大重量箱梁節段拼裝線形與架橋機變形協調研究

摘要：為了解決大重量箱梁節段拼裝線形與架橋機變形協調問題，文章以某高速鐵路56 m節段箱梁為背景，采用有限元模擬與荷載試驗相結合的方法，開展節段梁拼裝線形與架橋機變形協調研究，結果表明：架橋機數值模擬應力結果與實測結果擬合較好；架橋機彈性變形數值模擬結果與實測結果最大偏差＜4%；根據數值模擬結果，通過理論計算公式能夠得到吊桿調節量來進行變形協調控制；這種節段梁拼裝線形與架橋機變形協調控制方法具有較強實用性。

關鍵詞：高速鐵路；節段拼裝；荷載試驗；數值模擬；變形協調

中圖分類號：U445.36

0 引言

架橋機節段拼裝技術具有自動化程度高，施工工效高，施工機械和人員配置少，施工不受地形限制，有利于環保等諸多優點，近年來多應用于梁式橋新建［1］、拆除重建［2］及特殊條件下施工［3］中。但在架橋機的使用過程中，也存在一些病害問題，主要表現為架橋機自身的結構缺陷以及架橋機的彈性變形。針對架橋機自身的結構缺陷，通過損傷識別［4-5］以及技術處置，能夠較好地克服。而彈性變形作為架橋機結構的一種固有性質，其影響難以被消除，通常表現為節段梁變形與架橋機變形的難以協調［6］。此外，對于大跨度高速鐵路橋，由于跨度和節段自重進一步提高，架橋機的彈性變形也會大幅增加，從而大大提升了節段拼裝過程中節段梁與架橋機的變形協調控制難度。

架橋機與節段梁的變形協調問題主要發生在兩個施工過程中：節段拼裝施工過程中節段梁拼裝線形與架橋機彈性變形的協調；節段梁張拉預應力發生體系轉換后，架橋機的彈性變形恢復與節段梁線形的協調。

針對后者的解決措施，任才等［6］采用數值模擬的方法驗證了整體落架法的有效性；余金江［7］以實際工程案例表明采用液壓缸對架橋機整體卸載能夠避免架橋機彈性恢復造成梁體次生病害。這說明該問題已有較為有效的解決措施。

而對于前者的解決措施，張興偉等［8］開展了預壓試驗，模擬實際節段拼裝情況來獲得架橋機最大彈性變形值，然后利用二次拋物線分配的理論方法計算吊桿吊掛高度，來控制節段梁與架橋機的變形協調，但其荷載試驗僅對比了最大彈性變形值，試驗準確度未得到驗證，其采用二次拋物線分配法獲得的架橋機彈性變形結果也有待商榷。

若節段拼裝施工過程中節段梁與架橋機的變形協調不能得到準確控制，不僅會增大節段梁拼裝施工難度，還會造成節段梁拼裝后線形無法滿足要求。因此，有必要針對節段拼裝過程中節段梁與架橋機的變形協調計算控制方法開展研究。

目前，針對架橋機的數值模擬已有較廣泛的應用［9-11］，因此本文考慮采用數值模擬與荷載試驗相結合的方法開展研究。利用架橋機荷載試驗結果對數值模型進行驗證，根據架橋機數值模擬彈性變形結果，利用吊桿調節量理論計算公式，計算得到架橋機吊桿調節量，通過調節吊干長度，實現節段梁與架橋機變形協調控制。

1 工程概況

某高速鐵路56 m跨徑節段預制拼裝橋梁采用單箱、單室箱梁，如圖1所示，共分13個梁段，其中間11節標準梁段單節段重量為152 t，單跨總重約為2 000 t。如圖2所示，節段拼裝采用上行式移動架橋機整孔拼裝的施工方法。施工所用架橋機采用邁步縱移式，架橋機構造形式為分層分節的三角形桁架結構，結構材料采用高強度低合金結構鋼Q460C。架橋機額定滿載懸掛能力為2 500 t，單節段最大起重量為200 t。

