架橋機結構優化及抗風性能現狀研究

王蕭斌

（中交路橋建設有限公司 北京 101121）

0 引言

由于西南地區高山峽谷眾多，在進行公路交通建設時需要建設大量的橋梁。為提高西南山區橋梁建設的效率與工程的質量，在工程建設中架橋機的已經被大量使用。由于架橋機需要進行高空工作具有較大的風險性，其結構形式以及質量、體積大小對于施工成本以及施工安全有著較大的影響，因此優化架橋機的結構是很有必要的，在滿足施工要求的前提之下，優化結構設計，減少架橋機的自身的重量，同時提高架橋機對風荷載的抵抗能力。因此，許多研究人員針對架橋機的結構以及抵抗風荷載性能進行了大量的研究，得到了許多新型結構形式、提出的抵抗風荷載的措施以及施工建議并運用在工程項目中取得了不錯的效果。本文歸納了眾多學者針對架橋機的結構形式優化及抗風性能的研究成果。

1 架橋機的結構優化

公路橋梁架橋機結構形式多樣，而架橋機主要的支承結構為主梁，所以大部分研究人員對架橋機結構進行優化時主要是對主梁進行研究。王炳榮[1]發現架橋機在施工過程中，主梁會產生下撓，其主要由架橋機的自身重量以及工作過程中施工載荷所產生的下撓組成。通過ANSYS有限元軟件建立架橋機主梁有限元模型，在滿足工作時剛度、強度的前提之下對主梁截面尺寸優化以達到減小主梁自重的目的，從而減小主梁所產生的下撓的目的。對架橋機主梁優化后的質量降低了 6553.8kg，體積縮減了30%，并且驗證后發現該優化方案是可行的。焦國敏[2]針對公路架橋機的結構的進行研究分析后，提出了運架一體式架橋機和下導梁式架橋機的新型架橋機結構形式。并運用層次分析法，對這兩種新的結構形式進行分析和優化。運用定性和定量的評分標準，采用Matlab軟件計算求解各個評價指標的權重，來作為評價方案的評分依據。通過層次分析法評價后發現無論是定量分析標準還是定性分析標準，運架一體式架橋機相對于下導梁式架橋機的表現更加優秀。任才[3]采用有限元軟件Midas Civil建立了架橋機對橋梁進行施工建設時的有限元模型，并通過有限元模型對架橋機主梁應力、吊桿力、主梁位移等進行了分析計算。在對主梁的抗彎剛度、吊桿截面積大小等對結構受力性能的影響因素分析后發現增加架橋機的主梁剛度可以有效的減小協作受力效應，吊桿的面積對其協作受力的影響并不明顯。侯杰通過架橋機的結構特點進行分析，設計出一種適用于多種復雜工況下的雙梁架橋機，并利用有限元軟件ANSYS Workbench對架橋機的主梁結構進行建立模型并計算分析，通過模型對該主梁的結構設計進行驗證分析，確定該結構設計合理。而后又根據響應面法、MOGA以及Screening算法等相結合對架橋機的主梁進行結構優化，在滿足架橋機的使用性能以及施工安全的基礎之上得到了最佳的主梁設計方案，主梁結構的質量在優化后減少9.8%。張亞海將TLJ1100t架橋機的主梁、前支腿、后支腿等各個受力部件進行計算分析后，得到滿足施工要求和施工安全的最優結構，并將該架橋機用于中交路橋建設集團寧波象山灣疏港高速公路橋梁的現場施工，滿足了該地區復雜工況下的施工應用，提高了橋梁建設的效率，節約了建設成本。范晨陽為研究架橋機桁架主梁中節段連接構件螺栓的受力情況，選取全懸掛工況對主梁的強度和剛度進行分析，通過有限元子模型法建立螺栓計算的子模型，施加邊界條件，對螺栓進行受力分析。通過計算后發現采用有限元子模型法可以較準確地獲得螺栓的受力情況，為架橋機主梁的結構設計和改進提供了更合理的分析和評估方法。陳士通[4]為避免架橋機在施工過程中因為產生主梁損傷導致威脅工程安全，便進行了在施工階段時架橋機主梁損傷識別研究。通過研究 SXJ900/32型架橋機在施工過程中主梁不斷變化的內力，采用剛度折減以及位移協調推導出簡化模型的力法方程，求解主梁結構的撓度影響線的數學解析式，并通過建立架橋機的有限元模型對簡化后的力法方程以及函數解析式等理論結果進行驗證。研究結果表明：利用單點損傷識別對架橋機主梁進行識別時可以有效識別，但某些點位識別的效果不佳。當采用兩點損傷識別時，識別精度相比單點識別更高。在識別損傷位置的同時，通過計算結構剛度折減系數可以較為精確的判斷架橋機主梁結構的損傷程度。郭永成利用 Midas Civil建立架橋機主梁的有限元模型，計算分析架橋機主梁各個鋼結構的強度、前、中、后支腿的穩定性以及架橋機的抗傾覆穩定性，優化了架橋機結構，節約了施工成本，保證了施工安全。

