高速鐵路40 m梁運架一體機主梁設計及分析計算

蔣中明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 研究背景

經過十多年的積累，我國32 m及以下跨度高鐵簡支箱梁運架技術和裝備已日趨成熟，不僅可滿足國內32 m以下高鐵橋梁工程建設需求，同時部分架橋機已進入國際市場[1-3]。隨著社會經濟發展，高鐵建設逐步向西部山區和東部沿海地區推進，其水文條件和地質地貌更加復雜惡劣，跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區的深基礎橋梁占比較大，因此適當提高橋梁跨度、減少墩臺基礎數量可極大的降低工程造價。2016年之前，我國高鐵預制簡支梁橋最大跨度為32 m，當跨度大于32 m時，多采用現澆橋梁，其經濟性指標下降，且質量控制難度較大。因此，根據最新的2013年《鐵路主要技術政策》(原鐵道部第34號令)第三十八條：“開展大跨度橋梁研究”的指導要求以及中國鐵路總公司《鐵路工程設計措施優化指導意見》(鐵總建設[2013]103號)：“梁部結構宜采用預應力混凝土結構并以簡支梁為主”的規定，2016年5月起，相關單位開始進行高速鐵路40 m大跨度簡支梁(以下簡稱“40 m梁”)建造關鍵技術研究。研究結果表明，40 m梁不僅可減少墩臺數量、提高生產效率，提高梁橋跨越能力，同時對地形、地質復雜的高墩、深基礎區段，具有明顯的經濟優勢[4-5]。

為形成40 m梁成套建造技術，中鐵五院聯合中鐵十一局同步開展40 m梁提運架成套施工裝備的研制，其中上導梁式運架一體機(以下簡稱“運架一體機”)已于2020年7月在福廈湄洲灣特大橋順利完成首架。

2 40 m梁運架一體機主梁結構設計

運架一體機主梁(以下簡稱“主梁”)主要包含運架梁機主梁和前導梁兩部分，總長103.33 m，總重量約465 t。為方便運輸和變跨，主梁縱向分為9個節段(見圖1)，各節段間采用螺栓連接，其中一～七節段為運架梁機主梁部分，八、九節段為前導梁部分，主要用于輔助運架梁機過孔。當運架梁機往返梁場與架梁工位吊運箱梁時，前導梁可留置在架梁工位，待運架梁機運梁至架梁工位后，前導梁自動對接至運架梁機主梁，完成運架一體機的連接。

圖1為主梁總圖，由右向左依次設有主支腿(40 t)、前車(150 t)、中支腿(30 t)、起升裝置(移動吊具、固定吊具各25 t)、后車(200 t)及卷揚機平臺(40 t)等部件接口，其中主支腿可沿主梁軌道移動。

2.1 運架一體機各工況主梁內力分析

作為運架一體機主要的受力部件，主梁的安全性直接關乎設備的使用。

2.1.1 豎向荷載

主梁所受豎向荷載主要為設備自重荷載PG和吊重荷載PQ。為最大程度提升運架一體機的適用范圍，本設備在設計之初便兼顧了40 m以下不同跨度簡支梁的架設需求。通過對各種跨度簡支梁施工受力比較后確定，40 m(自重1 000 t)、32 m梁(自重900 t)架梁作業時主梁受力最大。又進一步分析可知，對于運輸工況，當前導梁留置在架梁工位不隨主梁一同運梁時主梁受力最為不利(如圖2、圖3所示)；對于架梁工況，后車與中支腿支撐、后車與主支腿支撐時兩種狀態下主梁受力最為不利(如圖4、圖5所示)。

圖1 主梁總圖(單位：mm)

圖2 40 m梁運輸工況時主梁荷載圖示(單位：mm)

圖3 32 m梁運輸工況時主梁荷載圖示(單位：mm)

圖4 40 m梁架梁工況時主梁荷載圖示(單位：mm)

2.1.2 橫向荷載

主梁所受橫向荷載主要為風荷載PW，按7級風計，根據《起重機設計規范》(GB3811-2008)相關規定，工作狀態主梁橫向風荷載均布集度為3.79 kN/m；吊點處橫向風力約32.4 kN，同時考慮其產生的附加扭矩為331.61 kN·m。

2.1.3 荷載系數及荷載組合

主梁靜態分析計算采用許用應力法，即規定了載荷在結構及連接接頭中產生的應力和變形不超過在結構及連接接頭承載能力的設計方法。運梁工況下強度計算采用組合1(其中1.3為運行沖擊系數)，過孔工況下強度計算采用組合2(其中1.1為起升動載系數)，剛度計算采用組合3。

圖5 32 m梁架設工況時主梁荷載圖示(單位：mm)

組合1：1.3×(PG+PQ+PW)；組合2：1.1×(PG+PQ+PW)；組合3：1.0×PQ。

2.1.4 主梁各工況下內力結果

通過對上述40 m和32 m運輸工況、架梁工況下內力計算，提取主梁各節段最大內力，見表1。

2.2 運架一體機主梁設計

通過內力分析可知，使用過程中對主梁強度有很高的要求，但同時考慮到運梁過隧以及隧道口架梁等特殊施工需求，設備外形尺寸又不宜過大，因此綜合比選后主梁鋼材最終選擇采用HG785D鋼。

對于HG785D基本許用應力，含兩種組合，其中組合A為常規荷載組合，即豎向荷載；組合B為常規荷載+偶然荷載組合，即豎向荷載+橫向風荷載。主梁各主要材質許用應力見表2，其中翼緣及腹板連接螺栓均采用10.9級高強螺栓。

