雙孔連做造橋機(jī)空間力學(xué)行為分析

趙 健 趙多蒼 安路明 樊立龍 李志輝

（中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

1 引言

隨著科技不斷發(fā)展，新工藝、新材料、新設(shè)備、新技術(shù)的出現(xiàn)加快了橋梁建造技術(shù)的發(fā)展速度。采用大型裝備修建橋梁已是目前發(fā)達(dá)國家常用的方法，該方法符合橋梁智能建造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也代表了一個(gè)國家的綜合國力。因此，“造橋機(jī)”也成為工程界倍受歡迎的裝備之一［1］，也被稱為移動(dòng)支架系統(tǒng)（Movable Scaffolding System），尤其是對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工具有很大優(yōu)勢(shì)［2-3］。造橋機(jī)因其具有機(jī)械化程度高、施工速度快、施工方法便捷、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)在橋梁工程界得到廣泛應(yīng)用［4-5］。

平潭海峽公鐵兩用大橋是我國第一座公鐵兩用跨海大橋［6］。大橋引橋采用造橋機(jī)節(jié)段拼裝施工方法［7］。為解決單孔造橋機(jī)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、成橋速度慢、海上高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大等問題，中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司針對(duì)平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的施工需求，配套研制了SPZ2700×2/64型雙孔連做節(jié)段拼裝造橋機(jī)。

本文以平潭海峽公鐵兩用大橋SPZ2700×2/64型雙孔連做造橋機(jī)為研究背景，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算分析四種典型工況［8-9］，包括架梁施工階段、最大懸臂階段、過孔階段以及13級(jí)臺(tái)風(fēng)作用下的造橋機(jī)空間力學(xué)行為，研究造橋機(jī)應(yīng)力狀態(tài)、穩(wěn)定性系數(shù)及位移的變化趨勢(shì)，為雙孔連做造橋機(jī)的設(shè)計(jì)與施工過程控制提供理論支撐。

2 雙孔連做造橋機(jī)結(jié)構(gòu)概況

雙孔連做造橋機(jī)采用下承式桁架結(jié)構(gòu)，由主桁、下托梁、托輪等系統(tǒng)組成。主桁頂部設(shè)置提梁門吊，主桁下部設(shè)置前、中、后臨時(shí)支腿用于造橋機(jī)過孔及體系轉(zhuǎn)換。操作系統(tǒng)主要包括液壓和電氣控制系統(tǒng)等組成。造橋機(jī)主桁采用雙跨64 m結(jié)構(gòu)布置，主桁布置在橋跨兩側(cè)，過孔時(shí)造橋機(jī)采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，施工時(shí)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)體系。下托梁系統(tǒng)用于拼裝箱梁節(jié)段，箱梁節(jié)段的擺放、調(diào)整通過主桁上部提梁龍門吊實(shí)現(xiàn)［10］。SPZ2700×2/64型雙孔連做造橋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主桁上下弦桿件截面如圖2所示。

圖1 雙孔連做造橋機(jī)結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖2 主桁上下弦桿件截面構(gòu)造（單位：mm）

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

采用Midas Civil 2017有限元分析軟件建立雙孔連做造橋機(jī)機(jī)體空間模型。雙孔連做造橋機(jī)采用桿系單元建立，模型總共由4 180個(gè)單元、1 684個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。結(jié)構(gòu)材料主要分為兩種鋼材型號(hào)：主桁結(jié)構(gòu)與下托梁結(jié)構(gòu)全部采用Q420鋼材，橫向連接結(jié)構(gòu)采用Q345鋼材。鋼材彈性模量選取2.06×105MPa，泊松比為0.3。有限元模型如圖3所示。

為了真實(shí)模擬造橋機(jī)力學(xué)行為，在不影響計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，加快計(jì)算分析運(yùn)算收斂速度。建模遵循以下原則：（1）計(jì)算假定主桁各桿件之間焊接及螺栓連接可靠，結(jié)合部位采用共節(jié)點(diǎn)剛性連接，焊接點(diǎn)與結(jié)構(gòu)桿件的材料特性各向均質(zhì)。（2）提梁門吊結(jié)構(gòu)從受力角度出發(fā)考慮結(jié)構(gòu)自重和箱梁荷載傳遞至主桁上弦桿件，簡(jiǎn)化為作用在造橋機(jī)結(jié)構(gòu)上的豎向力。

