刘宏刚，张超福，侯 嵩

(中铁大桥局集团有限公司，武汉 430050)

复合式移动模架尾部吊挂系统设计探讨

刘宏刚，张超福，侯 嵩

(中铁大桥局集团有限公司，武汉 430050)

尾部吊挂在已浇筑的混凝土梁面上走行的复合式移动模架因具备支腿自移功能，在国内外桥梁施工中得到大量应用，但此类移动模架的事故率也是相对较高的，且大多缘于吊挂系统的设计或加工缺陷。通过分析吊挂系统在走行过程中受到的多维度不断变化的弯、剪、扭、拉组合作用，结合实际使用中的经验教训，总结其计算、设计、制造及现场处理等方面需要注意的若干事项，并对照这些结论和建议，讨论几种常见的复合式移动模架吊挂系统设计方案的优缺点，以及在设计吊挂系统时动态地、相互关联地按照构件在使用中的真实情况研究其极限状态与破坏规律的重要性。

复合式移动模架；吊挂系统；设计；探讨

1 概述

移动模架是桥梁施工中常用的大型装备，一般需要根据工程具体情况和现场实际条件进行量身定制地设计，因此其结构形式繁多[1]。目前普遍按走行方式的不同将移动模架分为上行式、下行式两大类。而下行式移动模架为实现支腿(支承托架)自移功能，通常需将移动模架主梁尾部吊挂在已浇筑的混凝土梁面上走行，大部分文献中将这种移动模架称为支腿自移式下行式移动模架，全国建造师执业资格考试用书《铁路工程管理与实务》中称其为复合式[2]，为叙述方便，暂且采用后一种称谓。

复合式移动模架是对下行式移动模架的改良设计，其支承托架自移功能虽然是一次重大技术创新，在某些特殊条件下也能够发挥重要作用，但实施起来相当复杂：首先需要对移动模架做出很多结构上的改变，把前导梁的长度延伸到前方桥墩，增加前、中、后横梁(扁担梁)、吊挂及顶升系统，增设支承托架驱动系统；其次，在自移前必须用3根横梁把整个移动模架吊挂在桥面或墩顶上，进行承重体系转换；然后将支承托架拆除并反勾在主梁和导梁下翼缘上转运到前方桥墩安装就位，再进行一次承重体系转换，由支承托架和尾部吊挂系统共同承受移动模架的重力，拆除前支点和中支点的横梁和吊挂系统，并进行横移开模；最后再将移动模架尾部吊挂在已浇筑的混凝土梁面上，由桥下中支点处的纵移千斤顶驱动走行……，其典型结构如图1所示，这类移动模架数量较多，有一定代表性[3-5]。

图1 复合式移动模架典型结构

由于走行时各支点不在同一个平面上，无法同时监测其高程变化，而主梁的刚度通常比较大，支点之间的微小高差即可能引起主梁对各支点反力(或荷载)的剧烈变化，加之吊挂系统的受力情况相对复杂，导致此类移动模架事故率较高。在整个纵移走行过程中，前支点和中支点处的支承托架都是固定不动的，而吊挂系统通常随模架一起走行，其内力和变形在移动过程中是一个变量，且对移动模架整体状况的变化具有源发性，因此，有些事故虽然表面上看起来是支承托架或其他部位发生了破坏，实际上却可能是由吊挂系统引起的[6]。

2 吊挂系统设计探讨

吊挂系统是复合式移动模架的设计难点之一，首先因为它是一个空间结构，力学状态也是多维度的，受力方式复杂；其次，该构件与其他构件之间的关联性很强，内力与变形能够相互作用；第三，容易受到各种因素影响，比如：梁面高程的变化会引起吊挂荷载的变化。

2.1 受力分析

在设计吊挂系统时，有些厂家认为横梁轮箱与轨道之间的滚动摩擦力很小而予以忽略或取值偏低，在计算分析时只考虑竖向拉力。然而由于大多数设计中对钢轨与轨枕之间、轨枕与梁面之间并未采取有效的固定措施，轨道在轮箱重压之下容易产生局部凹陷、翘曲和侧向扭曲，兼以梁体拱度和平整度的影响，实际走行阻力远高于预期。以铁路客运专线32 m预应力混凝土双线箱梁常用的移动模架为例，走行时可移动部分(包括主梁、导梁、配重、吊挂及模架系统)的重力为4 000～5 000 kN，单侧所需顶推力为200～300 kN，走行过程中吊挂系统承受的单侧水平阻力最大值为100～150 kN，该水平力通过横梁、吊杆等力臂的传递作用，转化为弯矩和扭矩，从而使吊挂系统在不同平面内受到复杂的弯、剪、扭、拉等组合作用[7]，对构件连接部位具有很强的破坏性。以图2所示吊挂系统为例(各构件之间均采用刚性连接)，其简化受力情况见图3。

