謝瑾榮 周翠英 程 曄 杜左雷 莊毓瓊

（中山大學(xué)工學(xué)院，510275，廣州∥第一作者，碩士研究生）

架橋機(jī)在我國鐵路、公路以及城市道路等橋梁建設(shè)工程中已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用。對于大跨度鋼箱梁式架橋機(jī)，因其結(jié)構(gòu)以及施工階段的受力狀態(tài)的復(fù)雜性，局部區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中問題成為了此類架橋機(jī)的設(shè)計中須高度重視的問題。在工程中為了最大限度減輕架橋機(jī)自重，其鋼箱梁腹板板厚往往較薄而且截面尺寸較大，局部區(qū)域內(nèi)薄板可能產(chǎn)生屈曲，致使結(jié)構(gòu)在該區(qū)域的受力狀況嚴(yán)重惡化，甚至在很小的面外擾動下也會使整個結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此對于大跨度鋼箱梁式架橋機(jī)，還必須把結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制條件之一。

對于架橋機(jī)靜強(qiáng)度分析所常用的方法有解析法和有限元法。由于架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在采用解析法分析時，薄板結(jié)構(gòu)局部區(qū)域應(yīng)力、變形規(guī)律難以得到，且計算常忽略細(xì)部構(gòu)造帶來的影響，其分析結(jié)果不足以反映真實情況［1］。而有限元法計算結(jié)果不僅能反映整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形規(guī)律，其優(yōu)勢還在于能考慮多種作用的影響，能快速準(zhǔn)確地得出各施工工況下的架橋機(jī)靜強(qiáng)度分析結(jié)果［2］。對于架橋機(jī)穩(wěn)定性方面的研究常采用的方法有規(guī)范法、特征值屈曲分析法以及非線性屈曲分析法。其中規(guī)范法是指依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》以及《起重機(jī)設(shè)計手冊》等規(guī)范手冊對架橋機(jī)構(gòu)造尺寸進(jìn)行驗算，保證其滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求。采用該方法無法探求架橋機(jī)可能出現(xiàn)的失穩(wěn)形態(tài)，無法得到屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)［3］，往往不能滿足工程需要。而特征值屈曲分析法能夠得到結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)，但該方法基于初始有限變形及線彈性假設(shè)，不考慮結(jié)構(gòu)受載后的變形和幾何初始缺陷對平衡狀態(tài)的影響，只能用來預(yù)測一個理想線彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度，研究表明［4－5］，由于初始缺陷及非線性的影響很多復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)都不是在其理論彈性屈曲強(qiáng)度處發(fā)生屈曲，與其預(yù)測結(jié)果存在較大差異。非線性屈曲分析法比特征值屈曲分析法更精確，而且考慮了初始缺陷、材料塑性、大變形響應(yīng)等非線性特征［6－7］，另外通過弧長控制法還可以跟蹤結(jié)構(gòu)的后屈曲行為并確定其極限承載力，該方法的穩(wěn)定性分析結(jié)果更符合工程實際。

本文以西寶客運專線常興渭河特大橋TPZ／48鋼箱梁式架橋機(jī)施工工程為實例［8］，采用有限元分析法得到該型架橋機(jī)在各主要工況下的應(yīng)力分布與變形規(guī)律，并采用非線性屈曲分析法對該結(jié)構(gòu)的施工穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到了該結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)及失穩(wěn)模式，可為同類工程結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析提供參考依據(jù)。

1 工程概況

TPZ／48鋼箱梁式架橋機(jī)是武漢通聯(lián)路橋機(jī)械技術(shù)有限公司為西寶客運專線常興渭河特大橋引橋施工專門設(shè)計的架橋機(jī)。架橋機(jī)整體采用雙梁式結(jié)構(gòu)，主梁為鋼箱梁，單箱截面尺寸為1.8m×5.9m，鋼板厚10～25mm，主梁總長65.8m；導(dǎo)梁為桁架結(jié)構(gòu)，其中后導(dǎo)梁長為8m，前導(dǎo)梁總長30m。架橋機(jī)自重800t（包括支撐橫梁重100 t、天車重100t），所承受的施工荷載為1 600t。整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 架橋機(jī)整體示意圖

