450 t變起升輪軌式提梁機結構設計

摘要：450 t變起升輪軌式提梁機是高速鐵路橋梁施工的重要設備之一，可適應兩種不同現(xiàn)場施工條件，滿足兩種不同起升高度要求。

關鍵詞：提梁機；制梁場；高速鐵路

中圖分類號：U215.6 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0026-02

隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，我國自主研制的高鐵施工設備已經(jīng)在國內(nèi)廣泛應用；提梁機是其中一種重要施工設備。目前在國內(nèi)提梁機設備中主要有兩大類型，一是輪軌式，二是輪胎式。其中，輪軌式提梁設備成本相當于輪胎式的一半，且通用性較強，從而促使輪軌式提梁機的使用比輪胎式較為普遍。

450 t變起升提梁機適用于鐵路客運專線32 m、24 m、20 m整孔雙線混凝土箱梁在預制場內(nèi)的起吊、轉(zhuǎn)移以及為運梁車裝梁等工作。還用于架橋機和運梁車的拼裝和整體起吊。它能適應跨線式施工和常規(guī)施工兩種不同結構布局的梁場需求。可通過不同的拼裝方式實現(xiàn)起升高度可在28.5 m和14 m之間自由變換，滿足兩種施工工況要求。

1450 t變起升提梁機結構設計

由于450 t變起升提梁機額定起重量大，起升高度較高，其工作性質(zhì)危險系數(shù)大，屬于高風險工作，為保證設備具有更好的剛度和強度，使設備具備更高的安全系數(shù)，該設備主梁采用雙主梁箱型鋼結構型式。因該提梁機須適應兩種起升高度要求，對提梁機支腿采用組合可拆分使用的形式。在需要不同的起升高度的工程中，通過對支腿的組合和拆分來滿足工況要求。根據(jù)設計規(guī)范對提梁機助結構進行設計，然后進行有限元研究分析和優(yōu)化。

1.1主梁穩(wěn)定性

主梁穩(wěn)定性計算分為三部分，即主梁的整體穩(wěn)定性、腹板的局部穩(wěn)定性和蓋板的局部穩(wěn)定性。

1.1.1主梁整體穩(wěn)定性

主梁為箱形截面簡支梁，其高寬比為h/b1=3 000/

1 200=2.5；受壓蓋板的自由長度與其寬度之比為l/b2=41 000/

1 350=30.4。根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》規(guī)定，對于箱形截面簡支梁，其截面尺寸滿足h/b1≤6，l/b2≤95（235/fy）時，可不計算整體穩(wěn)定性。提梁機主材料采用Q345鋼，95（235/fy）=72，要求上述滿足。因此，可不計算主梁的整體穩(wěn)定性。

1.1.2腹板的局部穩(wěn)定性

組合受彎構件腹板的局部穩(wěn)定性，通常采取設置加強勁予以保證的方法。考慮腹板局部穩(wěn)定性時，分為腹板受壓區(qū)直接作用有集中輪壓與未直接作用集中輪壓兩類情況。目前工況為有直接作用集中輪壓這類情況。加強勁的設置可根據(jù)腹板高度與腹板厚度之比h/δ的數(shù)值確定，根據(jù)規(guī)范規(guī)定在腹板上增設橫向加強筋，并且在腹板受壓區(qū)設置縱向加強勁。通過有限元分析，有集中輪壓直接作用處的最大應力為156 MPa。驗算腹板的局部穩(wěn)定性。腹板受正應力σ1、剪應力τ和局部壓應力σm的作用，

①腹板所受正應力σ1=156 MPa

②輪壓產(chǎn)生的腹板局部擠壓應力σm。當起重機小車的輪壓直接作用在梁腹板上方時，在所作用的腹板上邊緣產(chǎn)生的局部擠壓應力應滿足：σm=P/（Cδ）=177.8 MPa≤[σ]

式中：P為計算輪壓N，c為集中載荷分布長度mm，δ為腹板厚度mm，[σ]為許用擠壓應力MPa，材料為Q345 C，板厚δ=12，[σ]=310 MPa

③剪應力τ。此處的剪應力是平均剪力τ=Q/（hδ）=1.3×106/（3 000×12）=36.1 MPa

式中：Q為直接受力點處的平均載荷同時用橫向加強筋和縱向加強筋加強的腹板，受壓蓋板與縱向加強筋之間的區(qū)格，其局部穩(wěn)定性按下列公式驗算：

σ1/σcr+（τ/τcr）2+（σm/σmr）2≤1.0

式中σcr=[σ]，τcr=fV=180 MPa；σmr=302 MPa

驗算得σ1/σcr+（τ/τcr）2+（σm/σmr）2=0.88，滿足要求。

1.1.3翼緣板的局部穩(wěn)定性

受壓翼緣板可控制其寬厚比來保證局部穩(wěn)定性，翼緣板寬度較大時，用設置縱向加強勁來降低寬厚比。箱形梁在腹板之間的受壓翼緣板（如圖1所示）的寬厚比應滿足下式：

b0/δ≤40（235/σs）0.5

式中：b0為區(qū)格寬度mm，δ為翼緣板厚度mm，σs為翼緣板的屈服應力MPa，σs=295 MPa。

1.2支腿結構設計

按照重量輕，結構穩(wěn)定，便于拆分和運輸?shù)脑瓌t，對剛性支腿結構采用絎架式鋼結構形式，與主梁通過法蘭形成固接。柔性支腿采用箱型鋼結構單柱體形式，通過縱向鉸軸與主梁形成鉸接形式。為使提梁機滿足28.5 m和14 m兩種不同的起升高度要求，將提梁機支腿設計成可通過不同的拆分組裝，使提梁機可具備可自由選擇的兩種起升高度（如圖2和圖3所示），用以滿足不同工地現(xiàn)場要求。支腿剛度和強度驗算通過將支腿與主梁組合形成整體門架結構，統(tǒng)一建立有限元模型，集成加載驗算。

