架橋機架設大跨徑T梁抗傾覆穩定性分析方法研究

謝洪兵 （安徽建工集團投資管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在公路橋梁設計中，大跨徑預制梁是一種經常被用到的設計方式，因為它具有節約土地，節約工程造價，加大橋下通行空間等優勢。大跨徑梁施工方法多采用支模現澆或預制后架橋機架設。在保證既有路通行的情況下，預制后架橋機架設具有明顯的優點。但是架橋機架梁的安全穩定性卻存在明顯的劣勢，而架橋機架梁的安全穩定性計算成為彌補該施工方法的充分條件。因此，架橋機的安全穩定性理論計算分析務必嚴謹，決不可以用經驗法代替理論計算。2012 年7 月19 日陜西臨潼大西鐵路發生架橋機空載墜落，2 人受傷；2018 年7月21 日滬通長江大橋錫通高速連接線發生架橋機墜落，造成1 死1 傷的事故，類似事故在全國范圍內還有不少，對個人的生命安全造成巨大威脅，對國家財產造成巨大損失。

根據對以往架橋機發生傾覆事故進行分析，傾覆發生的主要原因有橋頭路基質量存在問題，如橋頭路基填土壓實度不足或密實度不均勻、受雨水或其他生產用水等浸泡影響，導致路基發生軟化等，這類問題可以通過加強橋頭路基的施工質量和加強檢測驗收程序得以避免。傾覆發生的另外一類主要原因是架橋機的某一部件或操作出現問題，架橋機的自重非常大，重心又高，發生傾斜時很難采取措施，這就要求架橋機的縱橫向在最不利位置時的安全穩定性要滿足要求，對該類問題常見的處理方法為首先為加強機械設備的檢查維護，還必須在使用前進行縱橫向的抗傾覆能力計算分析[1～10]。本文結合某高速公路40mT梁架設施工實際工程，建模并分析一例架橋機架梁的抗傾覆穩定性分析方法，供同行參考借鑒。

1 工程概況

某高速公路匝道橋上跨既有高速公路，第2 聯采用40m 預應力混凝土簡支T 梁整垮跨越既有通行高速公路，立面圖如圖1所示。

圖1 本橋40mT梁立面圖

2 架橋機的基本情況及架梁方案

2.1 架橋機基本情況

本次架梁擬選用的架橋機為步履式過孔雙導梁架橋機，該型架橋機對于預制T 梁、箱梁尤為適用。從組成結構上有前后支腿、前后支腿橫移軌道、左右承重主梁、吊梁天車、電氣系統及液壓系統等部分。

該架橋機的主梁為2 根三角桁架梁式結構，每根長75m，通過橫梁聯系在一起，是本架橋機的主要承重結構。主梁上部設有2 臺吊梁天車，每臺吊梁天車的額定吊重為75t，主要進行擬架梁板的運行及吊裝作業。主梁下部設有前后4 個支腿，支腿下方設有橫移軌道，可以使擬架梁板橫移到預定位置。

2.2 架梁方案

本次擬架設的所有梁板均在梁場預制完成，通過運梁炮車運送到橋頭路基指定位置。架橋機在橋頭路基上組裝完成，組裝完成后應對架橋機進行一次全面的檢查和試運轉，充分檢驗各部分結構的運轉狀態和可靠程度。架橋機由后方橋頭路基行走至預架梁位置，支腿落位穩定后，按照外邊梁→次外邊梁→中梁的順序進行梁板架設，架橋機通過橫移軌道一次性架完所有橫斷面梁片。

3 抗傾覆穩定性介紹

抗傾覆穩定性（stability against tipping）簡稱穩定性，是指移動裝卸式機械設備抵抗傾覆和傾翻的能力。引起裝卸式機械設備傾覆的外力有起升設備所受到的風力、自身重力、移動過程中所產生的慣性力、行走路線坡度引起的重力分力等。為了使裝卸式機械設備不發生傾覆或傾翻，裝卸式機械設備自身的重力、支承輪廓及操作環境是其穩定的主要因素。由于移動裝卸式機械設備的類型不同，它們的構造、支承情況和操作環境各不相同，對其抗傾覆穩定性的要求也不相同。室外作業狀態（尤其在風口）下的起重機械設備，風力對其穩定性的影響是主要因素，必須分別校核工作狀態穩定性和非工作狀態穩定性。對于小型地面作業的起重設備，由于其高度低，風力影響小，只需校核工作狀態下的穩定性和行駛狀態下的穩定性。對于架橋機和運梁車等高空作業設備，既要考慮風力的影響，也要校核在工作狀態及非工作狀態的穩定性。保持穩定的條件是各種工況下的抵抗力矩始終大于傾覆力矩，并有適當的安全系數富裕度。

