1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機(jī)對高鐵簡支箱梁的適應(yīng)性分析

李方柯 班新林 王 冰 田 豐

（1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 北京 100081）

1 引言

我國高速鐵路橋梁以等跨布置預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為主要結(jié)構(gòu)型式，標(biāo)準(zhǔn)跨度32 m，速度等級250 km/h、350 km/h，匹配對應(yīng)的制、吊、存、運(yùn)、架設(shè)備，相繼應(yīng)用到秦沈、京滬、武廣等高速鐵路建設(shè)中。預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁已成為我國高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-3］。

近年來國內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，高速鐵路的覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。為拓展高速鐵路常用跨度預(yù)制簡支箱梁的應(yīng)用范圍，適應(yīng)高墩、軟基等橋梁下部結(jié)構(gòu)投資占比較大的情況，國內(nèi)針對40 m跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁開展了大量研究工作［4-7］，相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)已日趨成熟。和傳統(tǒng)的32 m簡支箱梁相比，40 m簡支箱梁重量更大（單孔雙線40 m梁重量達(dá)950 t），需采用千噸級架橋機(jī)［8-10］，運(yùn)架難度更高，運(yùn)架設(shè)備對已架橋梁的影響不容忽視。針對千噸級架橋機(jī)對高鐵簡支箱梁的適應(yīng)性，國內(nèi)外研究文獻(xiàn)較少，相關(guān)技術(shù)問題亟待研究。

本文依托福廈高鐵湄洲灣特大橋40 m簡支箱梁，研究國內(nèi)首臺千噸級架橋機(jī)昆侖號對高鐵簡支箱梁的適應(yīng)性，并對各類特殊條件下架橋機(jī)的適應(yīng)性進(jìn)行探討，為同類鐵路橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒和參考。

2 昆侖號架橋機(jī)簡介

2.1 設(shè)計(jì)概況

昆侖號架橋機(jī)（TJ1000/40型運(yùn)架一體機(jī)）根據(jù)40 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)尺寸、重量以及墩臺尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于24～40 m多種跨度簡支箱梁的運(yùn)輸和架設(shè)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)梁過隧、隧道口架梁、曲線架梁、坡度架梁等施工需求。

架橋機(jī)由主梁、前車系統(tǒng)、后車系統(tǒng)、中支腿、主支腿、起重提升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。架橋機(jī)自重997 t，最大運(yùn)架重量1 000 t，外形尺寸（長×寬×高）為116 m×9.8 m×9.2 m。走行系統(tǒng)分前、后車，前、后車左右車輪間距分別為6.05 m和5.2 m；中支腿橫向間距5.5 m，接地面積3.14×0.4×0.4 m2。架橋機(jī)運(yùn)架梁的主要施工步驟如下：（1）架橋機(jī)提吊簡支箱梁運(yùn)送至架梁工位；（2）安裝主支腿至橋墩，前車越過主支腿并臨時(shí)落梁；（3）安裝中支腿至橋墩，主支腿倒運(yùn)至下一橋墩；（4）起吊梁片，架橋機(jī)前行，精確對位并落梁；（5）架橋機(jī)回撤，主支腿回收，返回梁場。

圖1 昆侖號架橋機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2.2 運(yùn)架梁荷載

架橋機(jī)對已架橋梁的作用分為運(yùn)梁工況走行荷載和架梁工況支腿荷載兩類。運(yùn)梁走行荷載分前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)，其特征為荷載小、作用范圍廣；架梁支腿荷載分主支腿和中支腿，主支腿作用于墩頂，中支腿作用于墩頂和梁頂，其特征為荷載大、局部受力顯著。架橋機(jī)的主要控制荷載見表1。

表1 運(yùn)架梁荷載統(tǒng)計(jì)

3 架橋機(jī)適應(yīng)性分析

3.1 適應(yīng)梁型范圍

架橋機(jī)進(jìn)行運(yùn)架梁施工時(shí)，首先馱運(yùn)待架梁行駛至橋位處，然后站位在臨近橋梁上開展架梁作業(yè)。理論上運(yùn)梁影響梁場至橋位間的所有已建橋梁，架梁影響橋位處臨近的已建橋梁。