2門架強度和剛度計算

建立有限元板單元模型，根據(jù)提梁機工況特點，按照最惡劣工況條件施加載荷，即28.5 m起升高度下，小車吊梁運行至跨中位置，門架承受最大額定載荷及自重。有限元驗算結果如圖4所示。

提梁機自重G0=390 T；主梁自重G1=140 T；小車自重G2=67 T；額定起重量G3=450 T。

2.1有限元強度計算（簡支梁狀態(tài)不考慮自重）

強度計算載荷：F=G3×1.05++G2×1.1=586.4 T

根據(jù)有限元計算，最大應力156 MPa，局部單點應力214 MPa。

2.2有限元剛度計算

剛度計算載荷為：F=P+Q=4.5×106+6.7×105=5.17×106（N）載荷位于跨中，豎向最大撓度為f=61.45 mm。豎向許用撓度為：[f]=L/550=36 000/550=65.5 mm，f<[f]。

3抗傾覆性計算

主梁橫向單邊面積S=132.3 m2；支腿側(cè)向跨距B=12.5 m；支腿跨度跨距L=36 m。

參見起重機設計手冊，將分為兩種工況分別進行設計計算。

3.1縱向工況1（無風靜載）

小車位于右端（柔性支腿端）極限位置，要求滿足∑M>0才能保證穩(wěn)定。

即：∑M=KG（G0C+G2a）+KPG3a

式中：KG和KP為自重和起升載荷的載荷系數(shù)，查表得KG=0.95，KP=1.4；C和a為提梁機重心和小車重心到傾覆邊的水平距離，C=16 m，a=9 m。

由于主梁無懸臂狀態(tài)，小車不會超出兩幅支腿跨距之外，彎距方向都為能保證穩(wěn)定的正方向，可得∑M>0。

3.2縱向工況2（有風動載）

小車位于右側(cè)極限位置，有工作狀態(tài)下最大風力向不利于穩(wěn)定的方向吹，其傾覆穩(wěn)定性校核計算式為：

∑M=KG（G0C+G2a）+KPG3a-Ki（I1h2+I2h3）-Kf（F1h1+FQh2）

小車工作最大速度3 m/min。

式中：Ki和Kf為水平慣性力和風力載荷系數(shù)，查表得Ki=1，Kf=1；I1為小車運行起（制）動引起的額定載荷（包括吊具）的水平慣性力；I1=G0a0/g=39 kN，a0為起（制）動加速度；I2為小車運行起（制）動引起的小車水平慣性力，I2=6.7 kN；F1為縱向作用于提梁機上的風力（按可能出現(xiàn)的最大風力計算，即800 N/m2），F(xiàn)1=800×18 m2=14.4 kN；h1為提梁機與小車縱向擋風面積形心高度，h1=31.5 m；h2為起升機構上部定滑輪組高度，h2=32.8 m；h3為小車重心高度，h3=33.2 m；FQ為作用于載荷上的最大風力（按可能出現(xiàn)的最大風力計算，即800 N/m2），F(xiàn)Q=800×96=76.8 kN；其余符號同前。

查表得KG=0.75，Kp=1.2；將數(shù)值代入公式得：

∑M=0.75×（3.9×106×19+6.7×105×9）+1.2×4.5×106×9-1×（3.9×104×32.8+6.7×103×31.2）-1×（1.44×104×31.5+7.68×104×32.8）≈1.04×108>0

整機穩(wěn)定。

3.3橫向工況（大車走行方向，風暴襲擊）

暴風侵襲時，提梁機必須停止工作，因而在非工作狀態(tài)下提梁機受沿大車走行方向的暴風侵襲時，其抗傾覆穩(wěn)定性校核計算式為：

∑M=KG（G0+G2）B-KfF1'h1'

式中：B為支腿側(cè)向跨距，B=12.5 m。

F1'為橫向作用于提梁機及小車上的風力，（按可能出現(xiàn)的最大風力計算，即800 N/），F(xiàn)1'=800×132.3=106 kN。

h1'為提梁機與小車橫向擋風面積自支腿鉸接點量起的形心高度，h1'=31.2 m。

查表得KG=0.475，Kf=1.15

數(shù)值代入公式：

∑M=0.475×（3.9×106+6.7×105）×12.5-1.15×1.06×105×31.2≈2.3×107>0

證明整機擁有足夠的防風抗傾覆穩(wěn)定性。

4結語

450 t輪軌式提梁機是專門為鐵路客運專線混凝土預制箱梁的搬運設計的大型起重設備，屬于通用門式起重機，作業(yè)頻率高，危險系數(shù)大，因而對其結構性能有較高要求。

由于工程線路地質(zhì)環(huán)境的限制，對提梁機結構及起升高度有不同要求，較常見的兩種施工形式為常規(guī)式和跨線式，常規(guī)是施工形式中所用到的提梁機起升高度較低，安全性能較易保障，跨線式施工形式要求提梁機橫跨所修建鐵路橋梁線路進行作業(yè)，要求提梁機具有將兩片提升超過橋面且還有足夠高度余量進行使用作業(yè)，因而其起升高度較高。由于提梁機由具有較好的通用性，將提梁機設計為本文所述可變起升結構形式，可有效利用設備資源，大幅節(jié)約施工成本，具有較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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