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(1. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

0 引言

隨著橋梁施工技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外鋼桁梁橋的主梁架設(shè)方法已逐漸成熟，主要有：鷹架法、懸臂施工法、頂推施工法、整孔架設(shè)法等，各施工方法需根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、水文地質(zhì)條件和設(shè)備裝配能力綜合確定[1-2]。懸臂架設(shè)法適用于各類大中跨度橋梁，其優(yōu)勢是所需專用輔助結(jié)構(gòu)和設(shè)備較少，適合在橋高、大跨和通航、水深流急的橋位進(jìn)行拼裝。架梁吊機(jī)則是懸臂拼裝鋼梁時(shí)常用的橋梁專用施工裝備，進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)通常將其支腿錨固在主梁上弦的節(jié)點(diǎn)板上，吊機(jī)沿上弦軌道縱向走行，一邊拼裝鋼梁桿件，一邊逐步向前推進(jìn)。因此，當(dāng)采用架梁吊機(jī)進(jìn)行鋼梁懸臂拼裝架設(shè)時(shí)，不僅要滿足懸臂端抗傾覆穩(wěn)定性要求，還要保證吊機(jī)走行時(shí)鋼梁各部位的受力安全。

目前，針對(duì)各類型中、大跨度橋梁施工過程中的線形控制、應(yīng)力監(jiān)測以及方案優(yōu)化等研究工作已經(jīng)有很多[3-6]，但是對(duì)于吊機(jī)懸拼走行時(shí)對(duì)鋼桁梁桿件局部受力行為的研究還比較少見，這將有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力超標(biāo)或失穩(wěn)[7-8]。以銀川機(jī)場黃河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)吊機(jī)走行時(shí)鋼梁弦桿和平聯(lián)接頭板的受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，以保證上平聯(lián)各分肢的載荷分配合理，鋼梁各關(guān)鍵部位的受力滿足施工要求。

1 工程概況

銀川機(jī)場黃河特大橋?yàn)樾陆ㄣy川至西安客運(yùn)專線的控制工程，全橋起點(diǎn)位于銀川市河?xùn)|機(jī)場，向西上跨黃河至銀川南部。主橋跨越黃河，位于9#～17#墩之間，橋跨布置為1聯(lián)96 m簡支鋼桁梁+2聯(lián)3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱+1聯(lián)96 m簡支鋼桁梁，橋跨布置如圖1所示。

主橋上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)鋼桁梁柔性拱，孔跨為(3×168)m，主桁寬13.8 m，高12.8 m。1聯(lián)鋼桁梁柔性拱共44個(gè)節(jié)間，其中兩邊跨各15個(gè)節(jié)間，中跨14個(gè)節(jié)間。拱圈矢高28 m，矢跨比1/4.71，拱圈總共34個(gè)節(jié)間，其中兩邊拱各12個(gè)節(jié)間，長度均為11 m，中拱10個(gè)節(jié)間，長度均為12 m。連續(xù)鋼桁柔性拱如圖2所示。

圖1 銀川機(jī)場黃河特大橋橋跨布置圖(單位：m)

圖2 3×168 m連續(xù)鋼桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

圖3 架拱吊機(jī)穿拱走行示意圖(單位：m)

銀川機(jī)場黃河特大橋鋼桁梁架設(shè)采用75 t架梁吊機(jī)由中跨向兩邊跨對(duì)稱懸臂拼裝，柔性拱架設(shè)采用40 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)，先架設(shè)中拱，后架設(shè)邊拱。架拱過程中需要穿越柔性拱，拱腳處2個(gè)節(jié)間的拱平聯(lián)不與拱同步安裝。吊機(jī)在拼裝柔性拱時(shí)，錨固在主梁上弦桿，主桁上弦桿剛度較大且柔性拱桿件較輕，此時(shí)吊裝桿件結(jié)構(gòu)是安全的。而當(dāng)?shù)鯔C(jī)穿拱走行時(shí)，吊臂放置于變幅角最小位置，如圖3所示，在上弦桿與平聯(lián)連接的節(jié)點(diǎn)部位設(shè)置墊板，吊機(jī)軌道放置在墊板上，由墊板向弦桿和平聯(lián)分肢傳遞荷載，由于上平聯(lián)的剛度較弱，該連接部位的受力直接影響鋼梁上弦和平聯(lián)接頭板的安全，因此有必要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。

2 計(jì)算模型

圖4 鋼桁梁上弦平聯(lián)模型

銀川黃河橋鋼桁梁每個(gè)節(jié)間上弦之間均設(shè)置平縱聯(lián)，上平聯(lián)與接頭板一端采用M30高強(qiáng)摩擦型螺栓連接，接頭板另一端與上弦桿焊接。穿拱吊機(jī)走行時(shí)荷載施加于平聯(lián)接頭板，該節(jié)點(diǎn)連接眾多桿件，為受力不利區(qū)域。選取鋼梁上弦和平聯(lián)連接的典型節(jié)點(diǎn)區(qū)域建立細(xì)部結(jié)構(gòu)模型，施加相應(yīng)的荷載和邊界條件，對(duì)該部位的受力狀況進(jìn)行評(píng)估。