主要施工工況有：工況Ⅰ，澆注狀態(tài)，架橋機(jī)結(jié)構(gòu)全部由4個頂升油缸承載，4個油缸的相對位置為49.6m×12m，架橋機(jī)前部安裝2個導(dǎo)梁橫聯(lián)和一個主梁橫聯(lián)，尾部安裝2個橫聯(lián)；工況Ⅱ，最大前懸臂狀態(tài)，此時天車作為配重置于后部；工況Ⅲ，最大后懸臂狀態(tài)，此時天車作為配重置于前部；工況Ⅳ，縱向過孔狀態(tài)，按走行25m、35m、40m分別驗算。

2 有限元分析模型建立

本文采用ANSYS軟件，根據(jù)架橋機(jī)實際結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行整體建模。主梁采用shell43（塑性大應(yīng)變殼）單元模擬，其中絕大部分網(wǎng)格為形狀規(guī)則的4節(jié)點四邊形單元，局部使用了退化的4節(jié)點三角形過渡單元；導(dǎo)梁、橫聯(lián)采用beam188（梁）單元；導(dǎo)軌采用solid45（實體）單元。經(jīng)網(wǎng)格劃分，整個模型共有184266個單元，185250個節(jié)點（見圖2）。

圖2 架橋機(jī)有限元整體模型示意圖

鋼筋混凝土梁重以及天車重等效成面荷載施加在主梁上對應(yīng)區(qū)域。主梁與導(dǎo)梁、主梁與后橫聯(lián)間的錨固部位采用耦合邊界條件模擬。主梁及導(dǎo)梁支撐采用簡支邊界條件。架橋機(jī)材料采用理想彈塑性材料，主要參數(shù)見表1。

表1 架橋機(jī)主要材料參數(shù)表

3 架橋機(jī)靜強(qiáng)度分析

以工況Ⅰ為例，架橋機(jī)處于澆注施工狀態(tài)，等效應(yīng)力和位移的分布如圖3～圖8所示。

圖3 主梁Mises等效應(yīng)力

圖4 主梁腹板Mises等效應(yīng)力

圖5 錨固部位Mises等效應(yīng)力

圖6 后導(dǎo)梁Mises等效應(yīng)力

主梁部分最大Mises等效應(yīng)力值為271MPa，位于主梁前支座附近的底部小隔板上，該處受到附近支座約束作用的影響，加上承受豎直向下的拉力，使該處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中；應(yīng)力次大處發(fā)生在主梁支座靠近內(nèi)側(cè)的縱向肋板與支座底面的交界處，應(yīng)力達(dá)到226MPa，這是由于施工荷載的偏心作用引起；主梁內(nèi)外及上下側(cè)腹板最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁與后橫聯(lián)連接處，該處最大應(yīng)力達(dá)到173MPa，主梁跨中腹板最大應(yīng)力133MPa左右；主梁與導(dǎo)梁部分連接處最大應(yīng)力約181MPa。導(dǎo)梁部分Mises應(yīng)力最大值為105MPa，位于前導(dǎo)梁下弦桿根部；后導(dǎo)梁最大Mises應(yīng)力為25MPa，位于下弦桿根部。在導(dǎo)梁上下弦桿變截面附近，也存在應(yīng)力較大區(qū)域。后橫聯(lián)受壓，其最大應(yīng)力為18MPa。

圖7 前導(dǎo)梁Mises等效應(yīng)力

圖8 架橋機(jī)Y方向位移分布

圖8給出了架橋機(jī)在豎向（Y方向）的位移分布，整個結(jié)構(gòu)最大豎向位移為－24mm，發(fā)生在主梁中部；前導(dǎo)梁最末端最大豎向位移－5mm。

其他工況下靜強(qiáng)度分析結(jié)果見表2。

表2 架橋機(jī)各工況下靜強(qiáng)度分析結(jié)果

4 架橋機(jī)屈曲穩(wěn)定性能分析

本文在對架橋機(jī)屈曲穩(wěn)定性能研究時，按非線性屈曲問題考慮。在非線性屈曲分析中，將特征值屈曲的形狀特征矢量乘以一個比例系數(shù)賦予架橋機(jī)幾何模型，作為初始缺陷施加給架橋機(jī)結(jié)構(gòu)；為跟蹤結(jié)構(gòu)的后屈曲行為，對模型施加2倍以上的特征值屈曲荷載，并打開大位移效應(yīng)及應(yīng)力剛化效應(yīng)開關(guān)；加載方式采用位移控制的弧長法加載，按照B－R準(zhǔn)則［6］如果結(jié)構(gòu)在微小荷載增量下引起劇烈響應(yīng)變化，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)屈曲，可判斷結(jié)構(gòu)已進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。