图2 移动模架尾部吊挂系统示例

图3 吊挂系统受力简图

为便于叙述，将吊挂系统不同构件所处的平面以a、b、c、d命名。在吊杆AB与移动模架主梁所在的平面a内，吊杆上下两端受到一对大小相等、方向相反的水平力f(摩阻力)和F(牵引力)，为保持整个吊挂系统的平衡，可以推断吊杆下端一定受到主梁所施加的弯矩M，其值为M=F·h2，见图4。A点在平面a内受到的弯矩对横梁AC段形成扭矩，该扭矩与D点所受水平力f在平面d内对横梁AC段的扭矩构成相互平衡的空间力偶，设计时应检算连接处的抗扭能力。

图4 吊杆AB在平面a内的弯矩图

在平面b内，当横梁与吊杆、吊杆与主梁之间均采用刚性连接时，横梁悬臂端的下挠会带动主梁尾部产生扭转，主梁则反作用于吊杆端部一个弯矩M′，该弯矩值的大小取决于主梁的抗扭刚度和扭转角度，吊挂系统在平面b内的受力情况与弯矩图见图5。

图5 吊挂系统在平面b内的弯矩图(1)

实践中，当采用近似刚性的吊挂系统时，横梁的下挠和主梁的扭转都相当明显，不需要借助测量仪器即可直接观察到，吊杆在该平面内承受的弯矩虽可部分抵消横梁中段的弯矩，但危害甚大，得不偿失。当A点和G点采用铰接时，其在平面b内的弯矩图见图6(横梁在平面c内也受到弯矩作用，图中未示)。

图6 吊挂系统在平面b内的弯矩图(2)

2.2 施工偏差分析

在计算图1所示的移动模架走行工况时，设计人员通常假定移动模架的各个支点处于同一平面上、各段导梁及导梁与主梁之间的连接不存在装配误差和非弹性变形，这种理想化的假设与施工中的真实状态有很大差异。

某型移动模架后横梁的轮箱轨道设计为步履式，轨道长6 m，其下铺设高度为25 cm的木枕，每走行3 m必须将后横梁顶起以便将轨道前移(图2)。顶升过程中通过监测发现枕木压缩和回弹量达35～40 mm，枕木完全回弹后，轮、轨之间仍无法脱离，轮箱内轮组与轴之间、轴与轴承之间的总间隙和回弹变形累计达20～25 mm，以至于必须将横梁顶升65～70 mm才能将轨道和枕木抽出，而此时横梁悬臂端实测最大挠度达78 mm，横梁两端的高程相差40 mm以上(为保持同步顶升，设计采用1台油泵并联2台千斤顶，但相同的油压却导致它们的顶升速度和行程有较大差异，说明两侧重力不平衡，或者与千斤顶的质量差异有关)，这些问题是设计时没有预料到的。

按实测数据对移动模架结构进行检算后发现吊挂系统连接构件材料应力大幅超过允许强度，然而移动模架并没有发生破坏，经分析后认为主要有以下原因：(1)对横梁的顶升虽抬高了主梁的尾部高程，但由于主梁对横梁的荷载增大，进而引起横梁的悬臂挠度增大，对主梁尾部竖向位移有部分冲抵作用；(2)主梁刚度没有预想的大，特别是各段导梁之间、导梁与主梁之间的连接存在装配间隙和非弹性变形，对主梁各支点间的高差有一定的自适应能力；(3)计算中的某些假设条件与实际结构状态存在差异，使计算结果失真。这些情况的存在虽然侥幸避免了事故，但也说明设计过程中对移动模架的工作原理、荷载效应、变形协调等还缺乏研究。移动模架厂家很少为施工单位提供偏差控制指标，而现实中各种偏差又是不可避免的，因此存在较大隐患。

