惠記莊，史 合，王斌華，張紅俊，李 夢(mèng)，程順鵬

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

裝配式鋼橋結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)橋梁和裝配式技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、質(zhì)量較輕及回收率高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于應(yīng)急交通保障工程、城市快速架橋領(lǐng)域中[1-2]。為充分發(fā)揮公路鋼橋的優(yōu)勢(shì)，2016年交通部《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出了“大力推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工”的要求[3]。由于架橋機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此已成為裝配式鋼橋的主要施工設(shè)備。

裝配式鋼橋跨度范圍較大，單車道橋梁跨徑可達(dá)66 m[4]，跨度類型較多，傳統(tǒng)的架橋機(jī)一般只適用于固定跨度的橋梁架設(shè)，例如北戴河通聯(lián)路橋機(jī)械有限公司研制的TLJ900t架橋機(jī)，實(shí)現(xiàn)了20～30 m橋梁跨度架設(shè)；意大利尼克拉(NICOLA)公司研制出一款一跨式箱型架橋機(jī)，能夠架設(shè)35、30 m和25 m的箱梁；長(zhǎng)沙理工大學(xué)李喜紅對(duì)架設(shè)40 m混泥土梁的HD200型貝雷式公路架橋機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該架橋機(jī)能夠解決40 m的架梁?jiǎn)栴}；JQC40A型公路架橋機(jī)主梁由上弦桿、弦桿和角鋼型腹桿組成一個(gè)空間三角形結(jié)構(gòu)，可以充分利用材料；中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院研制JQ450架橋機(jī)，用于架設(shè)廣珠城軌鐵路24～32 m跨度的橋梁；DJ50/160步履型伸縮臂式單導(dǎo)梁架橋機(jī)可以架設(shè)公路橋梁50 m及以下跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁片[5-10]。

綜上所述，傳統(tǒng)架橋機(jī)在架設(shè)不同跨度橋梁時(shí)多采用固定結(jié)構(gòu)主梁，設(shè)備自重大、利用率低，降低了施工效率。本論文提出了一種針對(duì)裝配式鋼橋架設(shè)的架橋機(jī)主梁變跨設(shè)計(jì)方案，通過拼接不同長(zhǎng)度的主梁，能實(shí)現(xiàn)主梁由20 m到30 m跨度的架設(shè)，擴(kuò)大了架橋機(jī)架梁跨度的適用范圍，優(yōu)化了設(shè)備自重，減少了運(yùn)輸成本。此外，本文針對(duì)2種跨徑橋梁，分別選擇3種危險(xiǎn)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析。

1 變跨架橋機(jī)主梁設(shè)計(jì)分析

本文所設(shè)計(jì)的架橋機(jī)主梁采用箱型結(jié)構(gòu)，變跨前的主梁結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，上下對(duì)接后主梁腹板區(qū)采用高強(qiáng)度螺栓連接，增大主梁抗彎性能。在進(jìn)行變跨作業(yè)時(shí)，拆掉主梁中間拼接段的高強(qiáng)度螺栓，將所需長(zhǎng)度的預(yù)制梁與原主梁拼接，仍然采用高強(qiáng)度螺栓連接，如圖1(b)所示，使主梁增長(zhǎng)，適應(yīng)大跨度橋梁，變跨后主梁腹板增高。

圖1 主梁簡(jiǎn)圖

2 架橋機(jī)主梁設(shè)計(jì)

2.1 橋梁跨度L=20 m主梁設(shè)計(jì)分析

架20 m跨架橋機(jī)主梁的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2.2 截面選擇

架梁時(shí)要求既可以調(diào)節(jié)橋梁架設(shè)長(zhǎng)度，調(diào)整主梁寬度，又可以達(dá)到快速、高效架梁的要求，因此箱型截面采用如圖2所示的形式。主梁采用Q345鋼板，彈性模量E=210 GPa。

表1 架梁參數(shù)

圖2 主梁截面

2.3 主梁載荷分析及計(jì)算工況

(1)在架梁過程中，主梁載荷主要包括梁體載荷(QL=40 t)和天車重量引起的可移動(dòng)載荷(10 t)，主梁自重簡(jiǎn)化的平均載荷(q1=9 613 N·m-1)，載荷組合按照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。

(2)由于本文所設(shè)計(jì)主梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此針對(duì)單主梁進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，架橋機(jī)施工過程中主要考慮以下3種危險(xiǎn)工況。