從高速鐵路橋梁類型來看，鋼橋以及大跨度的拱橋、斜拉橋、懸索橋等設(shè)計(jì)時(shí)通常不考慮運(yùn)架梁需求，因此架橋機(jī)需適應(yīng)的梁型主要為混凝土梁式橋，即40 m簡支箱梁、配套使用的24～40 m跨度簡支箱梁以及各類跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

福廈高鐵湄洲灣特大橋全長14.7 km，引橋采用298孔40 m跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁（見圖2），采用昆侖號千噸級架橋機(jī)施工［11］。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，受架橋機(jī)施工影響的已建橋梁包括40 m、32 m簡支箱梁以及（70＋125＋70）m、（70＋2×125＋70）m 連續(xù)箱梁。

圖2 40 m梁典型斷面（單位：mm）

3.2 簡支箱梁適應(yīng)性

結(jié)合昆侖號架橋機(jī)的運(yùn)架梁荷載，針對40 m、32 m簡支箱梁的梁部及下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

根據(jù)架橋機(jī)的運(yùn)架梁荷載特征，采用橋梁有限元分析軟件BSAS和MIDAS/CIVIL對運(yùn)梁工況走行荷載進(jìn)行梁部縱向和橫向計(jì)算，對架梁工況支腿荷載進(jìn)行橫向計(jì)算。參照規(guī)范［12-14］分別對40 m、32 m簡支箱梁進(jìn)行分析，檢算結(jié)果見表2、表3。

表2 簡支箱梁縱向計(jì)算結(jié)果

梁部整體縱、橫向計(jì)算表明，40 m、32 m梁在架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載下的強(qiáng)度、應(yīng)力、裂縫等指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

為分析簡支箱梁在架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載下的局部受力情況，采用通用有限元軟件ANSYS 19.0分別建立40 m、32 m梁部實(shí)體有限元模型（見圖3），混凝土采用SOLID95單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用LINK8單元模擬，邊界條件按實(shí)際支座約束條件模擬，運(yùn)架梁荷載按節(jié)點(diǎn)荷載施加。

圖3 40 m梁結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元模型

分別考慮運(yùn)梁工況走行荷載和架梁工況支腿荷載，分析梁部的整體受力及應(yīng)力分布規(guī)律，重點(diǎn)考察架梁支腿作用下的局部受力情況。計(jì)算結(jié)果顯示，梁體在架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載作用下的應(yīng)力分布和荷載類型高度對應(yīng)。運(yùn)梁工況走行荷載作用下，車輪作用位置頂板與腹板相接處頂面橫向受拉，頂板跨中下緣橫向受拉，如圖4所示；架梁支腿作用位置頂板局部上下緣出現(xiàn)較大的橫向拉應(yīng)力，如圖5所示。根據(jù)實(shí)體分析結(jié)果，在運(yùn)梁工況走行荷載作用下簡支箱梁的最大橫向名義拉應(yīng)力約為2.3 MPa，在架梁工況支腿荷載作用下簡支箱梁的最大橫向名義拉應(yīng)力約為4.2 MPa，局部受力滿足要求。

圖4 走行荷載作用下梁體頂面橫向應(yīng)力分布

圖5 支腿荷載作用下梁體頂面橫向應(yīng)力分布

40 m、32 m梁的實(shí)體有限元分析結(jié)果表明，架橋機(jī)支腿荷載是控制梁體局部受力的主要因素。值得注意的是，梁體的局部應(yīng)力和架梁支腿的橫向間距高度相關(guān)。結(jié)合40 m簡支箱梁局部應(yīng)力對架梁支腿間距和支腿荷載開展敏感性分析，結(jié)果表明梁體局部應(yīng)力對支腿荷載大小不敏感，對支腿橫向間距敏感。從結(jié)構(gòu)傳力途徑來看，支腿荷載的理想傳力途徑是通過頂板直接傳遞給腹板、底板、支座，結(jié)構(gòu)各板件均不受彎；從結(jié)構(gòu)抗彎承載能力來看，箱梁各板件尺寸顯然不足以承受架梁支腿荷載。因此，從有利于梁體局部受力角度，支腿宜落在簡支箱梁的腹板范圍內(nèi)，且橫向間距與支座橫向間距相近。