經設計確定，主梁采用箱形截面，如圖6所示，其中一節段和八、九節段為變截面(梁高方向)。一節段梁端截面尺寸為2.4 m×2.4 m，六～九節段截面尺寸為2.3 m×4.8 m(九節段梁端截面尺寸為2.3 m×0.945 m)，其余節段截面尺寸為2.4 m×4.8 m，上下兩層通過螺栓連接。一、八、九節段頂底板30 mm、其余頂底板50 mm，腹板取14 mm。

表1 各工況下主梁各節段最大內力值

表2 主梁各主要材質力學性能 MPa

圖6 主梁各截面(單位：mm)

3 40 m梁運架一體機主梁結構計算

3.1 主梁各節段最不利應力計算

以三節段為例，取移動吊具處(圖7)架梁、過孔工況中最不利荷載組合進行應力計算，剪力F=2.88×103kN，豎向彎矩M=2.03×105kN·m，水平彎矩Mz=5.31×103kN·m，扭矩Mk=9.98×102kN·m；凈截面慣性矩Iy=1.556×1012mm4，Iz=2.603×1011mm4，形心軸一側截面凈矩S=3.5×108mm3。

(1)約束彎曲正應力計算：水平彎矩作用下上翼緣最大正應力σ上彎=1.05Mz上/Iy=327.07 MPa<[σ]A=411.5 MPa，水平彎矩作用下下翼緣最大

圖7 三節段移動吊具長孔段橫斷面(單位：mm)

正應力σ下彎=1.05Mz下/Iy=330.82 MPa<[σ]A，垂直彎矩作用下翼緣最大正應力σz彎=1.05Mzy/Iy=25.7 MPa，彎矩作用下截面最大正應力σ彎組=330.82 MPa +25.70 MPa =356.52 MPa<[σ]B=460.6 MPa。

經計算可知，移動吊具處主梁應力滿足要求。同理對各節段應力進行計算均滿足要求，結果見表3。

3.2 主梁剛度計算

表3 各工況下主梁各節段應力結果

3.2.1 40 m梁運梁、架梁工況下主梁最大位移

如圖8所示，40 m梁運梁工況下(前、后車支撐，間距73 280 mm)，主梁最大豎向位移156.3 mm，最大撓跨比=1/468.9。

圖8 40 m梁運梁工況下主梁最大位移(單位：mm)

圖9所示為40 m梁架梁工況下主梁最大位移，當后車及中支腿支撐時，間距54 490 mm，最大豎向位移43.8 mm，最大撓跨比1/1244；當后車及主支腿前端位置處支撐時，間距96 290 mm，最大豎向位移380.3 mm，最大撓跨比=1/253.2。

3.2.2 32 m梁運梁、架梁工況下主梁最大位移

運梁工況下(前、后車支撐，間距73 280 mm)，最大豎向位移173.1 mm，最大撓跨比=1/423.3。

架梁工況下主梁最大位移，當后車及中支腿支撐時，間距54 490 mm，最大豎向位移49.6 mm，最大撓跨比=1/1 068.4；當后車及主支腿前端位置處支撐時，間距88 290 mm，最大豎向位移304.5 mm，最大撓跨比=1/290。

圖9 40 m梁架梁工況下主梁最大位移(單位：mm)

3.2.3 開孔位置處剛度分析

如圖6所示，吊點開孔和其余開孔段橫斷面慣性矩、凈截面慣性矩均為Iy≈1.6×1012mm4，與主梁主截面慣性矩近似，因此開孔不會降低主梁剛度。

綜上，各工況主梁最大撓跨比1/253.3<1/250。

3.3 主梁整體屈曲分析

取架梁工況進行屈曲分析，此時架橋機后車及主支腿支撐跨度最大，最容易產生失穩。提取主梁前六階屈曲模量進行分析，可知模量系數均大于4，故不會出現失穩，結果如圖10所示。

3.4 主梁整體穩定性計算

根據《起重機設計規范》要求，箱型截面受彎構件的截面高度與兩腹板外側之間的翼緣板寬度的比值h/b=4 800 mm/1 800 mm=2.67<3，不必驗算其整體穩定性。

圖10 主梁前六階屈曲模量

3.5 主梁局部穩定性計算

3.5.1 橫向加勁肋設置及局部穩定性

(1)橫隔板最大間距a=4 800 mm，上下翼緣板之間的腹板高b=4 800 mm，滿足0.5b≤a≤2b的規定。

3.5.2 腹板縱向加勁肋設置及局部穩定性計算

按照《起重機設計規范》相關規定，該主梁屬于高腹板，應在腹板受壓區設置多道縱向加勁肋。經驗算腹板縱向加勁肋滿足要求，且各節段腹板最不利區格穩定性均滿足要求。

3.5.3 翼緣縱向加勁肋設置及局部穩定性計算

3.6 主梁節段拼接位置受力計算

3.6.1 翼緣拼接螺栓計算

(2)同理，50 mm翼緣處拼接螺栓按12×7個布置。

3.6.2 腹板拼接螺栓計算

同理，各節段連接位置處螺栓布置情況見表4。

表4 各工況下主梁各節段連接位置處螺栓布置情況

4 結論

通過從強度、剛度、穩定性以及連接等方面對運架一體機主梁結構設計及分析計算進行全面系統的總結，確保了結構的安全性，同時也為高強度、大跨度、高強材質、高腹板結構設計計算提供了經驗。