鐵路客運專線YZ2500移動支架造橋機受力分析

宋樹峰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

普蘭店海灣特大橋為哈大客運專線(大連至沈陽段)的關鍵性工程，全長4.96 km，橋址區地震動峰值加速度為0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。考慮該橋處于高地震烈度區并跨越深水主海溝及與既有沈大高速公路跨海灣橋盡量對孔等因素，主橋跨海部分采用18孔56 m簡支箱梁結構。

18孔56 m簡支箱梁施工方法為先吊裝預制節段，再澆筑濕接縫，最后張拉縱向預應力鋼束，包含濕接縫在內每孔箱梁重約22 000 kN。移動支架主要用于支承預制節段混凝土箱梁完成濕接縫澆筑以及預應力束張拉的任務。

移動支架造橋機施工技術于20世紀50年代起源于西歐，在國內公路、鐵路的橋梁建設中也有較多采用移動支架技術施工的工程實踐，但梁體自重鮮有超過15 000 kN的工程實例。普蘭店海灣大橋主橋施工所采用的YZ2500造橋機，設計承載能力達到25 000 kN，位于國內客運專線鐵路施工的前列。由于哈大客運專線為無砟軌道，這對造橋機施工工藝水平及結構自身的強度與剛度都提出了更高的要求。

2 YZ2500移動支架造橋機構造及工作原理

2.1 造橋機基本參數

(1)主機自重:12 000 kN(主桁+下托梁);

(2)2 300 kN提梁吊機結構自重1 000 kN，額定起重量為2 300 kN;

(3)整機走行方式:連續千斤頂+鋼絞線拖拉，在滑座上滑行;

(4)整機走行速度:15～20 m/h;

(5)整機總功率:250 kW;

(6)整機縱向穩定系數:K=2.8;

(7)主梁工作彈性撓跨比:1/1 144;

(8)適應縱坡:3%以內;

(9)平均工作效率:15 d/跨。

2.2 造橋機構造

哈大客運專線普蘭店特大橋工程56 m跨混凝土箱梁造橋機由原帕克西造橋機改造而成，主要由主桁、橫聯、吊掛系統、走行機構、墩旁托架系統及提梁吊機組成。如圖1所示。

2.3 造橋機工作原理

造橋機采用“預制節段吊裝+原位現澆濕接縫”的工作方法。混凝土節段箱梁從預制場由運梁臺車或駁船運送至造橋機端部的提梁吊機下，吊機從一側依次將預制梁段吊裝至設計位置，全部節段吊裝完成后，將各節段箱梁調整至設計位置，安裝濕接縫支架及模板，綁扎鋼筋，穿預應力鋼絞線，現澆濕接縫，待濕接縫混凝土達到設計要求的強度后張拉梁內預應力束成孔，拖拉造橋機進入下一孔梁施工。

2.4 造橋機過孔

造橋機實際過孔中，考慮到下托梁和橋墩之間的距離過小，過孔時將全部托梁拆除，待造橋機進入下一孔后，再將其安裝到位。造橋機過孔如圖2所示。施工現場見圖3。

圖1 造橋機總體布置(單位:cm)

圖2 造橋機過孔示意

3 YZ2500移動支架造橋機有限元模型的建立

移動支架造橋機是普蘭店海灣大橋主梁施工過程的關鍵設備，其強度和剛度對主梁線形及施工過程的安全性具有決定性作用。為了保證箱梁的施工質量及施工過程的安全，對移動支架造橋機進行整體及局部強度和剛度分析是非常必要的。利用有限元法計算分析的結果較常規的解析法更為準確、可靠、直觀，且可直接獲得解析法難以得到的局部區域應力和變形分布規律。

圖3 施工現場照片

(1)單元選取

對造橋機分析計算采用的是有限元綜合分析程序MIDAS/CIVIL。考慮到造橋機的桿件受到彎矩的影響，因此，模型主要以梁單元考慮。造橋機的主要桿件，采用的是高強度螺絲連接，各桿件之間實際上是固結的，所以建模時，梁單元之間的連接采用剛結。

梁單元上作用的荷載有跨中集中荷載、分布荷載、溫度荷載及預應力荷載等。梁單元示意如圖4所示。

圖4 梁單元示意

(2)邊界條件

對于YZ2500型造橋機，導梁與主桁采用剛體連接，橫聯端部與主桁為鉸接，因此該單元采用端部約束釋放進行模擬。提梁吊機、混凝土箱梁均按重量轉換為集中力施加于結構節點。模型如圖5所示。

圖5 造橋機空間模型示意

4 YZ2500移動支架造橋機整體受力行為分析

主桁上弦、下弦拉應力和壓應力，豎桿與斜桿拉應力驗算按照鋼材的抗拉、抗壓強度容許值f=280 MPa進行評判，而對于豎桿與斜桿等桿件受壓時應考慮其局部穩定性，壓應力按照穩定容許應力評判。

