大型架橋機在施工中的動態穩定性分析

摘要 大型架橋機在橋梁施工中，會受多種因素的影響，影響其動態穩定性，進而影響橋梁的施工質量。文章以實際工程施工使用的架橋機為例，研究大型架橋機在施工中的動態穩定性。首先，依據該架橋機的型號和結構，采用Midas Civil軟件構建了有限元模型；然后，在該模型上施加荷載，分析了吊梁小車的許用應力、架橋機的頂高支腿動穩定性及架橋機的整體動穩定性。結果顯示，吊梁小車在不同施工工況下的最大工作應力值為215.5 MPa，低于許用應力結果；頂高支腿應力云圖中呈現的應力值較為均勻，不存在集中的應力情況；架橋機的屈曲穩定安全系數值為16.8，整體結構的穩定性滿足應用標準。

關鍵詞 大型架橋機；動態穩定性；有限元模型；許用應力；安全系數

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0192-03

0 引言

隨著國家基礎設施建設的快速推進，大型架橋機作為橋梁建設過程中的關鍵設備，其性能的穩定性和安全性對于保障整個施工過程的順利進行至關重要。特別是在高速鐵路、大型公路等交通基礎設施建設中，大型架橋機不僅需要面對復雜的施工環境和多變的作業條件，還需承擔大噸位、大跨徑的橋梁架設任務[1]，這對架橋機的動態穩定性提出了更高要求。動態穩定性是指大型架橋機在施工過程中，受各種動態載荷、風力、地震等外部因素作用時，能夠保持結構穩定、運行平穩的能力[2]。動態穩定性分析是評估大型架橋機性能的重要手段，有助于深入理解架橋機在復雜工況下的受力特性、運動規律及可能存在的失穩風險，為架橋機的設計優化、施工控制及安全保障提供科學依據。然而，由于大型架橋機結構復雜、作業環境多變，其動態穩定性分析仍面臨諸多挑戰。例如，如何準確模擬和預測架橋機在復雜工況下的動態響應、如何有效評估架橋機結構的強度和剛度等[3]。

基于此，該文以某橋梁工程中使用的架橋機為例展開相關研究，利用有限元軟件進行動力學建模，對大型架橋機在施工中的動態穩定性進行實例分析，探討其在實際應用中的效果和局限性，并提出相應的改進措施和建議。

1 大型架橋機在施工中的動態穩定性分析

1.1 工程概況

為分析大型架橋機在施工中的動態穩定性，該文以某道路橋梁工程施工使用的架橋機為例展開相關研究，該工程全長為77.65 km，雙向四車道設計，橋梁上部結構為先簡支后連續的預應力混凝土箱梁、T梁、變截面現澆連續梁，使用的混凝土等級為C50，T梁混凝土的單片長度為43 m，重量約為148.5 t。該梁為大跨度梁，在施工時為保證施工質量，采用HJQ120-30A3型架橋機進行施工。該架橋機主要包含主梁、導梁、前支腿、頂高支腿及液壓機電氣系統等多個部分組成，架橋機的詳細參數如表1所示：

該架橋機的核心構造體現在其主梁設計上，其采用獨特的雙三角桁架梁結構，每根梁的長度精確至75 m，并通過橫梁巧妙地連接在一起，形成整機的承重基石。為確保施工過程中的靈活性和高效性，在主梁上方裝配兩臺性能卓越的吊梁小車，每臺均具備75 t的額定吊重能力，其主要職責是精準地操控和吊裝擬架梁板。而在主梁的下部，則精心布置4個穩固的支腿，這些支腿下方還配備了橫移軌道系統，使得整個架橋機能夠輕松地將擬架梁板橫向移動到預定的施工位置，從而確保工程的順利進行。

架橋機在施工時，受周期性外力作用時，例如風力、機械振動等，會發生受迫振動等情況，該振動會對架橋機的動穩定性造成影響[4]，因此，需對其施工時的動穩定性進行分析。其中，動穩定性指的就是架橋機在施工時受周期性外力作用的條件下，能夠保持自身穩定、不發生受迫振動或有效抑制振動幅度的能力，該能力會影響施工的安全性和效率。

1.2 基于有限元的動穩定性分析

1.2.1 架橋機有限元模型構建

該文為可靠實現大型架橋機在施工中的動態穩定性分析，以Midas Civil軟件為主，構建架橋機的有限元模型進行動穩定性分析。Midas Civil軟件主要用于橋梁、地下等結構的分析與設計，支持剛構橋、板型橋、箱型暗渠、懸索橋、斜拉橋等多種橋梁類型的建模助手，并且具備動力分析、動力彈塑性分析等多種分析功能，除此之外，還能夠進行橋梁結構的優化索力、屈曲分析、移動荷載分析等專項分析；并在個后續的處理過程中，可以根據設計規范自動生成荷載組合，也可以添加和修改荷載組合；同時，可以輸出各種應力結果，可找出指定單元發生最大內力（位移等）時，移動荷載作用的位置[5]。

