桥梁拓宽不等高前支腿架桥机的力学行为

2018-11-26叶清锋

筑路机械与施工机械化 2018年10期

范亮，叶清锋

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

架桥机是一种广泛用于公路桥梁预制混凝土梁片安装的施工机械[1]，适用于多种梁型及梁长预制构件的起重安装。在架设与旧桥相接的边梁时，架桥机前支腿一肢支撑在旧桥桥面上，另一肢支撑在加宽后的盖梁或桥墩上，两前支腿之间会存在一个高度差。

随着中国交通行业的飞速发展，桥梁拓宽工程日益增多，架桥机在此需求下长期进行着前支腿不等高状态下的工作。目前国内外对于架桥机的研究有很多，如王锡朝等[2]对架桥机的倾覆原因做了一定的探讨，提出给架桥机加设传感器进行监控或减轻自重的方式来防止其倾覆；王模公[3]等对架桥机的运梁工况做了详细分析，提出了2种不同的喂梁方法；邢海军等[4]通过有限元软件对前支腿无高差情况下架桥机的强度、刚度、稳定性进行了研究。然而，对于不利情况下的不等高前支腿架桥机施工过程中的力学行为及影响因素的研究目前却未见报道。故本文以某高速互通桥拼宽项目为依托，对某典型架桥机在前肢腿不等高情况下的工作进行全过程受力研究及稳定性分析，并将前支腿高差作为影响参数，分析不同高差下架桥机应力、变形及稳定系数的变化规律。

1 工程概况

某高速互通拼宽桥项目原桥为分离式路基桥段，半幅桥桥梁宽度为12.25 m，平面位置位于缓和曲线和圆曲线段上，上部构造采用40 m跨径预应力混凝土T梁钢构，结构连续，全桥共5联，左右幅均为23孔，一联长度有4孔和5孔，分别为160 m和200 m；拼宽部分均采用40 m跨径T梁，梁重134 t，先简支后桥面连续，如图1所示。

图1 桥梁拓宽横截面

该架桥机采用双梁式尾部喂梁，整机带梁横移，整跨桥逐片落梁就位，轨道方式运行，可纵移、横移，适用于40 m跨径桥梁上部钢筋混凝土或预应力混凝土T型梁和箱型梁的架设。架桥机中托支撑位置根据架设桥梁的跨径可以调整，架设不同跨径的预制梁时，按照桥梁跨径重新安放中托支腿的位置，即可满足不同跨径混凝土预制梁的架设。该型架桥机主要由主梁、前脚、中托、后上横梁、天车、电气系统、安全装置以及辅助台车(后托支撑)、千斤顶(后支撑)等部分组成(图2)，整机主梁及主要联结结构采用销轴联结，安装拆卸方便快捷。架桥机采用导梁形式，极大地减少了架桥机前端悬绕度，更适应架设上下坡桥梁。

图2 某典型架桥机结构

2 架桥过程及工况分析

该架桥机的架桥过程为：运梁平车将预制T梁运至后托支撑下方，2号天车吊起T梁并与运梁平车一起向前移动，T梁尾端吊点恰好移动至1号天车正下方时，1号天车吊起T梁并且与2号天车同速向前移动，移动到纵桥向T梁设计位置后，天车开始带梁横移至落梁位置并落下梁段，至此一片T梁架设完成。整个架桥过程可以简化为5个主要工况进行分析，如图3所示。

图3 架桥工况

3 高差影响参数范围的确定

在拼宽桥架设过程中，架桥机前脚一肢支撑在旧桥桥面上，另一肢支撑在新桥盖梁上，两支撑间存在一个高差h，即架设梁段的梁高，如图4所示。目前中国预应力混凝土简支梁桥的标准跨径有25、30、35、40 m四种，对应的经济高跨比为1/15～1/25[5-6]。因此，这些预制梁梁高在1.0～2.67 m之间。故选取h为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m对该架桥机进行研究。