2.1 有限元模型

基于ABAQUS軟件，建立上弦和平聯(lián)節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域的細(xì)部模型，結(jié)構(gòu)采用減縮積分通用殼單元S4R進(jìn)行模擬[9]，整體模型如圖4所示。墊板放置于接頭板之上，吊機(jī)荷載通過墊板向弦桿及各平聯(lián)分肢傳遞。設(shè)計(jì)兩種不同尺寸規(guī)格的墊板，一種墊板較短，尺寸為600 mm×240 mm×20 mm，縱向覆蓋中間平聯(lián)，橫向距離弦桿較遠(yuǎn)，模型1如圖5所示；另一種墊板較長，尺寸為1 600 mm×200 mm×20 mm，縱向覆蓋3個(gè)平聯(lián)分肢，且橫向距離弦桿較近，模型2如圖6所示。

圖5 模型1

圖6 模型2

2.2 載荷及邊界

圖7 模型施加的邊界條件

鋼梁主體結(jié)構(gòu)材料采用Q370qE，彈性模量E=210 GPa，由于板厚的影響，屈服強(qiáng)度σs=330 MPa，容許應(yīng)力[σ]=200 MPa。按照設(shè)計(jì)圖紙，分別對(duì)殼單元賦予不同的板厚屬性。吊機(jī)行走時(shí)，軌道單側(cè)支點(diǎn)反力為35 t，以面荷載的形式施加于墊板上。為了盡可能準(zhǔn)確地模擬荷載傳遞情況，墊板與節(jié)點(diǎn)板采用面對(duì)面接觸方式，有限滑移算法，接觸關(guān)系定義為只受壓不受拉，其中墊板為主面，接頭板為從面。為提高計(jì)算效率，沿橋梁縱向中心線建立一半模型，在對(duì)稱面施加關(guān)于Y平面的對(duì)稱約束，即UY=RX=RZ=0，弦桿兩端面施加固定約束，邊界如圖7所示。

3 結(jié)果分析

基于建立的鋼梁上弦及平聯(lián)連接部位的有限元模型，采用兩種墊板規(guī)格，即平聯(lián)單肢受力模型(模型1)和平聯(lián)多肢受力模型(模型2)，對(duì)吊機(jī)穿拱走行時(shí)平聯(lián)接頭板區(qū)域的受力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析討論。

3.1 平聯(lián)單肢受力

模型1的墊板縱向約覆蓋中平聯(lián)，橫向距離弦桿較遠(yuǎn)，吊機(jī)荷載主要由中平聯(lián)承擔(dān)，由圖8可知，當(dāng)中平聯(lián)單肢受力時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在接頭板與弦桿連接的中間區(qū)域，約268 MPa，雖然沒有超過材料的屈服應(yīng)力，但考慮到吊機(jī)走行時(shí)的不均勻受載，材料的應(yīng)力儲(chǔ)備是偏低的。圖9為平聯(lián)單肢受力時(shí)的豎向變形分布，平聯(lián)對(duì)稱面處的剛度最小，豎向位移最大值約50 mm。因此，當(dāng)?shù)鯔C(jī)荷載不均勻分布導(dǎo)致平聯(lián)單肢受力時(shí)，鋼梁上弦和平聯(lián)接頭的結(jié)構(gòu)受力不安全，存在施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 模型1Mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖9 模型1豎向變形(單位：m)

3.2 平聯(lián)多肢受力

模型2的墊板縱向覆蓋3個(gè)平聯(lián)，橫向約位于接頭板的中間，3個(gè)平聯(lián)分肢參與受力。由圖10可知，當(dāng)多肢受力時(shí)，接頭板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在接頭板中間區(qū)域，并向上弦桿擴(kuò)展，最大Mises應(yīng)力約112 MPa，低于材料的容許應(yīng)力200 MPa，應(yīng)力安全儲(chǔ)備較高。從圖11的豎向位移云圖可得到，最大位移同樣出現(xiàn)在平聯(lián)對(duì)稱面處，最大值約41 mm。因此，當(dāng)?shù)鯔C(jī)荷載分布較均勻，各平聯(lián)分肢均參與受力時(shí)，接頭部位的受力狀況較好且平聯(lián)變形也較小，吊機(jī)穿拱走行工況相對(duì)安全。

圖10 模型2Mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖11 模型2豎向變形(單位：m)

4 結(jié)論

基于ABAQUS軟件建立了吊機(jī)穿拱走行工況下，鋼梁上弦和平聯(lián)接頭連接區(qū)域的細(xì)部結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)兩種不同尺寸的墊板所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不同的受力模式進(jìn)行了對(duì)比研究，得到以下結(jié)論：當(dāng)不均勻受載引起平聯(lián)分肢單獨(dú)受力時(shí)，平聯(lián)接頭板連接部位的受力偏于危險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)整體變形較大，存在施工風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)各平聯(lián)分肢均參與受力時(shí)，節(jié)點(diǎn)連接部位的受力狀況良好，結(jié)構(gòu)整體變形小，施工相對(duì)安全。因此為了避免發(fā)生施工事故，應(yīng)該盡可能在吊機(jī)穿拱走行時(shí)避免接頭板不均勻受載，使得各平聯(lián)分肢均勻參與受力。

參 考 文 獻(xiàn)

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