李永樂，楊 懌，陳 杰，蔡劍濤，劉耀強(qiáng)

(1.西南交通大學(xué) 橋梁工程系，成都 610031;2.中鐵一局 新運(yùn)工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

蘭新鐵路第二雙線是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。由于該線所處地理位置特殊，有長達(dá)近60%的線路需要穿越新疆著名的煙墩、百里、三十里和達(dá)坂城四大風(fēng)區(qū)，大風(fēng)區(qū)內(nèi)自然條件極其惡劣，是我國乃至世界鐵路風(fēng)沙災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。其中的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)是目前世界內(nèi)陸鐵路所經(jīng)過的大風(fēng)風(fēng)速最高的地區(qū)之一［1-4］。沿線地區(qū)的風(fēng)環(huán)境具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、變化速度快等顯著特點(diǎn)，部分地區(qū)年大風(fēng)天數(shù)超過200 d。蘭新鐵路工期緊，不可避免地要進(jìn)行有風(fēng)情況下的提、運(yùn)、架梁作業(yè)。

提梁機(jī)如果遭受如此大風(fēng)侵襲而又無必要的防風(fēng)措施，不僅會對提梁機(jī)本身造成損害，帶來施工安全隱患，同時(shí)也可能延長工期而造成巨大的浪費(fèi)，大風(fēng)已成為影響機(jī)具安全與整體施工進(jìn)度的控制因素。而國內(nèi)外對于橋梁施工抗風(fēng)研究大多針對橋梁主體結(jié)構(gòu)本身［5－7］，對提梁機(jī)這類施工機(jī)具抗風(fēng)性能的研究未見報(bào)道。因此，為確保提梁機(jī)的施工安全，對其整體抗風(fēng)穩(wěn)定性能進(jìn)行研究十分必要。

本文以TLJ450/36型門式雙主梁提梁機(jī)為對象，采用有限元方法分析了提梁機(jī)的抗滑移性能、抗傾覆性能以及被吊梁段的位移情況，明確了風(fēng)速儀的安裝位置，提出了實(shí)用的防風(fēng)措施。

1 分析方法

TLJ450/36型提梁機(jī)為門式雙主梁兩支腿結(jié)構(gòu)，適用于鐵路客運(yùn)專線32 m，24 m，20 m整孔雙線箱梁的起吊、轉(zhuǎn)移等工作。提梁機(jī)由主梁、剛性支腿、柔性支腿、大車走行機(jī)構(gòu)、起重小車、電氣系統(tǒng)等組成(如圖1)。

圖1 提梁機(jī)結(jié)構(gòu)示意

在強(qiáng)風(fēng)荷載的作用下，提梁機(jī)易發(fā)生整體滑移和傾覆現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件的損壞較少，故在計(jì)算中，忽略結(jié)構(gòu)自身彈性變形，僅計(jì)入構(gòu)件自重與風(fēng)荷載的作用。將各受力構(gòu)件視為抗彎剛度相同的桿件，采用梁單元模擬。靜力風(fēng)荷載以線性荷載的方式施加到提梁機(jī)的主要迎風(fēng)構(gòu)件(如提梁機(jī)支腿、主梁走臺)及混凝土梁梁段上，同時(shí)考慮迎風(fēng)側(cè)桿件對背風(fēng)側(cè)桿件的遮擋效應(yīng)。施加風(fēng)荷載時(shí)，對背風(fēng)側(cè)桿件的阻力系數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼蹨p。其它構(gòu)件(如起重小車、控制系統(tǒng)等)采用質(zhì)量單元模擬其自重，器械與地面接觸點(diǎn)采用鉸接約束模擬。提梁機(jī)計(jì)算模型如圖2所示，圖中AD(或BC)方向?yàn)樘崃簷C(jī)走行方向。

圖2 提梁機(jī)有限元模型

提梁機(jī)的計(jì)算風(fēng)速取地面以上10 m高度處的風(fēng)速，考慮0～50 m/s的風(fēng)速變化范圍，同時(shí)考慮風(fēng)速沿豎直高度方向的分布，按下列公式計(jì)算

式中，Vz2為地面以上高度Z2處的風(fēng)速(m/s);Vz1為地面以上高度Z1處(Z1=10)的風(fēng)速(m/s);α為地表粗糙度系數(shù)。

風(fēng)的靜力作用按照靜陣風(fēng)荷載計(jì)算，對提梁機(jī)構(gòu)件僅考慮風(fēng)的阻力作用，對混凝土梁段考慮阻力和升力的共同作用。風(fēng)的靜力荷載按照下式計(jì)算

式中，F(xiàn)H、FV分別為單位長度構(gòu)件的靜風(fēng)阻力和升力;ρ為空氣密度;Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速;CH、CV分別為各構(gòu)件截面的阻力系數(shù)與升力系數(shù);D、B分別為各構(gòu)件截面的高度與寬度［8-10］。