該文采用Midas Civil軟件進行架橋機模型構建時，主梁的構建選擇Q345鋼材，模型的單元總數量為1 022，節點數量為425個。在模擬T梁結構時，分別采用通用的截面梁單元模擬T梁的主體部分、桁架單元模擬其腹桿和底架結構。為優化后續分析的效率和復雜度，采取以下方法進行處理：首先，對于架橋機在不同工作條件下的支腿支撐力，通過調整支撐的數量、形式和位置簡化描述[6]；其次，橋梁中各連接構件的連接方式被模擬為節點剛性連接，以簡化結構間的相互作用；最后，對天車吊設產生的移動荷載進行適當的轉換，將其轉化為節點荷載，并直接施加在主梁弦上，以進一步降低模型的復雜性和提高分析效率。構建的架橋機有限元模型如圖1所示：

1.2.2 荷載施加

模型構建完成后，為分析架橋機施工時的動穩定性，進行不同施工工況的模擬。在進行分析時需考慮吊梁小車（重量65 t）的重量和工作荷載（450 t），模擬吊梁小車施工時在不同施工工況下的荷載施加結果。由于每個小車均有4個受截面，受載面積為5.5 m2，不同工況下的荷載施加情況如表2所示：

2 動穩定性分析結果

2.1 吊梁小車的許用應力分析

依據表2中的荷載施加情況，對架橋機施工過程進行荷載施加模擬，以分析架橋機的動穩定性[7]。在該分析過程中，需考慮的動荷載包含起升質量、小車質量、混凝土箱梁及風荷載。在施工過程中，如果風壓為150 Pa，

混凝土箱梁風荷載可等效于集中荷載，并施加在小車上，小車承受的風荷載則以壓力的方式施加在有限元模型中，以計算吊梁小車的許用應力（許用應力是機械設計和工程結構設計中的基本數據。它作為一個衡量標準，用于判斷零件或構件在受載后的工作應力是否過高或過低，當零件或構件中的最大工作應力ξmax不超過許用應力時，該零件或構件在運轉中被認為是安全的；反之，則可能面臨不安全的狀況）。按照該應力的計算方法進行吊梁小車的動強度計算，ξmax的計算公式為：

式中，ξs——材料的屈服強度；η——安全系數，文中取值為1.5。

依據式（1）分析架橋機在不同施工工況下的許用應力結果，模型中的架橋機的材料為Q345，其值為230 MPa，如圖2所示：

對圖2試驗結果進行分析后可知，在4種施工工況下，架橋機吊梁小車施工時的最大工作應力ξmax結果均低于許用應力，其中ξmax的最大值為215.5 MPa，表明吊梁小車的動強度滿足施工需求，能夠在較為穩定的情況下完成橋梁施工。

2.2 架橋機的頂高支腿動穩定性分析

以工況4為例，獲取該工況下架橋機頂高支腿的穩定性。該穩定性通過應力云圖進行描述，分析結果如圖3所示：

對圖3試驗結果進行分析后可知，在工況4下，頂高支腿應力云圖中呈現的應力值較為均勻，不存在集中的應力情況且應力值較低，不會影響架橋機施工的穩定性。

2.3 架橋機整體動穩定性分析

為分析架橋機整體的動穩定性，以工況3為例，在最大懸臂狀態下，對構建的架橋機模型施加2倍的屈曲荷載，獲取該情況下架橋機整體的失穩模態結果，如圖4所示：

對圖4試驗結果進行分析后可知，在架橋機執行取梁作業時，當其處于最大懸臂狀態并受到兩倍于正常值的屈曲荷載時，觀察到的失穩現象主要集中在主梁跨中的桁架桿區域。經過細致分析，該區域的屈曲穩定安全系數被測定為16.8。根據《建筑起重機械安全規程》中規定的標準，確認這一安全系數值遠高于要求的最低值4，這充分表明在面臨這種極端工況時，架橋機依然保持較高的結構穩定性和安全性。這一結果不僅證明架橋機設計的合理性，也為其在實際工程應用中的可靠性和安全性提供了有力保障。因此，架橋機在施工時，整體結構的穩定性滿足應用標準，選擇的大型架橋機滿足該橋梁的施工需求。

3 結論

在大跨度橋梁施工時，主要選擇大型架橋機完成，架橋機施工時受各種外力、內力作用時能否保持平衡，并防止架橋機失穩造成的意外事故，需掌握架橋機的動穩定性。該文為分析大型架橋機在施工時的動態穩定性，以實際橋梁工程施工時使用的大型架橋機為例進行相關分析，評估架橋機在工作狀態下的動態特性。通過該分析得出，大型架橋機在施工過程中，能夠在不同工況下保證動穩定性，安全地完成橋梁施工。

參考文獻

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