胡學(xué)軍，張啟貴

（中國(guó)中鐵科工集團(tuán)，武漢 430066）

1 引言

目前國(guó)內(nèi)普速鐵路T 型混凝土預(yù)制梁架設(shè)大量使用JQ165 架橋機(jī)，該架橋機(jī)額定起重量為165t，隨著我國(guó)時(shí)速200km的客貨共線鐵路的設(shè)計(jì)、建設(shè)，T 型混凝土預(yù)制梁重量增大，梁片結(jié)構(gòu)改變，研制適應(yīng)于客貨共線鐵路T型混凝土預(yù)制梁架設(shè)的設(shè)備迫在眉睫。JQ190 型架橋機(jī)是為新建時(shí)速200km 客貨共線鐵路T 型混凝土預(yù)制梁架設(shè)而設(shè)計(jì)的施工設(shè)備，該架橋機(jī)額定起重量為190t，滿(mǎn)足16m、20m、24m、32m 單線/雙線鐵路T 型梁架設(shè)要求，可以方便地進(jìn)行曲線架梁、變跨架梁和首、末跨架梁，能夠滿(mǎn)足隧道口架梁，該架橋機(jī)采用步履過(guò)孔、尾部喂梁、同步拖拉取梁、簡(jiǎn)支架梁和一次落梁施工工藝，滿(mǎn)足一孔四片梁施工時(shí)機(jī)上空中橫向移梁要求，整機(jī)解體后滿(mǎn)足公路運(yùn)輸要求。本文根據(jù)T 型梁施工工藝提出計(jì)算工況，應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)有限元分析程序SuperSAP 對(duì)各種工況進(jìn)行了力學(xué)分析，其分析結(jié)果對(duì)該機(jī)的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。目前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)JQ190 型架橋機(jī)已在國(guó)家規(guī)劃的大能力運(yùn)煤通道建設(shè)項(xiàng)目-山西中南部鐵路通道項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)T 梁架設(shè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足施工要求。

2 架橋機(jī)力學(xué)模型建立

2.1 架橋機(jī)基本結(jié)構(gòu)

JQ190 型架橋機(jī)主要由以下幾部分組成：機(jī)臂、零號(hào)柱、一號(hào)柱、二號(hào)柱、三號(hào)柱、前、后吊梁小車(chē)，結(jié)構(gòu)如圖1。機(jī)臂為為架橋機(jī)承載主梁，單箱形梁結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)56.1m。梁高1480mm，寬1220mm，機(jī)臂分四節(jié)段，符合公路運(yùn)輸要求，各節(jié)段間采用銷(xiāo)連接。各立柱均為箱形結(jié)構(gòu)，采用油缸升降。零號(hào)柱、三號(hào)柱與機(jī)臂采用鉸接連接，一號(hào)柱、二號(hào)柱通過(guò)帽梁與機(jī)臂連接。

圖1

2.2 有限元模型

該架橋機(jī)主體結(jié)構(gòu)機(jī)臂和立柱均采用箱型梁結(jié)構(gòu)，各部件采用不同厚度的Q345C 鋼板焊接而成，有限元模型采用板單元建模比較合適，同時(shí)，由于所選用的板厚均較薄，薄板屈曲問(wèn)題尤顯突出，采用板單元可對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部屈曲穩(wěn)定性分析。各立柱與機(jī)臂間采用等效剛度的虛擬單元模擬鉸接，在引入虛擬單元時(shí)，要注意其質(zhì)量和剛度的等效替換。虛擬單元計(jì)算結(jié)果并不重要，重要的是它能否保證各構(gòu)件的相對(duì)位置尺寸，保證力和彎矩的正確傳遞，只有這樣才可以保證主要部件應(yīng)力、變形計(jì)算的準(zhǔn)確。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)實(shí)際架梁過(guò)程對(duì)以下工況進(jìn)行計(jì)算。工況一：前吊梁小車(chē)于二號(hào)柱尾部取梁，將梁片吊起。工況二：前吊梁小車(chē)拖拉梁片至一號(hào)柱和二號(hào)柱跨中。工況三：后吊梁小車(chē)于二號(hào)柱尾部取梁，將梁片吊起。工況四：前、后吊梁小車(chē)落梁對(duì)位（載荷無(wú)橫向偏載）。工況五：前、后吊梁小車(chē)落梁對(duì)位（載荷橫向偏載0.9m）。工況六：機(jī)臂縱移過(guò)孔到位。工況七：一號(hào)柱提起縱移，過(guò)孔到位。工況八：二號(hào)柱提起縱移至一號(hào)柱和三號(hào)柱跨中。

