雙導(dǎo)梁架橋機(jī)吊裝預(yù)制T 梁的施工安全計算分析

蘇建旭

（廣州大學(xué)）

0 引言

隨著我國橋梁領(lǐng)域的快速發(fā)展，架橋機(jī)作為加快施工工期的吊裝設(shè)備，其使用效率越來越頻繁，已經(jīng)成為建設(shè)橋梁重要的組成部分。然而，架橋機(jī)施工過程事故時有發(fā)生：2021 年10 月2 日，湖杭高鐵施工段發(fā)生架橋機(jī)故障，造成1 死2 傷；2019 年7 月18 日，勉縣漢江二號大橋橋梁架設(shè)中架橋機(jī)倒塌，造成5 死7 傷[1]。這些事故的本質(zhì)是對架橋機(jī)使用過程中的安全管理不足，從而造成嚴(yán)重的損失，因此對架橋機(jī)的安全驗算尤為重要[2]。本文以某高架橋線路中采用雙導(dǎo)梁架橋機(jī)吊裝預(yù)制T 梁為工程案例，對施工過程中的架橋機(jī)與橋墩結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行復(fù)核計算，分析架橋機(jī)施工中的風(fēng)險點(diǎn)。

1 工程概況

某高架橋線路全長4.481km，橋跨結(jié)構(gòu)采用先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，需要架設(shè)30m 單片T 梁，邊梁最大重量約83t，擬采用的公路架橋機(jī)為雙導(dǎo)軌體系，由尾支腿、中支腿、主梁、起重小車、縱行桁車、前支腿、臨時支腿、上橫梁、輔助支腿、控制系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 架橋機(jī)構(gòu)造圖

同時，為研究架橋機(jī)施工過程中，對支撐蓋梁與橋墩的影響，選取線路架中的典型橋墩進(jìn)行受力分析，典型橋墩為Y 形墩，尺寸如圖2 所示。

圖2 驗算橋墩示意圖

2 有限元模擬

依據(jù)相關(guān)圖紙建立架橋機(jī)與橋墩結(jié)構(gòu)的空間有限元模型如圖3 所示，對架橋機(jī)吊梁落梁過程的復(fù)核計算，驗算架橋機(jī)與蓋梁的強(qiáng)度。架橋機(jī)主梁與主桁采用Q345 鋼材，設(shè)計強(qiáng)度310MPa，主梁底桁采用Q235 鋼材，設(shè)計強(qiáng)度215MPa；蓋梁采用C50 混凝土，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.89MPa，抗壓設(shè)計值23.1MPa，本文主要驗算依據(jù)為《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60-2015[3]。

圖3 有限元模型示意圖

采用有限元軟件Midas Civil 2019 建立架橋機(jī)模型進(jìn)行計算分析。架橋機(jī)桿件均采用梁單元模擬，如圖3(a)所示。架橋機(jī)主桁通過剛性連接與各支腿相連，同時通過各支腿簡支或連續(xù)支承于蓋梁或已架設(shè)梁段，起重小車和縱移桁車分別通過彈性連接簡支于主桁上弦，上橫梁與主桁上弦剛性連接，模擬真實(shí)的架橋機(jī)邊界條件。

采用有限元軟件ANSYS19.0 建立橋墩與蓋梁模型進(jìn)行計算分析。橋墩與蓋梁均采用實(shí)體單元Solid45 單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用桿單元Link8 單元模擬。模型如圖3(b)所示。橋墩底面約束所有自由度進(jìn)行固結(jié)，并根據(jù)設(shè)計資料調(diào)整橋墩的預(yù)應(yīng)力張拉，使用節(jié)點(diǎn)約束法模擬預(yù)應(yīng)力與混凝土之間的協(xié)同作用，并通過降溫法模擬鋼束的張拉力。

3 計算工況

3.1 施工方法

本案例架橋機(jī)施工方法采用水平斜吊，施工的步驟主要分為4 步如圖4 所示，分別為：

⑴梁體起吊（步驟1）：首先由運(yùn)梁車運(yùn)載T 梁至吊梁位置，提升梁體懸空并撤離運(yùn)梁車；

⑵梁體單端水平移動（步驟2）：單端起重小車水平平移，調(diào)整梁體位置變?yōu)槠矫嫘?1 度，兩端小車同步提升梁體超過橋墩的支座墊石；

⑶梁體水平移動（步驟3）：起重小車同步往架橋機(jī)中間移動，使得梁體居中；

⑷主梁縱移到橋跨(步驟4）：主梁整體位移到達(dá)梁擬定放置位置，進(jìn)行下放。

3.2 架橋機(jī)的安全分析

依據(jù)上述的施工方法，對架橋機(jī)的安全進(jìn)行驗算。架橋機(jī)在吊梁落梁的過程中，橫梁與吊重小車位置并不恒定，為全面驗算施工過程中的架橋機(jī)安全，需要對每個步驟進(jìn)行分析驗算，圖5 為步驟1 梁體起吊工況的受力分析情況。