2.3 关联分析：吊挂系统对主梁及支承托架的影响

当吊挂系统及其与主梁之间采用刚性连接时，图5中所示的主梁扭转会引起支承托架的反力变化，主梁的下垂不仅使支承托架承受的荷载增大，而且主梁扭转后将主要通过底部外缘滑道对台车和托架施加荷载，支承托架的反力位置发生外移，悬臂长度增加，承载方式非常不利(图7)，支承托架的悬臂下挠同样使主梁呈外倾趋势，而主梁之间的高差则导致左右两侧托架受力不平衡，因此须了解其真实状态，进行相应检算。当然，也可以采取逆向思维，通过控制重心并使主梁向内侧微倾，改善支承托架的受力状况。

图7 主梁与支承托架示意

为减小支承托架的悬臂长度，应考虑对底模及其支撑结构采取折叠或旋转处理，若能将开模幅度减小一半以上，则可有效简化支承托架的设计，不仅节省材料、减轻重力，而且便于控制支承托架的重心及其自移。对于尾部吊挂系统而言，横梁悬臂长度的减小具有同样重要的意义。

3 几种吊挂系统设计实例

3.1实例一：全幅开模、吊杆与横梁固结、吊挂系统随主梁走行

图8所示吊挂系统在功能和外观上与图2所示吊挂系统类似，但在构件分段、连接方式等方面有明显区别，反映出设计理念与计算方法上的不同。整个系统由上部箱梁、吊挂装置、电液控制系统、支撑架与纵移机构、横移机构和轨道组成[8]。该系统可通过自身的吊挂装置和顶升千斤顶将移动模架后端的自重荷载由下部牛腿转换到该吊挂系统，通过液压控制辅助实现移动模架造桥机的横移开合和纵移行走，横移机构设在横移挂梁上，可推动移动模架主梁尾部吊挂构件在横移挂梁上往复滑移。

图8 吊挂系统设计实例一

需要注意的是，该吊挂系统的横移挂梁与悬挂梁之间采用2个销轴连接固定，并不具备转动功能，而悬挂梁与横梁之间仍为固结，因此仍未克服前述吊挂系统造成的主梁扭转等设计缺陷。图中所示的吊杆是为吊挂移动模架主梁而设的临时措施，一般采用精轧螺纹钢筋或经调质处理后的40Cr等材料，在浇筑预应力混凝土梁时，需要在翼缘板相应位置为该吊杆预留孔洞，当主梁横移开模后，该吊杆将被拆除。

3.2实例二：全幅开模、吊杆与横梁固结、吊挂系统不随主梁走行

为了避免吊挂系统在跟随移动模架主梁纵移走行过程中经受各种复杂内力变化和变形，有的厂家采用了新的设计方案，为移动模架增加了一段后导梁(长度约为桥梁跨径的1/2)，并将吊挂系统与所浇筑的箱梁固结，吊挂系统由门形吊架、精轧螺纹钢柱和油压千斤顶构成，门形吊架以油压千斤顶直接支撑在已完成浇筑箱梁的腹板位置上，预应力精轧螺纹钢柱贯穿桥梁翼板的预留孔， 固定并连接门形吊架和主梁[9]。在移动模架走行过程中，吊挂系统与支承托架一样固定不动，不仅间距保持不变，各支点的高程也可以保持不变，避免了因支点高差频繁变化引起的不可控风险，当后导梁的尾端接近吊挂系统时，移动模架的重心已越过中支点，可在中支点和前支点的支承托架上继续向前滑移(图9)，直至新的制梁位置。

图9 带有后导梁的复合式移动模架走行示意

由于在这种走行方式下，吊挂系统与主梁(或导梁之间)将发生相对位移，需要采取措施保证它们之间的连接安全，且能够顺畅地滑移，实践中采取了图10所示的技术方案：在后导梁上设置圆钢滑道，而吊挂系统下端设有配套夹具将其夹持。考虑到这是一种滑动摩擦，其阻力很可能大于前述吊挂系统与梁面之间的滚动摩擦力，因此吊挂系统上下两端所受到的水平力必然对吊挂系统产生更强的破坏作用，如何处理构件之间的连接以应对各种复杂的弯、剪、扭、拉等作用效应组合，并保证吊挂系统的自身平衡及其与导轨之间的滑动，是一个重大考验。此外，该型移动模架主要适用于连续梁的施工。