圖3 雙孔連做造橋機(jī)空間有限元模型

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)雙孔連做造橋機(jī)施工過程，選取四種典型施工階段進(jìn)行分析。工況1為架梁施工階段，下托梁滿布64 m箱梁節(jié)段，門吊位于主桁跨中位置；工況2為最大懸臂階段，下托梁打開，前、中臨時(shí)支腿支撐，后支腿收起，門吊位于上弦桿前端；工況3為過孔階段，前、中臨時(shí)支腿支撐在造橋機(jī)主桁跨中位置；工況4為停機(jī)抗風(fēng)階段，下托梁滿布64 m箱梁節(jié)段，停止施工。工況1與工況4計(jì)算荷載包括機(jī)體自重、箱梁自重、門吊自重與橫風(fēng)作用；工況2與工況3計(jì)算荷載包括機(jī)體自重、門吊自重與橫風(fēng)作用。

3.3 邊界條件

按照雙孔連做造橋機(jī)典型施工工況設(shè)置邊界條件，其中工況1與工況4前、后支點(diǎn)約束橫、豎向自由度，中支點(diǎn)約束3個(gè)方向平動(dòng)自由度；工況2與工況3前支點(diǎn)約束橫、豎向自由度，中支點(diǎn)約束3個(gè)方向平動(dòng)自由度。

4 荷載取值與加載方式

4.1 造橋機(jī)結(jié)構(gòu)荷載

雙孔連做造橋機(jī)主桁總重為1 478 t，下托梁系統(tǒng)總重627.6 t，門吊結(jié)構(gòu)150 t按荷載加載至主桁，前端臨時(shí)支腿總重41.2 t，后端臨時(shí)支腿總重32.3 t，跨中連接橫梁總重50.3 t，分別以點(diǎn)荷載加載。

4.2 混凝土箱梁荷載

混凝土箱梁共分為64m與40m兩種梁型。64 m箱梁共分為11個(gè)節(jié)段，40 m箱梁分為7個(gè)節(jié)段。本文計(jì)算分析采用64 m箱梁滿布荷載。具體結(jié)構(gòu)部位與單重如表1所示。

表1 箱梁結(jié)構(gòu)部位與荷載統(tǒng)計(jì)

4.3 靜風(fēng)等效荷載

海上作業(yè)條件下造橋機(jī)需充分考慮臺(tái)風(fēng)環(huán)境的影響。本文基于靜風(fēng)理論［11］，對(duì)風(fēng)荷載作用下造橋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。等效風(fēng)荷載采用公式（1）計(jì)算。

式中：C為風(fēng)力系數(shù)，與結(jié)構(gòu)物的體型、尺寸有關(guān)；Kh為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；q為計(jì)算風(fēng)壓；A為迎風(fēng)面積。

在有限元模型中加載風(fēng)荷載，做如下適當(dāng)簡(jiǎn)化：將主桁所受風(fēng)荷載以梁?jiǎn)卧植己奢dP的形式加載到主桁的上下弦桿上，將箱梁所受風(fēng)荷載以單元分布荷載P的形式加載到下托縱梁上。經(jīng)過計(jì)算，造橋機(jī)在施工階段與停機(jī)階段下各參數(shù)C、Kh、q、A、風(fēng)載荷Pw以及P值見表2。

表2 兩種階段各參數(shù)及風(fēng)荷載取值

5 空間力學(xué)行為分析

雙孔連做造橋機(jī)計(jì)算參照文獻(xiàn)［12］。分析造橋機(jī)在施工階段（工況1、2、3）受力時(shí)按7級(jí)風(fēng)考慮；分析停機(jī)抗風(fēng)階段（工況4）受力時(shí)按13級(jí)風(fēng)考慮。在與機(jī)體自重、施工荷載組合后對(duì)造橋機(jī)受力狀態(tài)、變形以及穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)估。

5.1 機(jī)體受力狀態(tài)分析

采用線彈性理論對(duì)雙孔連做造橋機(jī)受力狀態(tài)進(jìn)行分析。工況1、2、3、4的組合應(yīng)力值分別為283.1 MPa、261.7 MPa、257.7 MPa、381.6 MPa，計(jì)算結(jié)果均滿足Q420鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值（見圖4）。各工況最大應(yīng)力值分別出現(xiàn)在主桁跨中下弦桿、中支腿部位下弦桿、前支腿部位下弦桿以及跨中下弦桿。各桿件受力狀態(tài)存在差異，桿件受力狀態(tài)分別為：工況1應(yīng)力最大桿件以受拉為主，工況2、3、4應(yīng)力最大桿件以受壓為主。四個(gè)典型施工階段中工況4為最不利控制工況。在造橋機(jī)實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)對(duì)停機(jī)抗風(fēng)階段采取必要措施，提高機(jī)體抗風(fēng)能力。