2 架橋機抗風性能

由于架橋機屬于細長型的柔性結構并在施工中長期處于高空作業，強風狀態下架橋機容易產生位移，威脅橋梁安全以及施工人員的生命安全。為保證在大風高發季節期間的安全施工，孫九春運用有限元模擬軟件建立有限元模型對3種典型工況下強風荷載對架橋機的位移進行研究分析，在抖振荷載下，施工至最大懸臂狀態時架橋機與橋梁結構出現了瞬時反力，存在接點支座瞬時脫空的風險，威脅橋梁工程安全，需要采用張拉臨時風纜的方式提高架橋機的結構抗風性能。李永樂[5]運用ANSYS有限元軟件建立了龍門式雙主梁架橋機數值模型在0～50m/s的風速變化以及架橋機在空載、施工、吊梁防風的工況下架橋機的抗風性能，研究結果明在強風狀態下，架橋機部分結構有脫離橋梁的風險；施工時如遇較大風速可能會導致架橋機后支腿脫離橋面支撐，研究表明在強風季節架橋機進行施工時需要增加吊梁防風。由于移動模架造橋機的長細比較大，在強風荷載下結構容易產生變形和振動，危及人員、橋梁等安全，張建超針對架橋機的風致振動原理進行了廣泛的研究，得到了風力的功率密度譜密度函數公式，采用ANSYS有限元軟件建模對順風向脈動風的風振對架橋機結構的影響，計算結果表明順風向脈動風的風振對結構的影響較小。劉樹堂以Fluent有限元軟件建立模型計算分析不同工況下，強側風對于架橋機主梁的沖擊荷載以及氣動力為實際工程中的架橋機的安全性提供了建議。杜航考慮到目前架橋機發生了較多的前傾以及側翻等事故，進行了大量的架橋機在風荷載作用下的結構動態響應的研究。運用Kaimal譜以及FFT技術對脈動風風速建立風場模型，獲得了自然風載時程曲線，研究結果表明軸線方向上的風荷載對架橋機的安全威脅最大，施工階段如遇大風必須添加臨時錨固以保證安全。曾耀對珠江黃埔大橋的上行式架橋機進行抗風性能研究，利用有限元軟件ANSYS建立了氣動彈性模型，并對其進行大氣邊界層風洞實驗，研究結果表明當施工時風速大于10m/s架橋機就不應移動，大于20m/s時架橋機應添加吊梁、張拉臨時風纜等臨時防風措施。胡慶安針對MSS62.5架橋機在跨徑最大時空的模閉合狀態、澆筑狀態、開模行走狀態共三種最不利工況進行風洞實驗，試驗結果顯示該結構形式的架橋機抗風性能較好，較為通透，不會發生渦振等不良現象。

3 結論

如今的交通建設需要修建越來越多的橋梁，而架橋機已經成為橋梁建設中必不可少的一部分，優化架橋機的結構形式，提高架橋機的穩定性成為了重中之重。國內外大量的學者選擇對架橋機的主梁結構進行優化，使得主梁的質量以及體積得到了優化，在保證了工作性能以及安全性的前提之下降低了架橋機的成本。同時也對架橋機在工作過程中的主梁損傷進行了研究分析，為安全的進行橋梁施工提供了保障。各研究人員考慮到架橋機通常需要進行高空作業，在強風季節時，風荷載可能會使得架橋機脫離橋梁，威脅生命財產安全，造成巨大的工程事故，故對架橋機在強風狀態下穩定性采用數值模擬或者風洞實驗進行研究分析。在強風天氣，架橋機需要添加吊梁防風、張拉臨時風纜等抗風措施，以及MSS62.5架橋機在風速大于10m/s時應停止移動，大于20m/s時就需要添加抗風措施，盡可能減少架橋機因大風天氣所導致的安全問題，保證人員以及設備安全。