图10 吊挂系统设计实例二

3.3实例三：全幅开模、吊杆与横梁铰结、吊挂系统随主梁走行

为避免在箱梁翼缘板上开洞、装拆临时吊杆等工序，有的厂家采取了弯腿方案以避开箱梁翼缘(图11)[10]。移动模架的纵移过孔分为牛腿(支承托架)过孔安装与主梁过孔两大步骤，牛腿过孔前先解除移动模架与箱梁之间所有妨碍模架过孔的约束，依靠设备自重脱模落架12 cm 左右，后辅助支腿在桥面支撑，中、前辅助支腿在墩顶支撑，将牛腿吊挂在主梁下缘轨道上；松开墩柱两侧的高强精轧螺纹钢，利用纵移油缸使牛腿前移到位后通过吊挂油缸精确调整其高程，安装对拉精轧螺纹钢筋并张拉到设计预拉力。主梁过孔拆除前、中辅腿的支撑及底模、底模桁架中间连接的螺栓，然后横移开模，利用纵移千斤顶使模架整体前移完成过孔，过孔后主梁再次落在推进小车上的竖向千斤顶上，完成一个循环施工过程。

图11 吊挂系统设计实例三

该设计采用C形刚性吊杆与主梁固结[11]，避免了吊挂系统荡移；上端可绕横梁转动，防止了主梁扭转，主梁自身的平衡则可通过调整重心和吊挂点位置来解决，吊杆与主梁及尾部横梁的连接方式得到较好的处理，是一次成功的创新，实际使用效果也基本符合预期。缺点是刚性吊杆需承受弯、剪等作用，吊杆截面和用钢量较大，略显笨重。

3.4实例四：全幅开模、吊杆与横梁固结、吊挂系统随主梁走行

图12 吊挂系统设计实例四

在图12所示的吊挂系统中，吊杆采用桁架结构，并通过增大横梁的截面尺寸使吊挂系统有较大的刚度，减小了横梁的悬臂挠度和主梁扭转角度，但桁架式吊杆使横梁悬臂长度和开模幅度有所增加，横梁及支承托架用钢量增大。该吊挂系统在进行承重体系转换及横移开模时均不需要安装临时吊杆，避免了在箱梁翼缘板上开洞，这与其独特的支承托架有关。该型移动模架的托架与支架采取分离式设计，托架横梁能够吊挂在主梁下缘自由横移，因此移动模架能够在承重体系转换之前先进行横移开模，然后将支腿吊挂在主梁下转移至下一孔跨的桥墩处安装。其缺点是，两次承重体系转换都是在最大开模幅度下进行的，支承托架和吊挂系统都处于最不利承重状态，前、中、后3根扁担梁为满足悬臂受力时的强度、刚度需要，设计比较笨重。此外，在采用这种吊挂系统时必须将支承托架的设计结合起来考虑。

3.5实例五：微幅开模、吊杆与横梁固结、吊挂系统随主梁走行

图13所示的吊挂系统是所有复合式移动模架中钢材用量最少的一种方案，其吊杆由竖杆和斜杆组成，斜杆负责承担吊挂系统所受水平力。该型移动模架的开模方式比较特殊，开模时移动模架的钢箱主梁只需微幅横移(开模幅度<0.5 m)，先将底模与支撑桁架(即梳形梁)之间的撑杆或螺旋千斤顶拆除，然后采用拉抽屉的方式将横穿主梁腹板的梳形梁向两侧拉出，底模及侧模、撑杆支架也同时被向外拉出，中间留出的空间即可满足过孔需要。因此，该型移动模架的吊挂系统受力为有利，其横梁的悬臂长度得到最大限度的缩减，且整套移动模架不需要安装配重，支承托架的设计得到最大程度的优化，因此具有很好的经济性。但由于需要在钢箱主梁的腹板上开洞，主梁的抗剪能力受到一定程度的削弱，且底模支架(梳形梁)与两榀主梁之间属自由简支状态，与主梁之间的整体性较差，当处于开模状态时，底模及侧模、撑杆支架的重心处于主梁之外最远处，在整个走行过程中梳形梁都处于最不利承载状态，并导致主梁的横向稳定性削弱，需采取措施防止主梁向外倾覆，而梳形梁的开、合本身也是一项风险较高的复杂操作，施工时需做好各种安全措施。

图13 吊挂系统设计实例五

4 若干建议

根据以上分析并结合实践经验，关于移动模架尾部吊挂系统的设计、制造及现场处理，有以下事项值得注意或参考。

(1)吊挂系统所承受的水平力具有很强的破坏性，设计时不能忽略。

(2)为防止荡移，吊挂系统与主梁之间在平面a内的连接应具有抗弯和抗剪能力；当移动模架走行过程中吊挂系统固定不动(不随主梁纵移)时，吊杆与横梁之间应具有抗弯和抗剪能力。