2 抗風(fēng)性能分析

針對提梁機(jī)可能出現(xiàn)的最不利情況，分別計(jì)算分析了提梁機(jī)空載狀態(tài)、提梁工作狀態(tài)、提梁防風(fēng)狀態(tài)等不同工作狀況下的抗風(fēng)性能。其中，空載狀態(tài)和提梁防風(fēng)狀態(tài)時(shí)考慮沿提梁機(jī)走行方向的風(fēng)荷載的作用，考察結(jié)構(gòu)的水平抗滑移和抗傾覆性能。提梁工作狀態(tài)時(shí)，考慮垂直于提梁機(jī)走行方向的風(fēng)荷載的作用，考察結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能和混凝土梁段在風(fēng)載作用下的位移，位移大小可反映風(fēng)對施工的影響。

2.1 抗滑移性能

通過計(jì)算結(jié)構(gòu)順風(fēng)向約束反力來分析提梁機(jī)的水平抗滑移性能，計(jì)算中最不利風(fēng)向?yàn)檠靥崃簷C(jī)走行方向。計(jì)算結(jié)果表明，提梁機(jī)處于空載或提梁防風(fēng)狀態(tài)，風(fēng)荷載沿提梁機(jī)走行方向情況下，其順風(fēng)側(cè)支點(diǎn)的約束反力值均隨著風(fēng)速增大而逐漸增大，且背風(fēng)側(cè)支點(diǎn)的反力值大于迎風(fēng)側(cè)(如圖3所示)。支點(diǎn) A，B，C，D的位置如提梁機(jī)模型圖(圖2)所示。

圖3 空載狀態(tài)順風(fēng)向約束反力

要保證提梁機(jī)不發(fā)生整體滑移，需要提供的制動力合力亦隨風(fēng)速增大逐漸增大，且提梁機(jī)沿走行方向的制動力合力大小與提梁機(jī)是否提梁無關(guān)，不同風(fēng)速下所需要提供的制動力合力大小見表1。

表1 提梁機(jī)抗滑移所需提供的制動力合力

2.2 抗傾覆性能

通過計(jì)算結(jié)構(gòu)各支點(diǎn)的豎向約束反力來分析提梁機(jī)的抗傾覆性能。以豎直向上為正，若某支點(diǎn)豎向反力值為負(fù)值，則該支點(diǎn)處脫離地面支撐。當(dāng)迎風(fēng)側(cè)支點(diǎn)豎向反力值均為負(fù)值時(shí)，提梁機(jī)將發(fā)生整體傾覆。

計(jì)算結(jié)果表明，提梁機(jī)的背風(fēng)側(cè)豎向約束反力隨著風(fēng)速增加逐漸增大，而迎風(fēng)側(cè)反力隨著風(fēng)速增加逐漸減小。

空載狀態(tài)時(shí)，最不利風(fēng)向?yàn)檠靥崃簷C(jī)走行方向。提梁機(jī)各支點(diǎn)豎向反力隨風(fēng)速變化如圖4所示，由圖4可知，當(dāng)風(fēng)速增加至35 m/s左右時(shí)，迎風(fēng)側(cè)支點(diǎn) A豎向反力出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)風(fēng)速增加至40 m/s時(shí)，迎風(fēng)側(cè)支點(diǎn)B豎向反力也出現(xiàn)負(fù)值，提梁機(jī)將發(fā)生傾覆，需要采取必要的防風(fēng)措施才能保證提梁機(jī)安全。

圖4 空載狀態(tài)各支點(diǎn)豎向反力

提梁工作狀態(tài)時(shí)，最不利風(fēng)向?yàn)榇怪庇谔崃簷C(jī)走行方向。隨著混凝土梁段被提升高度的增加，提梁機(jī)背風(fēng)側(cè)支點(diǎn)豎向反力值逐漸減小，迎風(fēng)側(cè)支點(diǎn)豎向約束反力略有增大，而豎向反力合力值隨著提升高度的增大而減小。梁段提升至額定起升高度(28.5 m)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)支點(diǎn)豎向反力值均隨風(fēng)速的增大而減小，但在0～50 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，其豎向反力值均為正(如圖5所示)，即提梁機(jī)提梁工作狀態(tài)不會發(fā)生垂直于提梁機(jī)走行方向的傾覆。

吊梁防風(fēng)狀態(tài)，即提梁機(jī)處于非工作狀態(tài)時(shí)，將起重小車吊住混凝土梁段，使鋼絲繩處于繃緊而梁段未被吊起，最不利風(fēng)向?yàn)檠靥崃簷C(jī)走行方向。起重小車分別承受1 000 kN，2 000 kN力時(shí)各支點(diǎn)豎向反力值如圖6和圖7所示。承受全部梁重時(shí)，起重小車分別位于提梁機(jī)橫梁中間位置和靠近支腿位置時(shí)各支點(diǎn)豎向反力值如圖8和圖9所示。