2 荷載試驗

2.1 加載方案

本次架橋機荷載試驗為靜力試驗，根據規范要求檢算荷載取為單跨梁總重的1.1倍（2 200 t）。試驗荷載直接采用節段梁配重（2 000 t）以及起重天車額外懸掛一節標準梁段（152 t）施加。其中，整孔懸掛梁段可等效為均布荷載，起重天車額外懸掛一節標準梁段可看作是集中力，當集中力作用于跨中時最不利，架橋機跨度取56.2 m，則可計算架橋機控制截面的最大內力效應值如表1所示。

2.2 荷載效率系數檢算

規范《JTG-T J21-01-2015公路橋梁荷載試驗規程》［12］要求，靜載試驗中試驗荷載產生的最大內力效應值與檢算荷載產生的最大內力效應值應能夠滿足式（1）荷載效率系數范圍：

式中：ηq——靜力試驗荷載效率系數；

Ss——試驗荷載作用下某一檢驗項目對應的加載控制截面的最大計算效應值；

S′——檢算荷載產生的同一加載控制截面的最不利效應計算值；

μ——按規范采用的沖擊系數。

分別取表1架橋機在試驗荷載和檢算荷載作用下的最大內力效應值代入式（1），計算靜載試驗荷載效率系數（沖擊系數取1）得：

靜載試驗荷載效率系數滿足規范要求，證明以上試驗荷載選取合理。

2.3 試驗監測方案

架橋機拼裝完成后，應前移至首孔待架孔位，分別在中間標準節段（4.6 m）的7～14號吊桿位置處設置撓度測點。通過有限元模擬可知，架橋機應力最大值出現在支腿桁架位置處，因此在中、后支腿桁架上設置應力測點。

在測點布置完成后，測量架橋機各測點的初始標高H0。如圖3所示，將首孔箱梁的13個梁段利用吊桿逐一懸掛于架橋機上，利用起重天車吊裝3#梁段（提供集中荷載）至架橋機上，并行至架橋機跨中位置處。待變形穩定后，重新測量架橋機各測點的標高H1以及應力測點的測試結果。逐一卸下各配重梁段后，測量架橋機各測點的標高H2。

則可以計算架橋機彈性變形δ1以及非彈性變形δ2：

3 數值模擬

如圖4所示，為了驗證試驗結果的準確性，采用Midas軟件建立有限元模型進行數值模擬。模型采用梁單元進行建立，支座處節點采用簡支約束，桿件之間為梁單元共節點剛性連接。采用均布荷載模擬整孔懸掛梁段配重加載，采用跨中施加集中力模擬起重天車吊裝節段梁在跨中配重加載。

4 變形協調

采用實際梁段進行架橋機最不利工況預壓試驗，并與有限元模擬結果進行擬合，使有限元模擬精度在可接受的范圍內。然后根據有限元計算結果，開展節段拼裝線形與架橋機變形協調控制。控制方法主要根據架橋機的模擬變形數據，考慮節段自重及吊桿長度后，通過調節吊桿長度來實現。由于架橋機非彈性變形可通過預壓消除，因此僅考慮彈性變形。如式（4）、式（5）所示，為吊桿長度調節量計算方法。

式中：Li——第i根吊桿長度調節量；

N——節段重量；

L0——吊桿初始長度；

As——吊桿截面積；

Es——吊桿材料彈性模量；

δi——第i根吊桿處架橋機彈性變形。

5 結果分析

5.1 應力結果

架橋機控制截面（中、后支腿處）桁架的應力實測結果及數值模擬結果匯總如表2所示。

如圖5、圖6所示，分別為架橋機后支腿、中支腿處桁架最大應力理論值與實測值對比圖。從對比結果可以看出，最大應力實測值整體略大于理論值，這可能是因為相比理想化模型，實際結構中難以避免存在初始缺陷，從而使得實測結果偏大。但不同位置最大應力理論值與實測值的變化規律一致，數值偏差在可接受范圍內，理論結果與實測結果擬合較好，數值模擬合理可信。且無論是理論值還是實測值，結果均遠小于結構材料Q460C屈服強度（460 MPa）。