結(jié)合運(yùn)梁工況走行荷載和架梁工況支腿荷載，分別對湄洲灣特大橋40 m簡支箱梁的墊石局部承壓、橋墩及橋臺強(qiáng)度、樁基強(qiáng)度及豎向承載力等進(jìn)行了分析和檢算，檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。需要注意的是，本次檢算的橋墩與基礎(chǔ)均針對40 m梁特殊設(shè)計(jì)，當(dāng)采用現(xiàn)行高速鐵路橋墩通用圖時(shí)，墩身及下部基礎(chǔ)應(yīng)結(jié)合架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載（重點(diǎn)考慮水平力）進(jìn)行檢算。

架橋機(jī)運(yùn)架梁過程中40 m梁單墩理論最大反力為1 795 t（架設(shè)40 m有砟軌道梁、梁重950 t），單支座反力897.5 t；支座設(shè)計(jì)承載力按600 t計(jì)，考慮支座試驗(yàn)承載力為設(shè)計(jì)承載力的1.5倍，支座承載力可達(dá)到900 t，滿足要求。同時(shí)，架橋機(jī)也可采取增加臨時(shí)落梁等措施來降低支座反力，進(jìn)一步提高支座在運(yùn)架梁過程中的安全系數(shù)。

結(jié)合昆侖號千噸級架橋機(jī)的運(yùn)架梁施工荷載，對40 m、32 m簡支箱梁進(jìn)行了全面檢算，計(jì)算結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)架梁荷載作用下的各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，昆侖號架橋機(jī)對于簡支箱梁具有較好的適應(yīng)性。

3.3 特殊條件適應(yīng)性

昆侖號千噸級架橋機(jī)為適應(yīng)40 m跨度簡支箱梁的運(yùn)架研制，理論上也可用于噸位相對較小的既有部頒32 m標(biāo)準(zhǔn)跨度預(yù)制梁，既有部頒簡支箱梁在千噸級架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載作用下結(jié)構(gòu)受力能否滿足要求是影響架橋機(jī)通用性的重要因素。

綜合分析40 m簡支箱梁和既有部頒32 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，總體上運(yùn)梁工況走行荷載不控制箱梁受力，控制條件為架梁工況支腿荷載作用下梁體的局部受力，而架梁支腿的橫向間距與梁體構(gòu)造的匹配度是決定梁體局部受力的關(guān)鍵。表4給出了各主要梁型的梁端構(gòu)造尺寸，梁端腹板內(nèi)、外距指腹板與頂板相接處內(nèi)、外緣線的橫向間距，可以看到既有部頒32 m梁和40 m梁的梁端構(gòu)造尺寸較為接近，架梁支腿（中支腿、橫向間距5 500 mm）均位于腹板范圍內(nèi)且橫向間距與梁部支座間距相近，荷載傳力順暢。

表4 各梁型梁端構(gòu)造尺寸

針對既有部頒32 m簡支箱梁進(jìn)行整體計(jì)算和梁體局部分析，計(jì)算結(jié)果表明，32 m梁在運(yùn)梁荷載下的整體受力滿足規(guī)范要求，在支腿作用下梁體的局部名義拉應(yīng)力均小于5 MPa，滿足要求。因此，昆侖號架橋機(jī)對既有部頒32 m簡支箱梁適應(yīng)性較好。

