試論高速鐵路架橋機前支腿安全性

陳 浩

（中鐵二十三局集團有限公司第四工程有限公司 四川成都610000）

試論高速鐵路架橋機前支腿安全性

陳 浩

（中鐵二十三局集團有限公司第四工程有限公司 四川成都610000）

近些年，我國在高速鐵路方面的建設與發展很快，高速鐵路也走出國門，走向世界。在高速鐵路的建設進程中，規模較大的起重機器——架橋機成為建設機器設備中不可或缺的一員，保證架橋機結構的穩定性與安全性不容操作人員與設計人員忽視。本文論述的主體為TLJ900型架橋機前支腿，對其從靜強度、動力學、結構穩定性、損傷構造的影響幾個方面進行安全性討論。

架橋機；前支腿；安全性

0 引言

高速鐵路建設像雨后春筍般在全國多地區發展，伴隨著在施工中機械化程度的提升，架橋機顯而易見地成為建設高速鐵路施工中不可缺失的機械設備。根據鐵路相關部門的規劃，截止到2020年我國預計架設20000公里的高速鐵路。在未來的高鐵建設過程中急需大量高生產效率、高質量、高性能和配套系列化的高速鐵路橋梁施工設備。架橋機擁有非常樂觀的應用前景，而且向著大規模、智能化的方向發展。眼下我國服役于高鐵建設中的架橋機都要架設900t及以上的梁片，在重載作用下，架橋機在施工過程中發生安全事故的概率大大增加。一旦發生安全事故，重則使得工作人員生命安全受到威脅，輕則增加施工資金的投入，所以大型機械器材的安全問題必須得到施工人員的高度重視。

1 TLJ900 架橋機介紹

TLJ900架橋機在架設時速為200～350km鐵路客運專線，以及20m、24m、32m雙線整孔預應力箱型混凝土的工程時有著很大大的優勢，該架橋機能有效應對橋隧相連區域的架設工程而且能夠直接在距離隧道出口。M的地方實施建設。TLJ900架橋機不僅可以對橋梁架設任務實施有效的處理，而且可以滿足首末跨架以及非直線跨架等不同形式的架設，既可以短途運輸橋梁，又可以按照標準進行建設。

由于自身雙導梁式構造的原因，TLJ900型架橋機組成部分一般包括：兩根箱型主梁、將主梁首尾連接在一起的橫聯、首尾各放置兩臺起重小車、硬度較大的后支腿、具有一定形變能力的前支腿、輔助支腿、懸臂梁以及下導梁等。如下圖1-1所示。

圖1 -1 架橋機結構示意圖

(1)該主梁是一種箱型結構，通過螺栓把5節長12 m的拼接板連接在一起，方便運輸和裝卸，借助前后橫聯把兩端連接。它是整個架橋機中起到承受荷載的主要作用。

(2)后支腿是空間剛性支腿，利用螺栓上端與主梁建立聯系，下端和走行臺車綁定，在對梁進行架設的過程中依靠機械千斤頂器材承受較大的負載。借助液壓千斤頂，能夠完成機械受力裝置載荷和走行臺車之間的轉換。

(3)平面柔性支腿，其是整個機子的前端支撐點，使用鉸接上端和主梁相連。前支腿上配備了可以折疊的節點、能夠自由變換的節點以及固定節點，依靠這些元件能夠完成橋梁垂直坡、變跨施工以及孔橋梁的搭建的任務。

(4)懸臂梁的構造一般是板梁式析架，往往放置在主梁的前橫聯處，稍稍上翅，有利于下導梁天車穩定工作。

2 架橋機前支腿安全性分析

2.1 對前支腿結構靜強度分析

架橋機運行過程中依次包括吊梁起升、吊梁工作、改變橫向方位、放下梁四種不同工序，每種施工工序單獨存在。參照《起重機設計規范》GB/T 3811-2008中的載荷分類與組成說明，可以將每種工況下的計算載荷分為三種組合形式，即載荷組合I、載荷組合II及載荷組合III。各載荷組合形式下的載荷組成及安全系數見下表。

表2 -1 載荷組成及安全系數

而每種載荷組合又可以分為多種組合方式，如下表所示。

表2 -2 各計算工況下的載荷組合

在載荷組合方式1（1）下做出計算，前支腿上的最大節點等效應力為126 MPa。TU900型架橋機使用的是Q345鋼材料，該材料是塑性材料，它的屈服極限為345 MPa，在此載荷組合方式下材料的安全系數取為1.5， 126 MPa＜345 MPa/1.5,能夠滿足使用要求。

在載荷組合方式2（2）下做出計算，山于風載的作用，各部分的應力均比載荷組合方式I大，其最大節點等效應力為134 MPa。在這種組合方式下材料的安全系數取為1.33，可得134 MPa＜345 MPa/1.33,能夠滿足使用要求。

