趙 健 趙多蒼 安路明 樊立龍 李志輝

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 引言

隨著科技不斷發(fā)展，新工藝、新材料、新設備、新技術的出現(xiàn)加快了橋梁建造技術的發(fā)展速度。采用大型裝備修建橋梁已是目前發(fā)達國家常用的方法，該方法符合橋梁智能建造技術的發(fā)展趨勢，同時也代表了一個國家的綜合國力。因此，“造橋機”也成為工程界倍受歡迎的裝備之一［1］，也被稱為移動支架系統(tǒng)（Movable Scaffolding System），尤其是對于預應力混凝土梁施工具有很大優(yōu)勢［2-3］。造橋機因其具有機械化程度高、施工速度快、施工方法便捷、經濟效益高等特點在橋梁工程界得到廣泛應用［4-5］。

平潭海峽公鐵兩用大橋是我國第一座公鐵兩用跨海大橋［6］。大橋引橋采用造橋機節(jié)段拼裝施工方法［7］。為解決單孔造橋機作業(yè)時間長、成橋速度慢、海上高空作業(yè)風險大等問題，中國鐵建大橋工程局集團有限公司針對平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路預應力混凝土簡支梁的施工需求，配套研制了SPZ2700×2/64型雙孔連做節(jié)段拼裝造橋機。

本文以平潭海峽公鐵兩用大橋SPZ2700×2/64型雙孔連做造橋機為研究背景，采用數(shù)值模擬方法計算分析四種典型工況［8-9］，包括架梁施工階段、最大懸臂階段、過孔階段以及13級臺風作用下的造橋機空間力學行為，研究造橋機應力狀態(tài)、穩(wěn)定性系數(shù)及位移的變化趨勢，為雙孔連做造橋機的設計與施工過程控制提供理論支撐。

2 雙孔連做造橋機結構概況

雙孔連做造橋機采用下承式桁架結構，由主桁、下托梁、托輪等系統(tǒng)組成。主桁頂部設置提梁門吊，主桁下部設置前、中、后臨時支腿用于造橋機過孔及體系轉換。操作系統(tǒng)主要包括液壓和電氣控制系統(tǒng)等組成。造橋機主桁采用雙跨64 m結構布置，主桁布置在橋跨兩側，過孔時造橋機采用連續(xù)梁結構體系，施工時轉換為簡支梁結構體系。下托梁系統(tǒng)用于拼裝箱梁節(jié)段，箱梁節(jié)段的擺放、調整通過主桁上部提梁龍門吊實現(xiàn)［10］。SPZ2700×2/64型雙孔連做造橋機結構如圖1所示，主桁上下弦桿件截面如圖2所示。

圖1 雙孔連做造橋機結構（單位：mm）

圖2 主桁上下弦桿件截面構造（單位：mm）

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

采用Midas Civil 2017有限元分析軟件建立雙孔連做造橋機機體空間模型。雙孔連做造橋機采用桿系單元建立，模型總共由4 180個單元、1 684個節(jié)點組成。結構材料主要分為兩種鋼材型號：主桁結構與下托梁結構全部采用Q420鋼材，橫向連接結構采用Q345鋼材。鋼材彈性模量選取2.06×105MPa，泊松比為0.3。有限元模型如圖3所示。

為了真實模擬造橋機力學行為，在不影響計算精度的基礎上，加快計算分析運算收斂速度。建模遵循以下原則：（1）計算假定主桁各桿件之間焊接及螺栓連接可靠，結合部位采用共節(jié)點剛性連接，焊接點與結構桿件的材料特性各向均質。（2）提梁門吊結構從受力角度出發(fā)考慮結構自重和箱梁荷載傳遞至主桁上弦桿件，簡化為作用在造橋機結構上的豎向力。

圖3 雙孔連做造橋機空間有限元模型

3.2 計算工況

根據雙孔連做造橋機施工過程，選取四種典型施工階段進行分析。工況1為架梁施工階段，下托梁滿布64 m箱梁節(jié)段，門吊位于主桁跨中位置；工況2為最大懸臂階段，下托梁打開，前、中臨時支腿支撐，后支腿收起，門吊位于上弦桿前端；工況3為過孔階段，前、中臨時支腿支撐在造橋機主桁跨中位置；工況4為停機抗風階段，下托梁滿布64 m箱梁節(jié)段，停止施工。工況1與工況4計算荷載包括機體自重、箱梁自重、門吊自重與橫風作用；工況2與工況3計算荷載包括機體自重、門吊自重與橫風作用。

3.3 邊界條件

按照雙孔連做造橋機典型施工工況設置邊界條件，其中工況1與工況4前、后支點約束橫、豎向自由度，中支點約束3個方向平動自由度；工況2與工況3前支點約束橫、豎向自由度，中支點約束3個方向平動自由度。

4 荷載取值與加載方式

4.1 造橋機結構荷載

雙孔連做造橋機主桁總重為1 478 t，下托梁系統(tǒng)總重627.6 t，門吊結構150 t按荷載加載至主桁，前端臨時支腿總重41.2 t，后端臨時支腿總重32.3 t，跨中連接橫梁總重50.3 t，分別以點荷載加載。

4.2 混凝土箱梁荷載

混凝土箱梁共分為64m與40m兩種梁型。64 m箱梁共分為11個節(jié)段，40 m箱梁分為7個節(jié)段。本文計算分析采用64 m箱梁滿布荷載。具體結構部位與單重如表1所示。