受篇幅限制，本文僅列出工況Ⅲ（最大后懸臂狀態(tài)）下的分析結(jié)果。經(jīng)特征值屈曲分析，得知架橋機(jī)的特征值屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)為1.45，其屈曲失穩(wěn)模態(tài)如圖9所示，圖中反映出架橋機(jī)的失穩(wěn)發(fā)生在主梁跨中的底板及橫隔板處，屬于局部失穩(wěn)。經(jīng)過非線性屈曲分析，提取出架橋機(jī)結(jié)構(gòu)扭曲變形處位移最大的節(jié)點作為失穩(wěn)特征點，該點位于架橋機(jī)跨中底板處，與特征值屈曲失穩(wěn)發(fā)生位置相同。繪制該特征點的荷載－位移歷程曲線如圖10所示，從圖中可看出，當(dāng)自重荷載施加至2.51倍時，特征點處的荷載－位移曲線已出現(xiàn)水平段，根據(jù)B－R準(zhǔn)則［6］，此時架橋機(jī)結(jié)構(gòu)已發(fā)生屈曲失穩(wěn)。因此得到架橋機(jī)在最大后懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.51，比特征值屈曲分析所得到的穩(wěn)定安全系數(shù)提高了將近70%。架橋機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生非線性屈曲失穩(wěn)時的及跨中的頂板、底板、內(nèi)外腹板處的應(yīng)力云圖見圖11。

圖9 架橋機(jī)特征值屈曲失穩(wěn)模態(tài)

圖10 架橋機(jī)失穩(wěn)處特征點的荷載－位移曲線

圖11 架橋機(jī)在極限荷載的Mise等效應(yīng)力圖

5 加固建議

結(jié)合靜強(qiáng)度及屈曲穩(wěn)定性分析的結(jié)果，對TPZ／48架橋機(jī)提出以下加固建議：

（1）澆注狀態(tài)下支座內(nèi)側(cè)肋板根部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可適當(dāng)增加支座肋板的厚度；主梁隔板與相鄰腹板之間應(yīng)確保焊接質(zhì)量，尤其是隔板左右底角處，因為架橋機(jī)縱移過程中的支撐反力使得隔板底角處產(chǎn)生顯著應(yīng)力集中，此時隔板底角處與腹板之間的焊縫易被拉裂。

（2）主梁與導(dǎo)梁聯(lián)接處也是薄弱部位之一，計算顯示此處應(yīng)力較大（最大266MPa），建議增大導(dǎo)梁在主梁上的錨固面積，也可增加主梁聯(lián)接處的腹板厚度。

（3）架橋機(jī)失穩(wěn)發(fā)生在支座處以及跨中的底板、橫隔板、腹板等處，其穩(wěn)定性受這些部位所控制，實際施工中宜增強(qiáng)局部剛度，加焊面外鋼板，提高穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

架橋機(jī)因其結(jié)構(gòu)以及施工階段的受力狀態(tài)的復(fù)雜性，局部區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中問題成為了架橋機(jī)設(shè)計中須高度重視的問題；在工程中為了最大限度減輕架橋機(jī)自重，其主體結(jié)構(gòu)通常采用鋼箱梁式設(shè)計，而鋼箱梁腹板板厚往往較薄而且截面尺寸較大，這又給架橋機(jī)的實際應(yīng)用帶來了屈曲穩(wěn)定問題。

計算分析結(jié)果表明，有限元法可同時考慮多種因素的影響，能準(zhǔn)確直觀地反映出架橋機(jī)在各施工階段下的應(yīng)力狀態(tài)及其變形規(guī)律，與傳統(tǒng)的解析法相比更能滿足工程需要。非線性屈曲分析考慮了初始缺陷、材料塑性、大變形響應(yīng)等非線性特征，通過弧長控制法還可以跟蹤結(jié)構(gòu)的后屈曲行為，其分析結(jié)果更符合工程實際。另外，從工程實例還可看出，對于一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體而言，結(jié)構(gòu)體局部發(fā)生了屈曲后荷載將會發(fā)生轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)還可繼續(xù)承載。

［1］GB／T 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］狄謹(jǐn)，陳愛萍，戴鵬.滑動模架在連續(xù)梁橋施工中的有限元分析［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，5（26）：48.

［3］范冬萍.JQ170架橋機(jī)總體穩(wěn)定性分析［J］.山西建筑，2008，11（32）：340.

［4］張啟貴.架橋機(jī)箱型梁機(jī)臂屈曲穩(wěn)定性分析［J］.建筑機(jī)械，2006（3）：87.

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