本文通過對架橋機最不利位置所受到的各種荷載進行抵抗力矩和傾覆力矩的對比分析（考慮附加荷載），來驗算該橋梁架設的安全性，取抗傾覆安全系數標準值[6]為1.3，計算結果中若實際計算抗傾覆安全系數大于該值，則認為該設備滿足抗傾覆穩定性要求。

4 抗傾覆穩定性分析

4.1 架橋機的設計荷載

4.1.1垂直荷載

擬吊裝40mT梁梁重：Q1=135t；

起重小車（含卷揚機）重：Q2= 7.5t；

天車梁（含縱向走行機構）重：Q3=7.3t；

前支腿總重：Q4= 5.6t；

后支腿總重：Q9= 5.6t；

模型簡化后承重主梁左端（35m）總重：Q5= 46.2t；

模型簡化后承重主梁右端（40m）總重：Q6= 52.8t；

1號天車及天車梁總重：Q7= 7.5 +7.3= 14.8t；

2號天車及天車梁總重：Q8= 7.5 +7.3= 14.8t；

架橋機的主梁、桁架及連結均布荷載：

q = 0.6 × 1.1= 0.66t/m;

取主梁增重系數1.1；取活載沖擊系數1.2；

取不均勻系數1.1。

4.1.2水平荷載

①風荷載

風荷載需要選取工作狀態時的最大允許風力，對于架橋機的最大允許工作環境風力為6 級，但在驗算時，為了進一步保證安全，按照高一級風力計算（即7級風），7 級風的最大風壓按照q1=19kg/m2計算。

②設備運行慣性力取：Φ= 1.1。

4.2 架橋機縱向穩定性計算

從本次架梁來分析，架橋機在縱向的穩定性最不利情況為架橋機懸臂縱向移動至滿跨40m 位置時，架橋機此時的情況為前支腿懸空，1 號、2 號天車退行至架橋機后部起配重作用，計算模型如圖2所示。

圖2 架橋機的縱向計算模型

前支腿自重：P1= Q4= 5.6t；

后支腿自重：P2= Q9= 5.6t；

前段主梁自重：

P3= 0.66t/m× 2榀× 40m=52.8t；

后段主梁自重：

P4= 0.66t/m× 2榀× 35m=46.2t；

P5= Q2+ Q3= 14.8t；

P6= Q2+ Q3= 14.8t；

P7為風荷載，架橋機最大允許工作環境風力為6 級，驗算時按照高一級風力（7級風）橫向風荷載計算：

P7= 19kg/m2× 1.2× 141m2=3.2t，作用在中間支點以上2m處；

計算懸臂狀態下的縱向穩定：M抗= 17.5P4+ 29P6+ 33P5+35P2

= 46.2× 17.5 + 14.8 × 29 +14.8 × 33+ 5.6 × 35 = 1922.1t·m；

M傾= 40P1+ 20P3+ 2P7

= 5.6 × 40 + 52.8 × 20 + 3.2× 2= 1286.4 t·m

架橋機縱向抗傾覆安全系數：

η= M抗/M傾

= 1922.1/(1286.4 × 1.1)

= 1.36 ＞1.3

可以看到，該抗傾覆安全系數雖滿足要求，但處于安全臨界狀態。實際工程操作中，為了保證架橋機縱向行走萬無一失，可采取用一臺起重小車起吊一片T梁的前端作為配重（如圖3所示），這樣其安全穩定性系數將大幅度提高（具體計算此處省略），如此操作可完全確保架橋機縱向行走的安全穩定性。

圖3 T梁作配重示意圖

4.3 架橋機橫向傾覆穩定性計算

4.3.1工作狀態

從本次架梁來分析，架橋機的穩定性在橫向的最不利情況為架設邊梁時，建立簡化模型，計算時，為了進一步確保安全性，可將整個架橋機的荷載全部簡化到該平面，計算模型如圖4所示。