3 靜力學(xué)分析

根據(jù)以上有限元模型對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算靜力學(xué)分析，其應(yīng)力分布如圖2 所示，其中最大應(yīng)力為226MPa，出現(xiàn)在工況七，即機(jī)臂縱移過(guò)孔到位工況，位置為機(jī)臂下蓋板靠近二號(hào)柱處。工況五，即前、后吊梁小車(chē)落梁對(duì)位（載荷橫向偏載0.9m）時(shí)，機(jī)臂下?lián)?9mm。工況七，即機(jī)臂縱移過(guò)孔到位時(shí)，機(jī)臂實(shí)際下?lián)?48mm，凈位移116mm。

圖2

4 總體屈曲穩(wěn)定性分析

由于該架橋機(jī)主體結(jié)構(gòu)均為薄板焊接件，且零立柱、一號(hào)柱為受壓細(xì)長(zhǎng)桿件，因此必須對(duì)該架橋機(jī)進(jìn)行整體穩(wěn)定性和局部屈曲穩(wěn)定性分析，總體結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性計(jì)算使邊界條件處理比較簡(jiǎn)單，模型無(wú)需做過(guò)多的簡(jiǎn)化，是尋找整體結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的重要手段。傳統(tǒng)的計(jì)算方法是將主梁取一段進(jìn)行有限元分析，但邊界條件很難給出，模型需作大量簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)，約束邊界遠(yuǎn)離壓應(yīng)力較大處，且約束邊界可用等剛度的虛擬單元模擬，這樣可避免得不到關(guān)注部位的屈曲臨界載荷乘子。使用Super SAP屈曲模塊對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總體屈曲穩(wěn)定性分析，零號(hào)柱在工況七時(shí)受力狀況最?lèi)毫?，一?hào)柱在工況五時(shí)受力狀況最?lèi)毫?。分別對(duì)以上二種工況進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。工況五：前、后吊梁小車(chē)落梁對(duì)位（載荷橫向偏載0.9m）時(shí)，曲屈發(fā)生在機(jī)臂腹板，為腹板局部失穩(wěn)，屈曲載荷乘子為5.1，此工況單側(cè)機(jī)臂耳梁受壓，腹板由于彎矩產(chǎn)生的壓應(yīng)力很大，且腹板為薄板，容易發(fā)生局部失穩(wěn)。工況七：一號(hào)柱提起縱移過(guò)孔到位時(shí)，曲屈發(fā)生在零號(hào)柱，為零號(hào)柱整體失穩(wěn)，屈曲載荷因子為8.8，零號(hào)柱截面尺寸相對(duì)長(zhǎng)度尺寸要小得多，為細(xì)長(zhǎng)受壓桿件，易發(fā)生整體失穩(wěn)。

圖3

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)各工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，最大應(yīng)力為226MPa，出現(xiàn)在工況七：機(jī)臂縱移過(guò)孔到位。位置為機(jī)臂下蓋板靠近二號(hào)柱處，雖在工況五時(shí)，一號(hào)柱帽梁出現(xiàn)超過(guò)240MPa的點(diǎn)，但這是由于帽梁與機(jī)臂間的約束引起的應(yīng)力集中，可不予考慮，所以總體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力未超過(guò)240MPa，未出現(xiàn)大面積超過(guò)200MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（2）跨中工況（工況二：前吊梁小車(chē)至一、二號(hào)柱跨中時(shí)），凈位移89mm，根據(jù)文獻(xiàn)［4］，架橋機(jī)工作時(shí)主梁靜撓度f(wàn)＜l/400，該架橋機(jī)許用位移93.45mm，故該架橋機(jī)機(jī)臂剛度符合要求。

（3）懸臂工況（工況六：機(jī)臂縱移過(guò)孔到位）。其實(shí)際最大位移為548mm，此時(shí)應(yīng)校核零號(hào)柱是否可上墩臺(tái)，凈位移116mm，根據(jù)文獻(xiàn)［5］中附錄C 規(guī)定架橋機(jī)過(guò)孔時(shí)，懸臂下?lián)喜淮笥赟/100，該架橋機(jī)過(guò)孔時(shí)，懸臂允許下?lián)?60mm，故懸臂過(guò)孔滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（4）二號(hào)柱提起至一、三號(hào)柱跨中時(shí)，主梁中部實(shí)際位移達(dá)369.4mm，此時(shí)應(yīng)校對(duì)2 號(hào)柱能否提起縱移。

（5）分別對(duì)工況五，前、后吊梁小車(chē)落梁對(duì)位（載荷橫向偏載0.9m），工況七，一號(hào)柱提起縱移過(guò)孔到位時(shí)進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，其屈曲臨界載荷因子分別為5.1 和8.8，對(duì)Q345C 鋼板焊接成的受壓構(gòu)件，穩(wěn)定系數(shù)一般取1.8～3，計(jì)算表明該架橋機(jī)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。

［1］陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［2］龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］王金諾，于蘭峰.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

［4］GB/T26470-2011，架橋機(jī)通用技術(shù)條件［S］.

［5］TSG Q7002-2007，特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范［S］.