工況一：縱移懸臂過孔工況。當(dāng)架橋機(jī)縱移過孔時(shí)，主梁空載前行，主梁前支腿到達(dá)下一橋墩位置，處于懸臂狀態(tài)，而未支撐于橋墩，該工況下主梁的受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 架橋機(jī)懸臂過狀態(tài)受力

已知QQZT=45 000 N，主梁承受的最大彎矩

(1)

主梁承受最大應(yīng)力

230 MPa

(2)

可知主梁所受應(yīng)力滿足要求，主梁產(chǎn)生的撓度

(3)

式中：[σ]為主梁許用應(yīng)力；n為安全系數(shù)，y為主梁截面翼緣板到形心的距離；Ix為主梁慣性矩，經(jīng)計(jì)算得Ix=24.66×10-3m4；[f]1為主梁懸臂狀態(tài)許用撓度。

工況二：前天車走到前、中支腿中間位置，后天車吊起梁片時(shí)的工況。該工況主梁受力簡(jiǎn)圖、彎矩圖如圖4所示。

圖4 工況二受力和彎矩

此時(shí)主梁承受彎矩

104 916 N·m-1

-1 420 650 N·m-1

104 916 N·m-1

M3為主梁承受最大彎矩處，此時(shí)主梁承受的最大應(yīng)力

(4)

可知主梁所受應(yīng)力滿足要求，主梁產(chǎn)生的撓度

(5)

式中：[f]2為主梁跨中受力許用撓度。

因此該工況下主梁撓度滿足要求。

工況三：架邊梁工況。此工況下天車吊梁到位，天車橫移至左側(cè)落梁，該側(cè)主梁承擔(dān)的剪力最大，前后天車載荷相同，因此以前天車為例說明。該工況下主梁承受載荷為梁體和天車作用在主梁上的偏心力為P1，左右主梁所受輪壓分別為RA和RB。當(dāng)天車中心線與主梁外側(cè)中心線偏移量L1=0.7 m時(shí)天車對(duì)左側(cè)主梁作用力為RA。架邊梁橫斷面圖如圖5所示，天車橫梁受力簡(jiǎn)圖、彎矩圖如圖6所示，左側(cè)主梁受力主視圖如圖7所示。

圖5 架邊梁橫斷面

圖6 工況三下天車橫梁的受力

圖7 工況三下主梁的受力主視

(6)

式中：K為沖擊系數(shù)[14]，取K=1.1。求得P1=85 000 N。

由圖6得

解得：RA=55 700.5 N，RB=29 299.5 N。

此工況下計(jì)算主梁最大彎矩得

此時(shí)主梁承受的最大應(yīng)力

因此該工況下主梁所受應(yīng)力滿足要求，計(jì)算主梁產(chǎn)生的撓度得

可知此工況下主梁撓度滿足要求。

3 主梁穩(wěn)定性計(jì)算

架橋機(jī)主梁穩(wěn)定性計(jì)算包括橋機(jī)主梁的整體穩(wěn)定性和主梁側(cè)向屈曲穩(wěn)定性及腹板局部穩(wěn)定性計(jì)算。

3.1 整體穩(wěn)定性

由《架橋機(jī)通用技術(shù)條件》(GB 26469—2011)知其截面尺寸滿足式(9)、(10)時(shí)，滿足整體穩(wěn)定性要求。

式中：b1為腹板中心寬度；h0為腹板高度。由此可知主梁的整體穩(wěn)定性足夠。

3.2 主梁側(cè)向屈曲穩(wěn)定性驗(yàn)算

架橋機(jī)主梁為箱形結(jié)構(gòu)，當(dāng)其截面腹板高度h0與上翼緣板的寬度b1的比值不大于3時(shí)，可不進(jìn)行主梁側(cè)向屈曲穩(wěn)定性驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算

(11)

可知主梁側(cè)向屈曲穩(wěn)定性足夠。

3.3 主梁受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性

對(duì)于受壓翼緣板的外伸部分b2需滿足式(12)要求，腹板中心距b1與受壓翼緣板厚度δ需滿足式(12)要求。

12.4×10-3

(12)

49.52×10-3

(13)

受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 主梁腹板局部穩(wěn)定性

式中：η為考慮σ影響的增大系數(shù)，取η的值為1.503 9，Qmax為腹板承受主梁中心壓力，取Qmax=250 000 N將數(shù)據(jù)代入式(14)、(15)可得區(qū)段內(nèi)腹板最大的平均剪應(yīng)力為τ=24.75 MPa，加強(qiáng)筋的間距為a≤-3 922.5 mm。由于間距a為負(fù)值，所以取a=2×h0=2 020 mm，本文取a=2 000 mm。

