(中鐵十九局集團廣州工程有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

架橋機作為橋梁施工的大型起重機械，實現(xiàn)將預制梁片吊裝至預制橋墩[1]。新建鐵路施工中，將途徑大量隧道及橋梁路段，架橋機需通過隧道出入口進行架梁施工。隧道設計要求為350 km/h及250 km/h橫切面，本文依據(jù)要求，對架橋機金屬結構進行設計[2]。梁片質(zhì)量為950 t，長、寬、高分別為40 m、12.6 m、3.2 m?；诋斍凹軜驒C金屬結構分析，設計了用于架設40 m混凝土箱梁的運架一體式架橋機結構，并通過ANSYS有限元分析軟件，對主梁結構進行靜力學有限元分析，將分析結果與結構理論計算結果對比，互相驗證。

1 運架一體式架橋機結構分析

運架一體式架橋機技術參數(shù)如表1所示。

表1 運架一體式架橋機技術參數(shù)

本文運架一體式架橋機由吊梁天車、主支腿、輔支腿、前車、后車、主梁等六部分構成[3]，如圖1所示。途徑隧道出入口截面如圖2所示。

圖1 運架一體式架橋機結構

圖2 運架一體式架橋機隧道出入口截面

文中架橋機主梁上下導梁通過螺栓連接，前半段下導梁外側增加肋板，以增加主梁強度，主支腿通過定扭矩液壓馬達驅動沿下導梁軌道移動。主支腿液壓缸通過馬達驅動，實現(xiàn)垂直升降[4]。為避免架橋機傾覆事故，主支腿配備前后反滾輪，較當前運架一體式架橋機，文中所設計架橋機作業(yè)流程簡潔，操作方便，經(jīng)濟性較高。

文中架橋機作業(yè)流程如圖3所示[5]：

圖3 架橋機作業(yè)流程

(1)將箱梁吊運至梁片末端，主支腿處于橋墩正上方；

(2)主支腿支撐，前車懸空；

(3)主梁向前移動，輔支腿移至梁片末端；

(4)輔支腿支撐，前車懸空；

(5)主支腿向前移動至橋墩正上方；

(6)輔支腿懸空，主支腿支撐；

(7)主梁向前移動，梁片到達既定位置，落梁。

2 主梁結構理論靜態(tài)分析

基于結構理論，通過許用應力法對主梁進行靜態(tài)分析計算。許用應力為施加載荷后連接接頭及結構上發(fā)生的變形及應力，該變形及應力在連接接頭及結構的承載范圍內(nèi)[6]。典型流程如圖4所示。

圖4 許用應力法典型流程

提取架橋機架梁施工中的危險工況為大懸臂及大跨度工況。架橋過程中的第(6)～(7)步為大跨度到大懸臂的轉變，該過程存在主梁前端撓度最大、跨中撓度最大、下蓋板拉應力最大。以5 m每工位計算架橋機主梁向前移動時前懸臂最大撓度、主梁簡支段最大撓度、下蓋板最大拉應力，計算結果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 主梁前懸臂撓度-位移關系

圖6 主梁簡支段最大撓度-位移關系

由圖5可知，主梁前移過程中，前懸臂撓度變化為上翹64 ～177.8 mm，之后緩慢下降至88.6 mm。架橋機移動41.5 m時為大懸臂工況，前懸臂達到最大撓度88.6 mm。

由圖6可知，主梁遷移過程中，主梁簡支段撓度變化為263.6～20.4 mm。架橋機無位移時為大跨度工況，主梁簡支段撓度最大，為263.6 mm。

由圖7可知，主梁遷移過程中，下蓋板拉應力變化為247 MPa-194 MPa-227 MPa。架橋機無位移的大跨度工況下，下蓋板拉應力最大，為247 MPa。

圖7 下蓋板最大拉應力-位移關系

3 主梁有限元靜態(tài)分析

主梁作為架橋機主要構成部分，占整體質(zhì)量的60%。通過有限元靜力學仿真及結構理論分析計算，對兩者結構的合理性及正確性進行驗證。分析主梁剛度是否符合許用范圍，是否可承受額定載荷。