由圖6和圖7可知，提梁防風(fēng)狀態(tài)，提梁機(jī)豎向支點(diǎn)反力值隨風(fēng)速變化規(guī)律同空載狀態(tài)一致。

隨著起重小車?yán)Φ闹饾u增大，迎風(fēng)側(cè)支點(diǎn)豎向反力出現(xiàn)負(fù)值時(shí)所對應(yīng)的風(fēng)速值也逐漸增大，即相應(yīng)的安全性越高。承受1 000 kN力的情況下風(fēng)速達(dá)37 m/s時(shí)支點(diǎn)A反力為負(fù)值，承受2 000 kN的力情況下風(fēng)速達(dá)39 m/s時(shí)支點(diǎn)A反力為負(fù)值。

由圖8和圖9可知，起重小車承受全部梁重時(shí)，小車位于橫梁中間位置比起重小車靠近支腿位置處迎風(fēng)側(cè)支點(diǎn)豎向反力出現(xiàn)負(fù)值時(shí)所對應(yīng)的風(fēng)速值大，即起重小車位于橫梁中間位置處時(shí)提梁機(jī)更安全。

2.3 混凝土梁段位移

提梁工作狀態(tài)，混凝土梁段提升至不同高度時(shí)順風(fēng)向位移如圖10所示。由圖10可知，隨著混凝土梁段提升高度的增加，梁段的順風(fēng)向位移逐漸減小，21 m/s風(fēng)速時(shí)，梁段最大順風(fēng)向位移約為4 cm。

圖8 起重小車位于橫梁中間位置時(shí)各支點(diǎn)豎向反力

圖9 起重小車靠近支腿位置時(shí)各支點(diǎn)豎向反力

3 風(fēng)速儀安裝位置

提梁機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性能是隨著風(fēng)速而變化的，而風(fēng)速又沿高度有變化。要明確提梁機(jī)所在位置處的風(fēng)速變化情況，可通過安裝風(fēng)速儀實(shí)時(shí)監(jiān)控。

由于提梁機(jī)計(jì)算風(fēng)速為離地面高度10 m處的風(fēng)速，故風(fēng)速儀應(yīng)安裝在相應(yīng)高度處。但為了消除提梁機(jī)自身構(gòu)件對風(fēng)場環(huán)境的影響，可在距離提梁機(jī)一定距離，地表相對平坦，且周邊無其它高大結(jié)構(gòu)物的位置處單獨(dú)安裝風(fēng)速儀。風(fēng)速儀高度為離地10 m，測試風(fēng)速應(yīng)為10 min平均風(fēng)速。

4 防風(fēng)措施

為了確保提梁機(jī)在強(qiáng)風(fēng)作用下的的安全性，還需要采取必要的防風(fēng)措施對其進(jìn)行加固。

前述計(jì)算分析表明，起重小車位于提梁機(jī)橫梁中間位置時(shí)效果更好，停止施工作業(yè)時(shí)可采取吊梁狀態(tài)以增加抗風(fēng)穩(wěn)定性，吊繩內(nèi)力不宜過小。

此外，提梁機(jī)空載狀態(tài)時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，提梁機(jī)有傾覆的可能性，可在提梁機(jī)設(shè)置抗拉設(shè)備以防止其被吹翻?？刹捎脤⒋筌囎咝休喗M用夾軌器與軌道連接，或在提梁機(jī)兩側(cè)設(shè)置拉桿等防風(fēng)措施。

5 結(jié)論

1)提梁機(jī)空載狀態(tài)時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，要保證提梁機(jī)不產(chǎn)生沿走行方向的滑移，所需要提供的制動力合力逐漸增大。當(dāng)風(fēng)速為35 m/s時(shí)，迎風(fēng)側(cè)一支點(diǎn)豎向反力出現(xiàn)負(fù)值。

2)提梁工作狀態(tài)時(shí)，垂直于提梁機(jī)走行方向的抗傾覆穩(wěn)定性較好。當(dāng)風(fēng)速為21 m/s時(shí)，混凝土梁段在風(fēng)荷載作用下的順風(fēng)向位移約為4 cm。

3)提梁機(jī)吊梁防風(fēng)狀態(tài)時(shí)，隨著起重小車張拉力的逐漸增大，提梁機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性逐漸提高，起重小車置于提梁機(jī)中間位置時(shí)具有更好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

4)風(fēng)速儀應(yīng)在距離提梁機(jī)一定距離，地表相對平坦，且周邊無其它高大結(jié)構(gòu)物的位置處單獨(dú)安裝。風(fēng)速儀高度為離地10 m，測試風(fēng)速為10 min平均風(fēng)速。

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