風荷載作用下架橋機的穩定性分析

摘要：依托工程案例，利用有限元軟件建立架橋機數值仿真模型，分析了在不同大小和方向風載作用下架橋機主梁的應力和應變特征，探究了影響架橋機穩定性的主要因素。結果表明，空載階段的架橋機變形最大位置為主梁最左端位置處；架橋機在各階段最大應力主要發生在中支腿位置處；X向風載是導致架橋機發生安全事故的主要原因；工作狀態下，架橋機應力數值由大到小依次為落梁階段、滿載階段和半載階段，而位移大小則恰恰相反。

關鍵詞：風荷載；架橋機；動態響應；數值模擬；位移；應力

0" "引言

隨著我國經濟的飛速發展，為滿足人民日益增長的需要，各大城市大力發展交通基礎設施，尤其是橋梁工程[1]。在橋梁施工過程中，架橋機等施工設備的安全保障首當其沖[2]。本文依托工程案例，通過有限元軟件建立了架橋機數值模型。根據架橋過程，分析了在工況下架橋機主梁的應力和應變情況，對影響架橋機穩定性的主要原因做了剖析。

1" "工程概況

本文依托廣清城際清遠站（不含）至省職教城站（含）段站前工程項目，該項目試驗路段的施工高度約為20m，地表粗糙度為0.15，主跨采用預制箱梁施工，共18孔32m雙線預制箱梁，采用900T型架橋機。

線路位于廣東省中北部，屬南亞熱帶季風氣候，熱量豐富，長夏無冬，雨量充沛，且易出現強風，工作狀態時架橋機風級為10級，非工作狀態工作最高11級。根據主要氣象要素表，獲取了離地高度10m和20m處的靜力風風速，如表1所示。

2" nbsp;架橋機有限元模型

2.1" "架橋流程分析

實際工作中，架橋機架橋流程如下：運梁車到架橋機尾部就位；1號吊梁車取梁，將梁吊起，并向前行駛；2號吊梁車取梁；兩輛吊梁車同時前移，到達落梁的指定位置；不斷調整量位置進行精確落位。

分析以上架梁過程，發現比較危險的情況主要有以下幾種：一是空載待機狀態維持時間較長；二是1號吊梁機已經取梁并向前行駛，2號吊梁車未取梁，此時架梁機處于半載狀態，受力不均衡；2號吊梁車取梁完畢，此時架梁機為滿載狀態，靜力負荷最大；箱梁就位，準備架梁，此時受風載影響較大。

2.2" "模型建立

利用有限元軟件建立簡化的架橋機三維數值模型，模型中材料為Q324鋼，并依據實際情況對模型施加了邊界約束。為了在保證計算精度的前提下兼顧到計算效率，網格劃分時對架橋機后支腿、中支腿等關鍵受力部位進行了局部加密，共劃分出43157個10節點的有限元網格。架橋機的有限元模型如圖1所示。

架橋機荷載主要包含兩部分：一部分為吊梁車自重；另一部分為工作荷載。參考相關規范，設定每輛吊梁車自重為65t，工作荷載設置為450t。

吊梁機共分為4種工況進行模擬，分別為空載狀態、半載狀態、剛取梁狀態和準備落梁狀態，其受力情況如表2所示。

3" "結果分析與討論

3.1" "靜力仿真計算

通常架橋機中支腿設計更為厚實，安全系數較高。后支腿為框架結構，在架橋過程中由于梁前移，導致其荷載進一步減小，因此其安全系數亦較高。相比較而言，前支腿在加量過程中負載較大，且其設計較為薄弱，因此與梁撓度控制均為架橋過程中易遭遇的難點問題。靜力模擬的計算結果如表3所示。

從表3可以看出，隨著架橋過程的推進，運梁車不斷前移，架橋機前支腿復合應力持續增大，甚至與整個架橋機應力最大值較為接近，可見其承受荷載之大。在空載階段，架橋機變形最大位置為主梁最左端位置處，而在其余階段，其變形最大位置逐漸過渡到主梁前端中央位置處。架橋機在各階段最大應力主要發生在中支腿位置處，但由于其設計較為厚實，因此安全系數仍能保持較高水平。

3.2" "主風向分析

模擬時加載分為3個階段：第一階段為靜力加載階段，即在0～10s內勻速施加靜載；第二階段為靜力持續階段，即在10～20s內保持靜力加載不變；第三階段為風荷載施加階段，即在20～100s內施加。