4.1 空載(含下托梁)狀態分析

(1)位移計算結果(圖6)

圖6 空載狀態下造橋機撓度示意

掛全部托梁后，在自重荷載作用下造橋機跨中最大撓度為-6.8 mm，懸臂端最大撓度為-18.9 mm。

(2)強度計算結果

①斜桿與豎桿強度驗算

斜桿與豎桿應力如圖7所示，圖中正值表示拉應力，負值表示壓應力，下同。

圖7 空載狀態下造橋機斜桿與豎桿應力圖(單位:MPa)

由圖7可知，斜桿最大拉應力為23.5 MPa，滿足規范要求。豎桿最大壓應力為-29.9 MPa，滿足穩定容許應力的要求。

②主桁上弦與下弦強度驗算

主桁上弦與下弦應力如圖8所示。

圖8 空載狀態下造橋機上弦與下弦應力圖(單位:MPa)

由圖8得出，上弦最大拉應力為20.8 MPa，下弦桿最大壓應力為-29.8 MPa，滿足規范要求。

4.2 滿載(含濕接縫)狀態分析

(1)位移計算結果(圖9)

圖9 滿載狀態下造橋機撓度示意

施工梁段接縫后，在自重和荷載作用下，造橋機跨中最大撓度為-47.8 mm。

(2)強度計算結果(圖13)

①斜桿與豎桿強度驗算

斜桿與豎桿應力如圖10所示。

圖10 滿載狀態下造橋機各斜桿與豎桿應力圖(單位:MPa)

由圖10可知，斜桿最大拉應力為103.9 MPa，滿足要求。新制斜桿最大壓應力為-105.3 MPa，滿足穩定容許應力要求。

②主桁上弦與下弦強度驗算

主桁上弦與下弦應力如圖11所示。

由圖11得出，桿件最大拉應力為102.8 MPa，桿件最大壓應力為-85.1 MPa，均滿足規范要求。

4.3 走行狀態分析

圖11 滿載狀態下造橋機上弦與下弦應力圖(單位:MPa)

造橋機走行過程為:施工完一個橋跨時，在墩旁托架安裝縱移牽引裝置，連續千斤頂拖拉移動，支架向下一橋跨方向走行，直到造橋機設計的支點成功安放在橋墩處。

造橋機在走行過程中總體上處于2種受力狀態:(1)造橋機為兩點支撐，處于懸臂狀態;(2)當造橋機的前導梁到達下一橋跨的橋墩時，造橋機轉變為三點支撐，造橋機受力狀態與帶懸臂的連續梁相同。由結構力學知，相同長度的結構(梁體等)，兩點支撐的懸臂結構受力狀態較三點支撐的連續梁不利，因此，計算分析時取造橋機處于兩點支撐的懸臂狀態進行校核。

由于施工階段較多，限于篇幅僅將造橋機走行至最不利位置時，即造橋機處于最大懸臂狀態時的情況分析如下。

(1)位移計算結果(圖12)

圖12 造橋機走行至最不利位置時撓度示意

自重荷載作用下造橋機右懸臂端撓度最大，最大值為-45.5 mm。

(2)強度計算結果(圖13)

圖13 造橋機走行至最不利位置處各桿件應力圖(單位:MPa)

由圖13得出，最大拉應力的桿件為懸臂端支撐點附近斜桿，最大拉應力為59.9 MPa，滿足規范要求，最大壓應力的桿件也為懸臂端支撐點附近斜桿，最大壓應力為-76.7 MPa，滿足穩定容許應力要求。

4.4 造橋機屈曲分析

由前面計算結果可知，造橋機各單根桿件的應力均滿足穩定要求，但造橋機是一個桿件眾多、受力復雜的整體結構，因此，非常有必要對整體模型進行特征值屈曲分析，以確定移動支架在箱梁施工過程中的防失穩安全儲備。

造橋機一階屈曲模態如圖14所示，一階屈曲特征值λ=4.512，桿件最大壓應力為-117.2 MPa，造橋機的整體穩定性滿足要求。

圖14 造橋機一階屈曲模態

5 結論

通過計算分析，箱梁在組拼完成并且濕接縫澆筑完畢后，造橋機主桁跨中撓度及桿件應力均達到最大，主桁桿件最大應力出現在下弦桿跨中處，豎桿及斜桿最大應力發生在造橋機支座附近。鑒于此，原帕克西造橋機在改造時將應力較為集中的主要桿件進行了加強，對于已經無法加強的桿件進行了替換。本文采用有限元法對哈大客運專線普蘭店海灣大橋YZ2500移動支架造橋機在施工過程中的受力行為進行了分析，詳細計算了造橋機在各個施工工況中主桁及連接桿件的應力和變形情況，驗證了造橋機的安全性與穩定性。由于該類型造橋機具有承載能力高，抗彎剛度大，主梁變形小，可設置預拱度控制線形，利于連續多孔標準化作業，便于施工管理等優點，在鐵路工程施工中具有較高的普及推廣價值。

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