由計算結(jié)果可知，兩片桁架中支腿反力分別為846kN、343kN 及207kN、172kN。主桁應(yīng)力介于-278MPa（壓應(yīng)力）～237MPa（拉應(yīng)力）之間。均低于架橋機(jī)Q345鋼材的設(shè)計強(qiáng)度310MPa，滿足要求。

同時注意到，當(dāng)架橋機(jī)吊起邊梁時，穩(wěn)定性最差，《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025-86）第1.2.12 條規(guī)定，橋跨結(jié)構(gòu)在施工架設(shè)時期應(yīng)保證傾覆穩(wěn)定性，穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.3[4]。架橋機(jī)“水平斜吊”步驟1 結(jié)構(gòu)第一階失穩(wěn)模態(tài)如圖5(d)，其中結(jié)構(gòu)自重及T梁重量均設(shè)置為變量，對應(yīng)的屈曲臨界系數(shù)為12.4，滿足要求。

圖5 吊梁落梁工況一中架橋機(jī)的受力分析

限于篇幅，剩余吊裝施工的工況驗算情況在表1 列出，由表可知主桁應(yīng)力均在290MPa 以內(nèi)，低于主桁Q345 鋼材的設(shè)計強(qiáng)度310MPa，滿足安全要求。

表1 水平斜吊施工步驟中架橋機(jī)的受力

3.3 橋墩蓋梁安全性驗算與評價

取上小節(jié)架橋機(jī)計算分析中支腿反力最大的工況，將支座反力以節(jié)點(diǎn)荷載的方式加載到ANSYS 模型上面，并考慮蓋梁已經(jīng)架設(shè)一側(cè)預(yù)制T 梁進(jìn)行驗算。取架橋機(jī)“水平斜吊”的步驟1 支座反力846kN、343kN，已架設(shè)T梁按自重荷載分配在支座位置加載，加載面積按兩個臨時支座底面考慮。施工工序如圖6(a)所示，其中最危險的工序是當(dāng)架橋機(jī)架設(shè)完畢1 到9 號梁后，吊起10 號梁時，此時蓋梁懸臂端受荷載最大。按以上的受力狀態(tài)建立的計算模型如圖6(b)所示。

圖6 有限元模型受力示意圖

分析該工況下引起的蓋梁受力，應(yīng)力分析如圖7(a)所示。可以看到橋墩整體的拉應(yīng)力都在1.89MPa 以內(nèi)，1.89MPa 是蓋梁C50 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，說明蓋梁的抗裂都能滿足要求。蓋梁的壓應(yīng)力都在8MPa以內(nèi)，這都遠(yuǎn)低于蓋梁混凝土標(biāo)號的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。因此可以認(rèn)為架橋機(jī)架梁過程中蓋梁仍然是安全的且滿足使用性要求。

分析該工況引起的橋墩受力，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析如圖7(b)所示。可以看到橋墩在架橋機(jī)的另一側(cè)的墩柱面在架橋機(jī)的偏壓作用下，根部出現(xiàn)拉應(yīng)力超過1.71MPa 的區(qū)域，1.71MPa 是墩柱C40 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，說明橋墩抗裂不滿足要求。

圖7 橋墩與蓋梁應(yīng)力圖

3.4 分析結(jié)論

對某高架橋線路的預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋架橋機(jī)施工安全進(jìn)行了全面復(fù)核。分別對架橋機(jī)體系和橋墩及蓋梁在施工全過程的安全性進(jìn)行了計算，建立了架橋機(jī)的整體桿系有限元模型和蓋梁及墩柱的實(shí)體有限元模型，分析了各種施工工況作用下的架橋機(jī)及蓋梁受力狀況。主要研究結(jié)論如下：

分析了架橋機(jī)吊梁落梁施工全過程的架橋機(jī)受力性能，重點(diǎn)分析了架橋機(jī)斜吊T 梁過程的受力性能，分析發(fā)現(xiàn)主桁應(yīng)力均在290MPa 以內(nèi)，低于主桁Q345 鋼材的設(shè)計強(qiáng)度310MPa；同時對吊梁過程中的主桁橫向穩(wěn)定進(jìn)行了分析，計算發(fā)現(xiàn)主桁的穩(wěn)定系數(shù)在12 以上，表明架橋機(jī)橫向穩(wěn)定性較好，滿足安全要求。

分析了架橋機(jī)吊梁落梁施工全過程的蓋梁與墩柱受力性能，提取最不利架橋過程中的支撐反力進(jìn)行加載，分析發(fā)現(xiàn)蓋梁在自重、預(yù)應(yīng)力和架橋機(jī)反力作用下結(jié)構(gòu)整體的拉應(yīng)力均低于蓋梁的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，壓應(yīng)力普遍低于8MPa，整體說明架橋機(jī)架梁過程中，蓋梁結(jié)構(gòu)仍然是安全的且滿足使用性要求。

但架橋機(jī)吊梁落梁施工過程中，因為架橋機(jī)的偏壓作用，橋墩在另外一側(cè)的墩柱面根部出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值超過橋墩C40 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，橋墩抗裂不滿足要求,這需要在施工過程中引起重視并采取其它方法進(jìn)行混凝土防裂措施。