TJ1600架橋機設計及可靠度分析

趙成龍

(中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

1 引言

在高速鐵路和高速公路橋梁的建設中，架橋機施工簡支梁橋的施工工藝具有施工速度快、造價低、機械化程度高等優點[1,2]，我國的架橋機設計和施工技術也不斷突破[3]。目前架橋機的研發主要集中在鐵路32 m簡支梁900 t級[4-7]的架橋機結構研發上，1 000 t以上的架橋機[8]相對較少。鐵路架橋機有能夠過隧道且能夠實現隧道內架梁的通聯TTSJ900型過隧架橋機[9]以及武研院研制的JQSS900型架橋機組；有可以實現隧道內、外工況轉換，滿足隧道內架梁工況的JQSS900B型架橋機組；有以人機工程學為基礎，不需要錨固即可保證前支腿穩定性的550 t級箱梁架橋機[10]；還有能夠進行曲線架梁、變跨架梁、首末跨架梁、隧道口架梁、架梁過程簡便并且安全性高的T型梁架橋機。

目前在鐵路橋梁施工中架設架橋機時，為省去運輸的麻煩，一般會在施工現場對架橋機進行組裝[11]。組裝之前對架橋機的各個部件進行檢查，保證其結構的安全性和合理性；架橋機組裝后，需要進行試吊實驗，保證架橋機的正常運行和明確架橋機的最大承重。

本工程中長江大橋南引橋0～12#墩，15～29#墩為節段拼裝梁，合計孔數26孔。預應力混凝土簡支梁全長49.10 m，計算跨度為46.90 m。26孔箱梁共有286個節段，梁段最大重量164 t，梁體總重1 660 t。因該橋緊鄰長江且在平均墩高在50 m的空心高墩上架設，大風等惡劣條件較多，故針對48 m節段拼裝簡支梁橋，研制了TJ1600型架橋機，并根據現場情況，采用Midas/Civil有限元軟件分析最不利荷載工況下架橋機結構的安全性和穩定性。

2 架橋機結構設計

2.1 架橋機結構

TJ1600型節段拼裝架梁機主要由主框架(即主梁，由三角桁架式主梁與聯系梁組成)、1號支腿、2號支腿、3號支腿、4號支腿、1臺主天車、1臺輔助天車、吊掛、附屬結構、液壓系統、電氣系統等部分共同組成[12]。

(1) 主梁。主框架由2根桁架式主梁和聯系梁組成，兩主梁中心距8 m，梁高6.76 m，每根主梁分9段，全長116 m，分上下兩層，中間通過法蘭組對而成。主梁采用三角桁架結構，材質為Q345B，主梁節間采用42CrMo材質的10.9級高強螺栓連接。架梁承載區域上弦桿采用H750 mm×450 mm型鋼，下弦桿采用H700 mm×400 mm型鋼；其余位置上下弦桿采用鋼板組焊；支點附近腹桿采用200 mm×200 mm方鋼，跨中采用180 mm×180 mm方鋼[13]。

主框架橫向為對稱結構，主框架頂部設置通長軌道用于天車走行，主桁架下弦設置吊掛及縱移軌道。下弦之間布置有主梁縱移軌道，通過與主支腿上縱移油缸配合，完成主梁過孔；同時縱移軌道也作為邊跨梁架設時節段梁吊掛點。

主梁間法蘭采用M64雙頭螺柱連接，施工時分2 000 N·m→5 000 N·m→10 000 N·m三次對稱施擰，在第二次加載后檢查主梁線型及法蘭間間隙，若主梁間有超過2 mm間隙必須用薄鋼板進行抄緊，保證法蘭結合面重合度不小于70%。

(2)1號支腿。1號支腿架梁機過孔時起前端支撐作用，結構主要由橫梁、頂升油缸、支撐組件、支承鉸座組成。橫梁通過鉸座及螺栓與主梁上弦連接，滿足前支腿在前方墩頂的站立位置；支撐組件為前支腿承載件；頂升油缸主要用來完成荷載卸荷[14]。