另一方面，架橋機(jī)進(jìn)行運(yùn)架梁施工時(shí)，影響的梁型可能為非標(biāo)準(zhǔn)簡支箱梁、連續(xù)梁、道岔梁等特殊梁型，此時(shí)架橋機(jī)的適應(yīng)性需單獨(dú)分析。湄洲灣特大橋受架橋機(jī)運(yùn)架梁影響的梁型含一聯(lián)（70＋125＋70）m和一聯(lián)（70＋2×125＋70）m連續(xù)箱梁，計(jì)算結(jié)果顯示，兩聯(lián)主跨125 m連續(xù)梁的強(qiáng)度、應(yīng)力指標(biāo)滿足規(guī)范要求，在支腿荷載作用下梁體的局部最大名義拉應(yīng)力為3.1 MPa（見圖6），滿足要求。因此，昆侖號架橋機(jī)對湄洲灣特大橋兩聯(lián)主跨125 m的連續(xù)梁適應(yīng)性較好。

圖6 主跨125 m連續(xù)梁梁端橫向應(yīng)力分布

當(dāng)非標(biāo)準(zhǔn)梁型在架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載作用下結(jié)構(gòu)受力不滿足要求，特別是在架梁支腿作用下梁端局部受力不滿足要求時(shí)，應(yīng)結(jié)合架橋機(jī)運(yùn)架梁荷載優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或采取臨時(shí)措施。目前一般采用臨時(shí)措施解決架橋機(jī)的適應(yīng)性問題，主要方案包括架梁支腿增設(shè)牛腿、梁頂鋪設(shè)鋼板、梁頂布設(shè)分配梁、增設(shè)承壓連接構(gòu)造等。

在架梁支腿上增設(shè)牛腿可小幅調(diào)整支腿橫向間距，一般適用于支腿和腹板橫向偏差不大、支腿影響橋梁孔數(shù)較多的情況。在梁頂鋪設(shè)鋼板可以增大梁頂?shù)某袎悍秶⒏纳屏后w受力，但該方案作用有限，僅適用于架梁支腿和腹板橫向偏差較小的情況。在梁頂布置分配梁可以將支腿荷載傳遞給腹板，分配梁一般采用鋼梁方案，投資較高，且鋼梁自身存在一定的傾覆風(fēng)險(xiǎn)，整體風(fēng)險(xiǎn)偏高。增設(shè)承壓連接構(gòu)造方案是在支腿作用位置箱梁頂、底板之間以及底板與墩頂之間設(shè)置承壓連接構(gòu)造（見圖7），一般采用鋼管或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，該方案傳力直接、投資低、風(fēng)險(xiǎn)低，應(yīng)用較為廣泛。

圖7 梁端承壓連接構(gòu)造示意

當(dāng)架梁支腿落在梁體跨中且與腹板橫向間距不匹配時(shí)，在支腿作用位置頂、底板之間增設(shè)承壓連接構(gòu)造，使頂?shù)装骞餐惺軌簭澓奢d，可以大幅提高梁體在支腿作用下的結(jié)構(gòu)承載能力。

4 結(jié)束語

2020年11月，福廈高鐵湄洲灣特大橋開始采用世界首臺千噸級昆侖號架橋機(jī)進(jìn)行40 m梁的運(yùn)架施工，運(yùn)架梁實(shí)踐及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，已建橋梁結(jié)構(gòu)安全、可靠，昆侖號架橋機(jī)對高鐵簡支箱梁具有良好的適應(yīng)性。

（1）高鐵40 m、32 m簡支箱梁在架橋機(jī)的運(yùn)架梁荷載作用下，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)受力指標(biāo)滿足規(guī)范要求，架橋機(jī)對簡支箱梁具有良好的適應(yīng)性。

（2）架橋機(jī)進(jìn)行運(yùn)架施工時(shí)，已建橋梁薄弱環(huán)節(jié)為梁部，控制荷載為架梁支腿荷載。架梁支腿的橫向間距是影響梁體受力的關(guān)鍵因素。

（3）架橋機(jī)對既有部頒32 m標(biāo)準(zhǔn)跨度預(yù)制梁適應(yīng)性較好，采取適當(dāng)措施后可保證架橋機(jī)在各種特殊條件下的適應(yīng)性。

（4）40 m簡支箱梁重量大，運(yùn)架施工對已建橋梁影響顯著。本文的計(jì)算方法及結(jié)論可為同類鐵路橋梁工程項(xiàng)目提供參考和借鑒。