2.2 對前支腿結構動力學的分析

在實際工作中，機械設備承受的載荷是不確定，隨時間不斷變化的。超過極限應力時，結構會瞬間遭到破壞。更多的狀況是，負載十分小，但卻嚴重的破壞了原有的結構，這種情況出現的就是由于動載荷的存在。架橋機的工作環境十分惡劣，工作載荷十分復雜，經常受到沖擊載荷、移動載荷等載荷的作用，對其結構進行動力學分析非常重要。進行動力學分析可以計算出架橋機在作業過程中結構應力位移等數據，還可以利用這些數據優化結構，為架橋機狀態監測提供依據。架橋機在工作時，會對金屬產生很大的影響，會使得金屬結構受到動載荷的作用，這種載荷對結構影響非常大，長時間處于這種載荷中會對結構產生破壞，使得結構發生變形和破壞。這種情況發生的原因主要是因為架橋機在工作時是金屬產生振動，這種震動的頻率和結構的頻率相同時會發生共振，使得結構被破壞。所以在設計和研究架橋機時，一定要對架橋機所能承受的動載荷進行分析，以保證架橋機能夠順利穩定的工作。

2.3 對前支腿的穩定性分析

我們都知道，在受力時機構會產生彈性變形，當因為變形所產生的內力能抵消外力的作用時，此時為平衡狀態。處于平衡狀態的結構，由于被外因擾動離平衡位置，擾動消失后能回到原來的平衡位置，并保持原來的平衡狀態，叫做穩定平衡；無法復原且在其他位置建立了和原本不同的平衡狀態，那么將其稱之為失穩平衡狀態結構。結構在受到載荷達到零界值是，如果在增加一個很小的增量就會改變結構的平衡位置以及形狀，這種現象為結構失穩。結構失穩因性質不同可以分為三類，分別是：第一類失穩，這種失穩是指在負荷達到一定數值后，結構已有的平衡狀態被破壞，形成另一種平衡狀態，這種情況就相當于數學上的運動方程求特征值一樣，失穩時的載荷稱之為零界載荷；第二類失穩，這類失穩會使得結構的變形被擴大，而且不會出現新的平衡狀態，這種失穩也稱之為極值點失穩。在現實中出現的結構失穩一般都屬于結構失穩；第三類失穩，這類失穩是指當載荷達到一定數值以后，原來的平衡狀態直接越變到不相鄰且具有較大位移的平衡狀態，結構在狀態越變時會遭到破壞，這就導致失穩后的狀態已經不能利用了。第一類失穩是分析結構彈性失穩的只要分析目標，而分析的目的主要是找到穩定的零界負荷值。

前支腿是由翼緣板和腹板傑接成的，在軸向力的作用下，前支腿各個板要承受正壓力，可以看做是均勻受壓的薄板，要考慮屈曲失穩問題。如果翼緣板或是腹板局部出現扭曲退出工作，就會使得桿件整體承載能力下降，進而喪失整體的穩定性。由于我國鋼鐵技術水平不斷提高，大大增加了鋼材屈服極限，施工企業考慮到成本問題，就會在最低強度要求條件下，大大減小壁厚，這就增加了桿件發生屈曲失穩的幾率。當構件小面積出現屈曲之后，該部分的構件就失去了承擔重力的作用，造成構件整體承受重力的能力減退，在構件承受不變的重量時，就會發生安全事故。

2.4 損傷結構對前支腿頻率的影響分析

架橋機因施工的水平、使用材料的質量等因素的影響，當不同的機械載荷、載荷溫度以及自然環境侵蝕時，會出現不同程度的損傷。這種損傷主要表現在材料的結構強度下降，機械性能也逐漸降低，材料會變得很脆，非常容易開裂折斷。當機械結構長時間使用后，一些原本韌性非常不錯的低碳鋼、和低碳合金鋼會隨著材料性能的下降而變得很脆，這種情侶在結構出現損傷以后會變得尤為明顯，也會大幅度加快機械結構現性能的下降速度。對于架橋機來說，當金屬結構出現損傷，會對架橋機在使用中的安全性構成極大的威脅，為施工安全埋下隱患。對損傷對固有頻率影響的研究時，我們可以從單一單元損傷、特定單元不同程度損傷、多出不同位置不同損傷這三個方面進行研究。

3 結束語

由上可知，隨著架橋機起重量的不斷增加，將會造成鋼材結構設計發生改變，不但需要提高起重機的起重能力，還要求盡量減小資金投入。結構的安全穩定問題是非常重要的，需要引起充分重視，如果發生失穩現象，就會導致起重機倒塌，造成大量經濟損失和人員傷亡，所以，施工單位必須充分重視架橋機前支腿安全性的重要性，并加大研究力度。

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[2]張啟貴，高速鐵路架橋機動力特性分析[J].建筑機械,2015,3∶71-73.

TU714

B

1007-6344（2017）01-0233-02

陳浩 男（1982-7） 本科 工程師 主要從事鐵路橋梁橋梁工程工作。