圖4 四種典型工況下的組合應(yīng)力與形態(tài)

5.2 機(jī)體撓度分析

5.2.1 荷載組合效應(yīng)影響

針對(duì)雙孔連做造橋機(jī)在荷載作用下主桁跨中和主桁端頭撓度最大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注施工階段跨中與過孔階段主桁端部撓度。各工況下?lián)隙茸兓€如圖5所示。雙孔連做造橋機(jī)受荷載組合效應(yīng)影響，工況1、2、3、4撓度最大值分別為0.131 m、0.321 m、0.260 m、0.136 m。工況1與工況4計(jì)算結(jié)果相比撓度增加0.005 m，主要原因是13級(jí)橫風(fēng)作用所致；工況2機(jī)體結(jié)構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)撓度最大；工況3過孔階段當(dāng)臨時(shí)支腿支撐在跨中位置時(shí)撓度較大，造橋機(jī)撓度隨懸臂長(zhǎng)度的變化而改變，計(jì)算結(jié)果均滿足文獻(xiàn)［8］橋梁施工裝備撓度的限制要求。

5.2.2 橫風(fēng)13級(jí)作用影響

通過圖6可知13級(jí)臺(tái)風(fēng)作用下的橫向位移與豎向撓度。造橋機(jī)主桁在受13級(jí)臺(tái)風(fēng)橫向作用時(shí)跨中最大位移為0.036 m，其余位置位移相對(duì)較小，說明橫向剛度可以滿足抵抗臺(tái)風(fēng)的要求。橫風(fēng)作用時(shí)造橋機(jī)豎向撓度小于0.005 m，說明對(duì)造橋機(jī)撓度影響較小，在撓度分析中可以忽略不計(jì)。

圖6 13級(jí)橫風(fēng)作用機(jī)體結(jié)構(gòu)位移曲線

5.3 機(jī)體穩(wěn)定性評(píng)估

本文采用線性穩(wěn)定系數(shù)對(duì)雙孔連做造橋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。目前，國內(nèi)尚未對(duì)造橋機(jī)等大型橋梁施工裝備在海上臺(tái)風(fēng)環(huán)境施工階段給出明確的穩(wěn)定性安全系數(shù)。參考國內(nèi)若干造橋機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合平潭海峽公鐵兩用大橋橋址的復(fù)雜環(huán)境特點(diǎn)，本文在考慮臺(tái)風(fēng)作用的情況下，選取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值為3.0。

計(jì)算結(jié)果表明，工況1、2、3、4的線性穩(wěn)定系數(shù)分別為9.0、10.2、9.3、13.5，均滿足線性穩(wěn)定安全系數(shù)不小于3.0的設(shè)計(jì)要求，可以認(rèn)為雙孔連做造橋機(jī)安全可靠。

6 結(jié)論

采用Midas Civil2017有限元軟件對(duì)SPZ2700×2/64型雙孔連做造橋機(jī)進(jìn)行空間力學(xué)行為分析，得出以下結(jié)論：

（1）在四種典型工況下，雙孔連做造橋機(jī)由于邊界條件的變化而改變受力形式，各桿件應(yīng)力最大值分別為 283.1 MPa、261.7 MPa、257.7 MPa、381.6 MPa。計(jì)算結(jié)果均小于Q420鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可以滿足平潭海峽公鐵兩用大橋的施工需要。

（2）過孔階段撓度達(dá)到0.36 m，為造橋機(jī)的最不利控制工況。應(yīng)采用監(jiān)測(cè)手段和保障措施對(duì)造橋機(jī)結(jié)構(gòu)安全提供保障。建議過孔作業(yè)在風(fēng)速7級(jí)以下時(shí)進(jìn)行，避免由于風(fēng)速過大對(duì)結(jié)構(gòu)及施工安全造成影響。

（3）在臺(tái)風(fēng)13級(jí)作用下，橫向變形為0.036 m，對(duì)造橋機(jī)影響較小，橫向剛度滿足抵抗臺(tái)風(fēng)的要求。

（4）在造橋機(jī)施工階段、最大懸臂階段、過孔階段以及停機(jī)抗風(fēng)階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)分別為9.0、10.2、9.3、13.5，均滿足穩(wěn)定安全系數(shù)不小于3.0的設(shè)計(jì)要求。

（5）建立雙孔連做造橋機(jī)空間有限元模型可以真實(shí)反映機(jī)體結(jié)構(gòu)在不同典型工況下的受力行為，分析方法及計(jì)算結(jié)果對(duì)造橋機(jī)在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有理論指導(dǎo)價(jià)值。