5.2 變形結果

如表4所示，為架橋機跨中段第7～14號吊桿的吊點位置處彈性變形實測值與理論值匯總。從匯總結果可以看出，理論值與實測值偏差率最大≤4%，說明數值模擬結果與實測結果擬合較好。圖7所示為架橋機彈性變形曲線對比圖。從圖中可以看出，架橋機理論計算彈性變形規律與實測變形規律一致，說明數值模擬結果合理可信，能夠指導實際施工開展節段梁拼裝線形與架橋機變形協調控制。

5.3 變形協調

圖8所示為不同吊桿調節量計算結果。根據前文有限元模擬架橋機彈性變形結果，利用式（4）、式（5）計算吊桿長度調節量，進而通過調節吊桿長度來控制節段梁拼裝線形與架橋機變形協調。

6 結語

本文針對大重量箱梁節段拼裝線形與架橋機變形協調問題，利用荷載試驗與數值模擬相結合的方法展開研究，在保證數值模型可靠的前提下，根據數值模擬結果，利用理論計算公式得到吊桿調節量，從而對節段梁拼裝線形與架橋機變形協調進行控制，并得到以下結論：

（1）架橋機數值模擬應力結果與實測結果擬合較好，不同位置最大應力變化規律一致。

（2）架橋機最大應力結果≤100 MPa，遠小于材料Q460C屈服強度。

（3）架橋機彈性變形數值模擬結果與實測結果規律一致，最大偏差＜4%。

（4）根據數值模擬結果，通過理論計算公式能夠得到吊桿調節量來進行變形協調控制。

（5）本文所述節段箱梁拼裝線形與架橋機變形協調控制方法具有較強實用性。

參考文獻

［1］顧金權.高速鐵路架橋機過槽形梁架設施工技術［J］.施工技術，2017，46（5）：83-86.

［2］肖 沖.架橋機更換既有鐵路橋梁施工技術［J］.施工技術，2019，48（9）：114-116.

［3］張俊艷，代 宇，宋 飛.廣州地鐵高架橋用DP50/40型節段拼裝架橋機的研制與應用［J］.鐵道建筑技術，2018（10）：102-105.

［4］程 泳，陳士通，劉明偉，等.考慮支點高差的架橋機主梁結構損傷識別方法［J］.筑路機械與施工機械化，2017，34（8）：119-123.

［5］陳士通，程 泳，許宏偉，等.考慮作業工況的架橋機主梁損傷識別研究［J］.中國鐵道科學，2019，40（3）：44-53.

［6］任 才，吳東升.節段預制橋梁架橋機協作受力及吊桿拆除方法研究［J］.橋梁建設，2021，51（4）：66-72.

［7］余金江.48 m節段預制拼裝箱梁架橋機彈性恢復的病害防治［J］.鐵道建筑技術，2017（5）：49-52，56.

［8］張興偉，唐光啟.56 m簡支箱梁預制節段拼裝線形控制技術［J］.施工技術，2014，43（S1）：120-122.

［9］郭永成，張勝利.架橋機結構選型及主要結構計算與安全性分析［J］.建筑結構，2021，51（S1）：2 365-2 368.

［10］袁智杰，茅建校，王 浩，等.步履式架橋機靜動力性能測試與評估研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2023，44（3）：345-352.

［11］安志剛，梁志新，羅九林，等.高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機結構試驗研究［J］.鐵道建筑技術，2021（1）：46-48，77.

［12］JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗規程［S］.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：尹德龍（1987—），工程師，主要從事公路工程監理工作。