3.2.1" "主梁位移分析

圖2展示了在11級風力作用下不同風向的分量位移隨時間變化情況，并對X+風向下分量位移變化情況和Z+風向下分量位移變化情況進行了對比。

從圖2中可以看出，隨著時間的增加，Y方向和Z方向位移均呈現先增后穩的趨勢，在20s之后基本處于穩定狀態，基本未發生波動。X方向位移在20s之后呈現上線波動狀態，且波動幅度較大，最大可達到10mm左右。

由此可見，在X+風向條件下，由于架橋機本身阻尼的作用，使得橫向風荷載主要影響與風向垂直的截面使其發生強烈振動，而Y方向和Z方向基本未受到X+風載影響。在Z+風載作用下，Z方向發生強烈震動，其次，X方向也受到了一定影響，相比之下，Y方向基本未受影響。

3.2.2" "架橋機前支腿應力分析

圖3展示了架橋機前支腿最大應力變化曲線。

從圖3可以看出，在2種不同方向風力作用下，架橋機前支腿最大應力變化趨勢基本相同。相比較之下，在X+方向風載作用下產生的應力遠大于Z+方向，可見架橋機受橫向風力影響較大。造成這種現象主要是由于架橋機結構在X軸方向對各支腿的固定較少，因此X向風載是導致架橋機發生安全事故的主要原因。

3.3" "危險工況分析

3.3.1" "主梁X方向上的最大位移和應力變化情況

圖4展示了在10級風載作用下不同工況下架橋機主梁X方向上的最大位移和應力變化情況。工作狀態下荷載施加是在非工作狀態的基礎上，增加了100～200s范圍的X-向風載，其風載等級亦為10級。

3.3.2" "最大位移分析

從圖4的位移結果可以看出，工作狀態下，不同工況主梁X方向位移隨時間變化趨勢基本一致，在0～10s范圍內位移持續增加，在10～20s范圍內保持穩定，20s施加風載后出現振動。

各工況間對比，位移最大的為工況2即半載狀態，其次為工況3即取梁狀態，位移最小的為工況4，即落梁狀態。由于工況2時，前半段主梁的跨中位置達到了最大承載，因此造成了位移最大。風向轉變后，各工況下主梁X方向位移均出現一部分縮減，這是由于隨著風向的變化，導致其位移增量方向發生改變，由X-風向產生的位移對原本X+風向產生的位移進行了一部分抵消，因而表現出了風向轉變后架橋機主梁X軸位移發生突變。

3.3.3" "最大應力分析

從圖4的應力結果可以看出，隨著荷載的施加，各工況下應力隨時間發生變化，在0～10s內表現為急速增加，在10～20s范圍內表現為穩定狀態，而在20～220s范圍內則表現持續波動，不同工況下應力大小上存在差異，但變化趨勢相同。各工況間對比，應力數值由大到小依次為工況4、工況3和工況2。同位移變化趨勢相似，各工況應力在120s亦發生突減，但由于先施加X+方向的風載，導致其率先產生位移，以至于施加X-方向風載后應力數值有差異。

綜上分析，在風載作用下，架橋機主梁會發生強烈振動，應力和位移均不穩定，導致了架橋機整體的穩定性和前支腿強度的降低。

4" "結束語

本文以架橋機為研究對象，通過數值模擬手段，建立了架橋機有限元仿真模型。根據架橋過程，設置了架橋機4種不同工況，分析了不同工況下架橋機主梁的應力應變情況和影響架橋機穩定性的原因。得出主要結論如下：

在空載階段，架橋機變形最大位置為主梁最左端位置處，而在其余階段，其變形最大位置逐漸過渡到主梁前端中央位置處。架橋機在各階段最大應力主要發生在中支腿位置處，但由于其設計較為厚實，因此安全系數仍能保持較高水平。

在X+風向條件下，由于架橋機本身阻尼的作用，使得橫向風荷載主要影響與風向垂直的截面使其發生強烈振動，而Y方向和Z方向基本未受到X+風載影響。

由于架橋機結構在X軸方向對各支腿的固定較少，導致在X+方向風載作用下產生的位移遠大于Z+方向，X向風載是導致架橋機發生安全事故的主要原因。

工作狀態下，架橋機應力數值由大到小依次為落梁階段、滿載階段和半載階段，而位移大小則恰恰相反，架橋機主梁撓度最大的亦為半載階段。

參考文獻

[1] 張雙洋.深水大跨橋梁水中墩鎖口鋼管樁圍堰施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2021，345（12）：101-104+164.

[2] 朱明清，李冬冬，夏昊，等.架橋機安全監控系統研究[J].中國工程機械學報，2022，20（3）：251-256.