dòng)該臺座。設(shè)計(jì)采用4 組8 臺該類電機(jī)驅(qū)動(dòng)臺車。

4.2 橫向移動(dòng)臺座驗(yàn)算

4.2.1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

橫向移動(dòng)臺座考慮結(jié)構(gòu)自重、小箱梁移動(dòng)荷載、地基沉降等荷載工況，分別進(jìn)行荷載組合驗(yàn)算，詳見表3。

表3 各部件計(jì)算一覽表

4.2.2 支座脫空的極端不利情況驗(yàn)算

考慮施工過程中6 組輪箱不平衡， 對任一輪箱脫空的不利工況進(jìn)行組合驗(yàn)算，共計(jì)3 組驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果顯示1#輪箱脫空即最外側(cè)輪箱脫空時(shí)為最不利工況，其驗(yàn)算結(jié)果見表4。

表4 最不利工況驗(yàn)算結(jié)果一覽表

4.2.3 驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)

采用轉(zhuǎn)速1 380 r/min 的三向異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其功率3 kW；行走輪直徑24.5 cm；行走速度4 m/min；移動(dòng)臺座克服摩擦力的驅(qū)動(dòng)力需求F滑＞238.5 kN；單個(gè)電機(jī)及輪組提供扭矩5.5 kN， 轉(zhuǎn)換輸出力F輸出=45 kN；F滑/F輸出=5.303； 經(jīng)計(jì)算，最少需6 臺該型號電機(jī)驅(qū)動(dòng)該臺座。 設(shè)計(jì)采用6 組該類電機(jī)驅(qū)動(dòng)臺車。

4.3 小箱梁驗(yàn)算

運(yùn)載的小箱梁由于未張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，故按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對箱梁自重、臺座變形等工況進(jìn)行驗(yàn)算。 臺座變形驗(yàn)算的目的主要是評估小箱梁在承受荷載時(shí)的變形情況。 通過變形計(jì)算，可以確保結(jié)構(gòu)在受到外部荷載時(shí)，其變形保持在可接受的范圍內(nèi)， 不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的功能失效或?qū)χ車h(huán)境產(chǎn)生不良影響。 故利用Midas Civil Designer 進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過驗(yàn)算得出最大下?lián)蠟?.24 mm，符合結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的要求。 臺座應(yīng)力驗(yàn)算的目的是用于評估小箱梁在承受荷載時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，包括正應(yīng)力、剪應(yīng)力等。 應(yīng)力計(jì)算可以確保結(jié)構(gòu)在受到外部荷載時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力保持在可接受的范圍內(nèi)，避免超出材料的承載能力， 從而保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。 故利用Midas Civil Designer 進(jìn)行數(shù)值模擬， 經(jīng)過驗(yàn)算得出最大拉應(yīng)力0.69 MPa，最大壓應(yīng)力1.36 MPa，也符合結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的要求。

在縱向移動(dòng)臺座過程中易發(fā)生輪箱不平衡，可能會導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲、設(shè)備失衡、給相關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)帶來額外的載荷等多種問題，為了有效避免這些問題的發(fā)生，考慮縱向移動(dòng)臺座施工過程中9 組輪箱不平衡， 對任一輪箱脫空的不利工況進(jìn)行組合驗(yàn)算，共計(jì)5 組驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果顯示1#輪箱脫空即最外側(cè)輪箱脫空時(shí)為最不利工況， 其驗(yàn)算結(jié)果可繪制持久狀況正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖（γ0S≤R，其中，γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S 為承載能力極限狀況下作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；R 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值），最不利位置的彎矩為-179.693 16 kN·m。此外，經(jīng)過包絡(luò)情況發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)及不同時(shí)間點(diǎn)下， 結(jié)構(gòu)截面的抗彎承載能力與應(yīng)力需求均符合結(jié)構(gòu)抗彎能力的需求， 小箱梁在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)能夠保持足夠的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本研究以富龍西江特大橋?yàn)楣こ贪咐?結(jié)合有限元軟件Midas Civil Designer 對小箱梁U 形流水線移動(dòng)臺座優(yōu)化性能展開計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1）富龍西江特大橋小箱梁智能流水線實(shí)現(xiàn)了小箱梁精準(zhǔn)預(yù)制，小箱梁預(yù)制的軸線偏位、外輪廓尺寸、高程等理論上可達(dá)到“零誤差”。 根據(jù)業(yè)主、監(jiān)理和施工單位的聯(lián)測數(shù)據(jù)，預(yù)制小箱梁預(yù)制完成后其軸線偏位、 外輪廓尺寸、 高程誤差均在5 mm 以內(nèi)，充分滿足項(xiàng)目高品質(zhì)要求。

2）富龍項(xiàng)目智慧梁場在預(yù)制小箱梁施工中，自主探索、勇于創(chuàng)新，在廣東范圍率先開展了流水線預(yù)制梁施工模式，對預(yù)制小箱梁采用流水線施工做出了探索， 針對流水線核心設(shè)備——移動(dòng)臺座進(jìn)行各種計(jì)算分析， 并根據(jù)施工需求進(jìn)一步優(yōu)化移動(dòng)臺座，實(shí)現(xiàn)施工便捷、高效、安全的目標(biāo)。

3）橫向移動(dòng)臺座支腿采用的是“弓形”結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了支腿結(jié)構(gòu)受力，降低了橫向剛度影響；行走系統(tǒng)采用銷軸鉸接獨(dú)立輪箱，提高臺車對橫向軌道不平整度的自調(diào)整適應(yīng)性；橫向移動(dòng)臺座設(shè)置三向移梁穩(wěn)定裝置，由軌道對接板、防翹頭裝置、夾軌器組成，橫移軌道與縱移軌道對接時(shí)，能提升定位精確、實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)。