(3)在平面b内，A、B(或G、H)两点只要有一处铰接(或与铰接等效)即可解决主梁的扭转问题，A点采用铰接可同时消除吊杆在该平面内的受弯问题，宜优先考虑。

(4)横梁中心距轨面的高度h1应尽可能降低，以减小对横梁的扭矩。

(5)调整轨道位置以缩短横梁悬臂长度，有利于减小横梁在平面b和平面c内的弯矩。

(6)宜采用刚度较大的钢轨以减小轨道局部变形和翘曲，减小水平摩阻力。

(7)避免采用木枕或其他弹性变形较大的材料作为轨枕，并尽量降低轨枕高度。

(8)避免采用步履走行方式或反复顶升尾部横梁(扁担梁)。倒用轨节时，拼接处应可靠连接且不得有轨顶错台，轨底宜用钢板或钢枕支承。

(9)为减小轮箱的加工和装配间隙，轮与轴、轴与轴承之间宜采用过盈配合[12]。

(10)走行前应测控梁面拱度和平整度，以及梁缝处两孔梁之间的高差，必要时予以处理。

(11)吊挂系统两侧的负载有可能不同，顶升装置的设计应同时考虑顶力、速度、行程的同步性。

(12)吊挂系统对主梁的扭转、高差等影响会传递给主梁、导梁、支承托架等其他结构。

(13)设计时应针对施工中可能存在的各种偏差进行相应检算和分析，并根据计算成果将各工况下的偏差限值以列表的形式提供给施工人员，作为现场工作中的监测控制[13]依据。

5 结语

吊挂系统是复合式移动模架的重要承重构件，其复杂的力学状态和破坏机理尚未被人们充分及广泛地认识和了解，多数设计人员由于缺乏现场工作经验和研究手段，在计算和设计过程中习惯于静止地、孤立地按照臆想中的理想状态而非动态地、相互关联地按照构件在使用中的真实状态进行分析，忽视了对吊挂系统各构件及连接部位的极限状态与关联运动的研究。根据统计资料，因吊挂系统设计或制造缺陷而造成的事故在所有移动模架事故中占有非常大的比例，且大多是个别构件由于强度或稳定问题造成局部失效，进而扩散到其他构件及整个结构，国内外都出现过由此类问题引起的移动模架垮塌事故。

复合式移动模架因具备支腿自移功能而受到施工单位的青睐，许多厂家也将其作为一项先进装备或关键技术进行推介，但作为一种新型的、操作方法更为复杂的功能，一些厂家对该项技术所蕴含的风险还缺乏深入研究，对相关设计理论和研究方法也尚未完全理解和掌握。而现场人员在解决所遇到具体问题时由于不了解技术原理可能会带来更严重的问题，例如有的施工单位为了方便对吊挂系统的销轴拆装作业，将原设计的单铰改为双铰[14]，使吊挂系统与移动模架主梁之间缺乏水平方向上的相互约束，走行过程中吊挂系统有发生荡移的风险，留下重大安全隐患。这些现状导致此类移动模架的安全问题比较突出，需要引起足够重视。

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Approach to the Design of Compound MSS Tail Hanging System

Liu Honggang， Zhang Chaofu， Hou Song

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China)

Owning to the self-moving brackets， the compound MSS with tail hanging running on the surface of cast in situ concrete girder has been widely used in bridge construction at home and abroad. But accidents of the MSS occur frequently， resulted largely from the hanging system design or manufacturing defects. This paper analyzes the hanging system being acted upon by the combination of the multi-dimensional changing of bending， shearing， torsion and pulling in the process of walking. With reference to the lessons learned in the actual operation， a number of issues on its calculation， design， manufacturing， and on-site handling are summarized， the merits and demerits of several common compound MSS designs are discussed on the basis of these conclusions and recommendations， and the importance is addressed of the limit status and failure laws relating to each other according to the element true conditions in use in the designing of the hanging system．

Compound MSS; Hanging system; Design; Approach

2014-02-14；

：2014-02-25

刘宏刚(1975—)，男，高级工程师，1998年毕业于石家庄铁道学院交通土建工程专业，工学学士，E-mail：kerix@126.com。

1004-2954(2014)11-0097-06

U445.463

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.023