圖4 架橋機橫向傾覆穩定性最不利情況

P1為作用在兩支點中心的架橋機自重：

P1= 46.2+ 56.8 + 7.3× 2+5.6 × 2= 128.8t

導梁承受風的面積按照實體計算，其中μ1= 0.53,μ2= 0.5。

A =(1+μ1)(1+μ2)×Φ*A

=(1+ 0.53)×(1+ 0.5)× 62×2.25= 320.1525m2

P2為導梁承受的風荷載，作用在支點以上3.8m處，導梁形狀系數取1.6。

P2= 1.6 × 1.39 × 19 × 320.1525= 13528kg= 13.53t

P3為天車梁所受風荷載，作用在支點以上5.179m 處，面積計算也按實體計算，導梁形狀系數不變，則：

P3= 2× 1.39 × 1.6 × 19 × 0.8 ×0.46 × 4= 124kg= 0.124t

P4為起重小車和梁體的總重量，

P4= 7.5 × 2+ 135 × 1.1= 163.5t

P5為起重小車和梁體所受的風載，作用在支點以上8.113m處，

P5= 1.39 × 1.6 × 19 ×(3× 2×2+ 2× 30)= 3042.432kg= 3.0432t

對傾覆支點取矩，則傾覆彎矩和抵抗彎矩分別為：

M傾= P2× 3.8 + P3× 5.179 +P4× 1.435 + P5× 8.113= 311.34 t·m

M抗= P1× 4.8= 618.24 t·m

工作條件下架橋機的橫向抗傾覆安全系數為：

μ= M抗/M傾

= 618.24/(311.34 × 1.1)

= 1.91＞1.3

由此可知，該抗傾覆安全系數可以滿足要求，可以認為架橋機在工作狀態下的橫向移動是安全的。

4.3.2非工作狀態

既然架橋機在工作狀態下的抗傾覆穩定性系數是安全的，可以推斷出架橋機在非工作狀態下也應該是安全的，出于謹慎原則考慮，亦進行簡單驗算。

架橋機在非工作狀態下的最不利位置是在架設邊梁時，此時起重小車在橫向的最邊緣。考慮橫風作用，其簡化模型示意圖如圖5 所示。與工作狀態下的圖4 相比，圖5 中無梁體，其他計算條件與圖4相同，計算如下：

圖5 架橋機非工作狀態下最不利情況

2 臺 起 重 小 車 的 總 重：P4= 7.5 ×2= 15t；

對傾覆支點取矩，則傾覆彎矩和抵抗彎矩分別為：

M傾= P2× 3.8 + P3× 5.179 +P4× 1.435 + P5× 8.113= 98.24 t·m

M抗= P1× 4.8= 618.24 t·m

因此，傾覆安全系數為：

μ= M抗/M傾

= 618.24/(98.24 × 1.1)

= 5.72 ＞1.3

可以看出，非工作狀態下架橋機的安全系數幾乎為工作狀態下的3 倍有余，只要操作得當，完全沒有問題，但仍需要提醒，從眾多事故中總結的教訓為：安全事故往往發生在本來安全性很高的地方，因為在這種環境中，操作工人的思想處于放松狀態，容易疏忽大意。

5 結語

為了預先防范架橋機架梁過程中可能出現的安全問題，必須對架橋機的抗傾覆穩定性進行驗算，建模分析計算是架橋機架梁施工安全的理論支撐，實際工程中絕不可以經驗來估計安全穩定性。

在對架橋機的穩定性進行驗算時除了考慮其本身的各項垂直荷載外，一定要考慮風荷載、慣性力等水平荷載，并分別計算架橋機在最不利情形（架設邊梁）時縱橫向工作狀態及非工作狀態的抗傾覆穩定性。當計算的安全穩定性系數接近標準值時，為提高施工安全性，可采取用提梁小車起吊一片T 梁的前端作為配重的方式來提高安全穩定性。

盡管計算的抗傾覆安全系數滿足要求，但實際工作中，仍需要對操作工人加強思想安全教育，絕不可疏忽大意。

本文所述為一套完整的驗證架橋機架梁安全穩定性的分析方法。該分析方法安全可靠，類似工程可以直接引用，對橋梁架梁施工項目具有一定的參考價值。