(3)2號支腿。2號支腿總重55.1 t，為架梁機主支腿，拼裝節段梁時起支撐作用，架梁機過孔時推移主梁運動，主要由托盤、鉸座總成、橫梁、縱移機構、橫移機構、頂升機構、支撐機構組成，結構件材質為Q345B，銷軸材質為40Cr。

支腿通過精軋螺紋鋼筋錨固在橋墩上(末跨架設時錨固在橋面上)，單根錨固筋預拉力30 t。支腿橫梁要求水平布置，橫向坡度通過現場混凝土墊塊和下部支撐油缸共同調節。對于各種不同類型的橋墩，主支腿可以通過與專用橫梁的橫向連接來實現左右幅橋的橫移就位。托盤與架梁機主梁下弦在架梁機就位后需要進行錨固，托盤接觸面安裝有聚四氟乙烯滑板，在設備縱移過孔時要在滑板與主梁下弦軌道間加注潤滑脂。

(4)3號支腿。3號支腿為架梁機主支腿，拼裝節段梁時起支撐作用，架梁機過孔時推移主梁運動，結構由鉸座總成、托盤、縱移機構、移動臺車、橫梁、頂升機構、橫移機構等部分組成。

(5)4號支腿。4號支腿總重10.8 t，主要由支座、頂升油缸、橫梁、內套管、外套管、鉸座等部分組成，安裝在架梁機最后端，為固定支腿，在架梁機正常站位施工時，后支腿保持支撐，后支腿下部支座在橫橋向范圍內可調整。

4號支腿安裝在架梁機最后端，為固定支腿，在架梁機正常站位施工時，后支腿保持支撐，后支腿下部支座在橫橋向范圍內可調整，左右最大偏移量為900 mm，此設置能使架梁機過曲線時后輔助支腿在橋面受荷載的位置，即保證受力點處于混凝土梁腹板位置。

(6)輔助天車。輔助天車主要包括橫移系統、走行機構、起升系統、制動系統、附屬結構、液壓系統[15]。輔助天車主要作用是小件物體的吊裝和倒運。

(7)主天車。主天車重49 t，主要由橫移系統、走行機構、起升系統、附屬結構、液壓系統、制動系統六部分組成。主天車主要用于梁體節段塊的吊裝和調整及主支腿的倒運。

2.2 技術參數

TJ1600型架橋機技術參數見表1。

表1 TJ1600型架橋機技術參數

續表1

3 架梁階段受力分析

架橋機承擔的荷載有:自身結構及梁段自重、主天車和輔助天車產生的移動荷載以及風荷載。按照架橋機承受最不利荷載情況進行分析。

3.1 有限元模型

采用Midas/Civil軟件建立架橋機有限元模型，由922個節點和2 342個單元組成。拼裝梁時，架橋機中間豎向變形大，按照簡支梁狀態考慮。架梁機有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3.2 有限元分析結果

架橋機分析結果如表2所示。

表2 架橋機計算結果匯總

主桁采用Q345B鋼，抗彎設計強度為290 MPa，抗剪設計強度為165 MPa，最大撓度為120 mm。根據表2可知：最不利荷載作用下，架橋機結構強度及剛度均滿足規范要求。

3.3 穩定分析

對架橋機架梁階段進行結構整體穩定性分析，結構第1階和第27階有限元模型失穩模態分析結果如圖2所示。

圖2 穩定性分析結果

由圖2可見：第1階振動模態最小穩定系數為4.094，第27階振動模態為架梁跨上弦桿整體向外失穩，整體失穩系數為10.70，大于需求穩定系數4.0，穩定性滿足要求。計算時未考慮部分綴板的加強作用，計算結果稍保守，結構偏安全。

4 結論

針對長江大橋南引橋48 m節段拼裝簡支箱梁的施工，設計了TJ1600型架梁機，介紹了其結構和設計參數，并利用Midas/Civil軟件對架橋機進行了施工過程中可靠度的仿真分析，結果表明架橋機的強度、剛度和穩定性均滿足要求。目前該標段已全面順利施工完成，架設過程中架橋機滿足現場施工的要求，為以后節段拼裝架橋機的結構設計以及施工提供了參考和借鑒。