加強(qiáng)筋肋板寬度按式(16)計(jì)算

(16)

代入數(shù)據(jù)，可得bs≥73.67 mm。本文取bs=75 mm。

加強(qiáng)筋肋板的厚度按式(17)計(jì)算

(17)

代入數(shù)據(jù)可得tw≥5 mm，考慮變跨，本文取加強(qiáng)筋肋板的厚度為tw=8 mm。

由此可知主梁腹板的局部穩(wěn)定性滿足要求。

4 橋梁跨度L=30 m主梁設(shè)計(jì)分析

由于架30 m跨時(shí)，架橋機(jī)主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟與架20 m跨相同，所以這里只列出架30 m跨時(shí)架橋機(jī)主梁的主要數(shù)據(jù)，直接寫出其工況分析計(jì)算結(jié)果。變跨后，主梁腹板增高，將所需長(zhǎng)度的預(yù)制梁與原主梁拼接主梁增長(zhǎng)，適應(yīng)大跨度橋梁架設(shè)。架30 m跨架橋機(jī)主梁的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 架梁參數(shù)

4.1 主梁載荷分析及計(jì)算工況

經(jīng)計(jì)算得天車與梁體作用在主梁上的可移動(dòng)載荷為105 t，主梁自重為51 t，主梁平均載荷為q2=11 339 N·m-1。計(jì)算主梁慣性矩Ix=62.57×10-3m4，3種工況最大應(yīng)力、撓度計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 橋梁跨度L=30 m時(shí)主梁強(qiáng)度和剛度

4.2 主梁穩(wěn)定性計(jì)算

變跨后，主梁的腹板和翼緣板承受載荷增大，可能會(huì)局部失穩(wěn)，因此主梁穩(wěn)定性計(jì)算非常重要。

(1) 整體穩(wěn)定性。由式(9)、(10)得

由此可知在架30 m跨時(shí)主梁的整體穩(wěn)定性足夠，可不計(jì)算整體穩(wěn)定性。

(2)主梁側(cè)向屈曲穩(wěn)定性驗(yàn)算。由式(11)得

由此可知架30 m跨時(shí)架橋機(jī)主梁側(cè)向屈曲穩(wěn)定性足夠。

(3)主梁受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性。由于架30 m梁架橋機(jī)主梁外伸部分b2，腹板中心距b1及受壓翼緣板厚度δ與架20 m梁時(shí)相同，所以可知架30 m跨時(shí)受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性也滿足要求。

(4)腹板局部穩(wěn)定性。計(jì)算可得h0/δ=1 560/10=156。因135

主梁縱向加強(qiáng)筋距離主梁上翼緣板高度按式(18)計(jì)算

h1=(1/5～1/4)h0=(312～390)mm

(18)

本文取h1=320 mm。

肋板寬度bs=100 mm。肋板的厚度tw=8 mm。由此可知主梁腹板的局部穩(wěn)定性滿足要求。

因此，由20、30 m跨度主梁設(shè)計(jì)分析結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)能滿足主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié) 語

本論文提出了一種針對(duì)裝配式鋼橋架設(shè)的架橋機(jī)主梁變跨設(shè)計(jì)方案，說明了架橋機(jī)主梁變跨的工作原理。主梁腹板區(qū)采用高強(qiáng)度螺栓連接，增大主梁抗彎性能，通過拆裝高強(qiáng)度螺栓，與預(yù)制長(zhǎng)度主梁拼接，實(shí)現(xiàn)主梁從20 m至30 m跨度變化，該原理可進(jìn)一步適應(yīng)用于裝配式鋼橋多種跨度架設(shè)。

針對(duì)架橋機(jī)在架梁過程中的3種危險(xiǎn)工況，對(duì)20 m與30 m主梁結(jié)構(gòu)最大彎矩、應(yīng)力計(jì)算分析，結(jié)果表明主梁剛度、強(qiáng)度滿足要求。計(jì)算了主梁整體穩(wěn)定性、側(cè)向屈曲穩(wěn)定性、受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性、腹板局部穩(wěn)定性，結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)架橋機(jī)主梁滿足穩(wěn)定性要求，能保證施工的安全性。