图4 高低腿架桥机架桥

4 架桥机全过程静力力学行为分析

该型架桥机主梁由2道梁组成，每道梁由5个12 m长的三角桁架和1个6 m长的三角桁架组合而成。架桥机有限元模型中所有杆件均采用梁单元模拟，如图5所示。架桥机下部支撑结构所用钢材型号为Q235B，设计强度为215 MPa；上部主桁架杆件所用钢材为Q345，设计强度为310 MPa。

图5 架桥机有限元模型

图6 最大应力与施工阶段关系曲线

图7 最大应力与高差关系曲线

图9 最大变形与高差关系曲线

架桥机前脚在不同高差、不同工况下的最大应力及变形如图6～9所示。在架桥机架设单片新增主梁的全过程(工况1～工况5 )中，工况1的最大应力发生在2号天车梁上，其他工况的最大应力均发生在中支撑下弦杆处。整个过程中最大变形发生在前脚与中托的主梁之间。

架桥机前脚高差为1.0、1.5、2.0、2.5 m时，随着天车向前移动，架桥机最大应力逐渐增大，但均小于工况5的最不利应力值，即工况5(主梁到位工况)是高差1～2.5 m时架桥机应力最不利工况。对于h=3.0 m的架桥机，2号天车向工况4移动的过程中，架桥机下弦杆的最大应力快速增长至峰值后逐渐降低，故工况4(主梁移动中工况)为3.0 m高差架桥机最不利应力工况。此时最不利应力值明显大于高差1.0～2.5 m的最不利应力值。

当架桥机前脚高差值不超过2.5 m时，施工过程中的架桥机杆件最大应力随前支腿高差增加而增大，但并不影响架桥机的控制工况(主梁到位工况)及杆件最不利受力；当架桥机前脚高差值达到3 m时，架桥机在起吊工况与主梁到位结束工况的最大应力基本不受前脚高差值的影响，但主梁吊运过程的最不利应力出现显著增长，高差h=3.0 m时架桥机的最大应力为208.85 MPa，相比h=1.0 m时的177.30 MPa增长约18%。

随着天车向前移动，架桥机最大变形曲线都遵循先下降后上升再下降的规律。当天车移动到中托附近时，架桥机在整个架桥过程中的变形值最小，为15.53 mm。天车继续移动，架桥机的最大变形曲线开始上升，当天车移动到工况4所在的位置时架桥机的变形到达峰值，之后开始减小。由此可以得出，不同高差值下架桥机的最大变形均发生在工况4，故称工况4为架桥机变形的最不利工况。整个过程中架桥机的最大变形值为52.50 mm。

5 架桥机结构稳定性分析

运用Midas Civil的线性屈曲分析功能求解桁架单元构成的临界荷载系数和对应的屈曲模态[7-8]。在一定变形状态下，结构的静力平衡方程式为

KU+KGUG=P

式中：K为结构的弹性刚度矩阵；KG为结构几何刚度矩阵；U为结构的整体位移向量；P为结构的外力向量。

若结构处于不稳定状态时，其平衡方程必须有特殊解，即等价刚度矩阵的行列式等于0时，发生屈曲失稳[9-10]。故屈曲分析就可以归结为求解特征值。

|K+λIKG|=0

式中：λI为特征值。

架桥机主梁由空间杆件构成，在较大荷载作用下架桥机主梁可能会发生屈曲失稳。由于架桥机最不利工况均发生在工况4，故对h取1.0～3.0 m、架桥机在工况4状态时进行屈曲稳定性分析。

确定结构临界状态的屈曲系数λ后，当前荷载乘以λ即结构屈曲的临界荷载，这时结构的变形就是结构的失稳模态。通过Midas对架桥机模型进行屈曲分析得知：在架桥机自重和T梁自重的荷载工况组合下，架桥机的前3阶失稳模态均为中托与前脚间主梁的面外整体失稳(图10)。进一步得到架桥机前脚取不同高差值时，架桥机的稳定系数与高差的关系曲线，如图11所示。