3.1 幾何模型構建及參數(shù)

架橋機主梁由通過螺栓連接的上下導梁構成，其前段截面如圖8所示，后段截面如圖9所示。

圖8 主梁前段截面 圖9 主梁后段截面

采用ANSYS有限元分析軟件，通過APDL語言建立架橋機主梁模型[7]，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 主梁模型參數(shù)

3.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

主梁為板殼結構，文中模型為更加貼近實際情況，選取殼單元shell63。shell63為4節(jié)點單元，各節(jié)點存在x、y、z三軸的平動及轉動。網(wǎng)格類型選為四邊形，大小為0.05 m，網(wǎng)格劃分選取混合網(wǎng)格劃分。

3.3 加載及約束

架橋機在箱梁的運架過程中存在大懸臂及大跨度危險情況。兩危險工況的約束及加載分別如圖10、圖11所示。

圖10 大懸臂約束及加載

圖11 大跨度約束及加載

大懸臂模型前后支點為面約束，且為全約束。前支點約束為模型腹板側面，后支點約束為模型下蓋板面。主支腿重力為面載荷，其他力為線載荷，加載于腹板上側。

大跨度模型前后支點為面約束，后支點為全約束，前支點約束為x、y、z軸轉動及y、z軸移動。重力以外的其他力以線載荷的方式加載于腹板上側。

3.4 靜態(tài)分析

若主梁靜強度較弱，超出材料許用強度，將導致主梁斷裂或局部開裂。若主梁靜剛度較弱，超出許用值，將導致主梁整體或局部失穩(wěn)。主梁強度或剛度不足，對架橋機的可靠性、安全性及壽命具有直接影響[8]。通過對結構剛度及強度的有限元靜力分析，可確定大懸臂及大跨度情況下的形變及應力分布情況。ANSYS有限元分析結果如圖12-圖15所示。

圖12 大跨度應力云圖

圖13 大跨度位移云圖

圖14 大懸臂應力云圖

圖15 大懸臂位移云圖

由圖12、圖13可知，跨中位置應力及形變最大，吊梁前吊點下蓋板拉應力及形變最大，分別為275 MPa、249.1 mm；由圖14可知，輔支腿周圍應力較大，下蓋板應力為最大值255 MPa；由圖15可知，導梁前端形變較大，最前端位移形變最大值為95.6 mm。大跨度及大懸臂工況下的應力、位移云圖分布情況與結構理論分析計算結果一致。

架橋機主梁選用Q460D，其許用強度[σ]為300.3 MPa。大懸臂及大跨度工況計算結果如表3所示。

表3 大懸臂及大跨度工況計算結果

由表3可知，大懸臂最大應力227<255<[σ]；大跨度最大應力247<275<[σ]。因此兩種方法計算結果均滿足許用強度要求。

《架橋機通用技術條件》(GB/T26470—2011)中對架橋機靜態(tài)剛性要求如表4所示。

表4 架橋機靜態(tài)剛性要求

表4中，S、S分別為主梁、導梁支承跨度。架橋機主梁靜態(tài)剛度小于S/300。則架橋機許用剛度為[f]=L/300，文中架橋機主梁大跨度時的許用剛度為[f1]=L/300=310 mm；主梁大懸臂許用剛度為[f2]=L/300=143 mm。由表4可知，大跨度時最大位移為249.1<263.3<[f1]；大懸臂時最大位移為88.6<95.6<[f2]，大跨度及大懸臂計算結果滿足許用剛度要求。

4 結論

本文設計了用于架設40 m混凝土箱梁的運架一體式架橋機結構?；诩軜驒C架梁過程分析，確定架橋過程中的大懸臂及大跨度兩個危險工況，采用有限元分析軟件及結構分析理論分別對兩種工況下的主梁進行靜態(tài)分析。由兩種工況的有限元仿真及結構理論計算誤差均處于工程誤差范圍內(nèi)，驗證了有限元仿真的正確性及有效性；兩種工況下的有限元仿真及結構理論計算剛度及強度均處于許用范圍內(nèi)，驗證了文中設計主梁的合理性。