表1 箱梁結構部位與荷載統(tǒng)計

4.3 靜風等效荷載

海上作業(yè)條件下造橋機需充分考慮臺風環(huán)境的影響。本文基于靜風理論［11］，對風荷載作用下造橋機結構進行計算分析。等效風荷載采用公式（1）計算。

式中：C為風力系數(shù)，與結構物的體型、尺寸有關；Kh為風壓高度變化系數(shù)；q為計算風壓；A為迎風面積。

在有限元模型中加載風荷載，做如下適當簡化：將主桁所受風荷載以梁單元分布荷載P的形式加載到主桁的上下弦桿上，將箱梁所受風荷載以單元分布荷載P的形式加載到下托縱梁上。經過計算，造橋機在施工階段與停機階段下各參數(shù)C、Kh、q、A、風載荷Pw以及P值見表2。

表2 兩種階段各參數(shù)及風荷載取值

5 空間力學行為分析

雙孔連做造橋機計算參照文獻［12］。分析造橋機在施工階段（工況1、2、3）受力時按7級風考慮；分析停機抗風階段（工況4）受力時按13級風考慮。在與機體自重、施工荷載組合后對造橋機受力狀態(tài)、變形以及穩(wěn)定性進行分析和評估。

5.1 機體受力狀態(tài)分析

采用線彈性理論對雙孔連做造橋機受力狀態(tài)進行分析。工況1、2、3、4的組合應力值分別為283.1 MPa、261.7 MPa、257.7 MPa、381.6 MPa，計算結果均滿足Q420鋼材強度設計允許值（見圖4）。各工況最大應力值分別出現(xiàn)在主桁跨中下弦桿、中支腿部位下弦桿、前支腿部位下弦桿以及跨中下弦桿。各桿件受力狀態(tài)存在差異，桿件受力狀態(tài)分別為：工況1應力最大桿件以受拉為主，工況2、3、4應力最大桿件以受壓為主。四個典型施工階段中工況4為最不利控制工況。在造橋機實際工程應用中應對停機抗風階段采取必要措施，提高機體抗風能力。

圖4 四種典型工況下的組合應力與形態(tài)

5.2 機體撓度分析

5.2.1 荷載組合效應影響

針對雙孔連做造橋機在荷載作用下主桁跨中和主桁端頭撓度最大，應重點關注施工階段跨中與過孔階段主桁端部撓度。各工況下?lián)隙茸兓€如圖5所示。雙孔連做造橋機受荷載組合效應影響，工況1、2、3、4撓度最大值分別為0.131 m、0.321 m、0.260 m、0.136 m。工況1與工況4計算結果相比撓度增加0.005 m，主要原因是13級橫風作用所致；工況2機體結構處于最大懸臂狀態(tài)時撓度最大；工況3過孔階段當臨時支腿支撐在跨中位置時撓度較大，造橋機撓度隨懸臂長度的變化而改變，計算結果均滿足文獻［8］橋梁施工裝備撓度的限制要求。

5.2.2 橫風13級作用影響

通過圖6可知13級臺風作用下的橫向位移與豎向撓度。造橋機主桁在受13級臺風橫向作用時跨中最大位移為0.036 m，其余位置位移相對較小，說明橫向剛度可以滿足抵抗臺風的要求。橫風作用時造橋機豎向撓度小于0.005 m，說明對造橋機撓度影響較小，在撓度分析中可以忽略不計。

圖6 13級橫風作用機體結構位移曲線

5.3 機體穩(wěn)定性評估

本文采用線性穩(wěn)定系數(shù)對雙孔連做造橋機結構進行安全評估。目前，國內尚未對造橋機等大型橋梁施工裝備在海上臺風環(huán)境施工階段給出明確的穩(wěn)定性安全系數(shù)。參考國內若干造橋機結構穩(wěn)定性評估經驗，并結合平潭海峽公鐵兩用大橋橋址的復雜環(huán)境特點，本文在考慮臺風作用的情況下，選取結構穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值為3.0。

計算結果表明，工況1、2、3、4的線性穩(wěn)定系數(shù)分別為9.0、10.2、9.3、13.5，均滿足線性穩(wěn)定安全系數(shù)不小于3.0的設計要求，可以認為雙孔連做造橋機安全可靠。

6 結論

采用Midas Civil2017有限元軟件對SPZ2700×2/64型雙孔連做造橋機進行空間力學行為分析，得出以下結論：

（1）在四種典型工況下，雙孔連做造橋機由于邊界條件的變化而改變受力形式，各桿件應力最大值分別為 283.1 MPa、261.7 MPa、257.7 MPa、381.6 MPa。計算結果均小于Q420鋼材強度設計值，可以滿足平潭海峽公鐵兩用大橋的施工需要。

（2）過孔階段撓度達到0.36 m，為造橋機的最不利控制工況。應采用監(jiān)測手段和保障措施對造橋機結構安全提供保障。建議過孔作業(yè)在風速7級以下時進行，避免由于風速過大對結構及施工安全造成影響。

（3）在臺風13級作用下，橫向變形為0.036 m，對造橋機影響較小，橫向剛度滿足抵抗臺風的要求。

（4）在造橋機施工階段、最大懸臂階段、過孔階段以及停機抗風階段的結構穩(wěn)定系數(shù)分別為9.0、10.2、9.3、13.5，均滿足穩(wěn)定安全系數(shù)不小于3.0的設計要求。

（5）建立雙孔連做造橋機空間有限元模型可以真實反映機體結構在不同典型工況下的受力行為，分析方法及計算結果對造橋機在實際工程中的應用具有理論指導價值。