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        架橋機(jī)架設(shè)大跨徑T梁抗傾覆穩(wěn)定性分析方法研究

        2022-11-09 03:04:48謝洪兵安徽建工集團(tuán)投資管理公司安徽合肥230000
        安徽建筑 2022年10期

        謝洪兵 (安徽建工集團(tuán)投資管理公司,安徽 合肥 230000)

        0 引言

        在公路橋梁設(shè)計中,大跨徑預(yù)制梁是一種經(jīng)常被用到的設(shè)計方式,因為它具有節(jié)約土地,節(jié)約工程造價,加大橋下通行空間等優(yōu)勢。大跨徑梁施工方法多采用支?,F(xiàn)澆或預(yù)制后架橋機(jī)架設(shè)。在保證既有路通行的情況下,預(yù)制后架橋機(jī)架設(shè)具有明顯的優(yōu)點。但是架橋機(jī)架梁的安全穩(wěn)定性卻存在明顯的劣勢,而架橋機(jī)架梁的安全穩(wěn)定性計算成為彌補(bǔ)該施工方法的充分條件。因此,架橋機(jī)的安全穩(wěn)定性理論計算分析務(wù)必嚴(yán)謹(jǐn),決不可以用經(jīng)驗法代替理論計算。2012 年7 月19 日陜西臨潼大西鐵路發(fā)生架橋機(jī)空載墜落,2 人受傷;2018 年7月21 日滬通長江大橋錫通高速連接線發(fā)生架橋機(jī)墜落,造成1 死1 傷的事故,類似事故在全國范圍內(nèi)還有不少,對個人的生命安全造成巨大威脅,對國家財產(chǎn)造成巨大損失。

        根據(jù)對以往架橋機(jī)發(fā)生傾覆事故進(jìn)行分析,傾覆發(fā)生的主要原因有橋頭路基質(zhì)量存在問題,如橋頭路基填土壓實度不足或密實度不均勻、受雨水或其他生產(chǎn)用水等浸泡影響,導(dǎo)致路基發(fā)生軟化等,這類問題可以通過加強(qiáng)橋頭路基的施工質(zhì)量和加強(qiáng)檢測驗收程序得以避免。傾覆發(fā)生的另外一類主要原因是架橋機(jī)的某一部件或操作出現(xiàn)問題,架橋機(jī)的自重非常大,重心又高,發(fā)生傾斜時很難采取措施,這就要求架橋機(jī)的縱橫向在最不利位置時的安全穩(wěn)定性要滿足要求,對該類問題常見的處理方法為首先為加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的檢查維護(hù),還必須在使用前進(jìn)行縱橫向的抗傾覆能力計算分析[1~10]。本文結(jié)合某高速公路40mT梁架設(shè)施工實際工程,建模并分析一例架橋機(jī)架梁的抗傾覆穩(wěn)定性分析方法,供同行參考借鑒。

        1 工程概況

        某高速公路匝道橋上跨既有高速公路,第2 聯(lián)采用40m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁整垮跨越既有通行高速公路,立面圖如圖1所示。

        圖1 本橋40mT梁立面圖

        2 架橋機(jī)的基本情況及架梁方案

        2.1 架橋機(jī)基本情況

        本次架梁擬選用的架橋機(jī)為步履式過孔雙導(dǎo)梁架橋機(jī),該型架橋機(jī)對于預(yù)制T 梁、箱梁尤為適用。從組成結(jié)構(gòu)上有前后支腿、前后支腿橫移軌道、左右承重主梁、吊梁天車、電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等部分。

        該架橋機(jī)的主梁為2 根三角桁架梁式結(jié)構(gòu),每根長75m,通過橫梁聯(lián)系在一起,是本架橋機(jī)的主要承重結(jié)構(gòu)。主梁上部設(shè)有2 臺吊梁天車,每臺吊梁天車的額定吊重為75t,主要進(jìn)行擬架梁板的運行及吊裝作業(yè)。主梁下部設(shè)有前后4 個支腿,支腿下方設(shè)有橫移軌道,可以使擬架梁板橫移到預(yù)定位置。

        2.2 架梁方案

        本次擬架設(shè)的所有梁板均在梁場預(yù)制完成,通過運梁炮車運送到橋頭路基指定位置。架橋機(jī)在橋頭路基上組裝完成,組裝完成后應(yīng)對架橋機(jī)進(jìn)行一次全面的檢查和試運轉(zhuǎn),充分檢驗各部分結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和可靠程度。架橋機(jī)由后方橋頭路基行走至預(yù)架梁位置,支腿落位穩(wěn)定后,按照外邊梁→次外邊梁→中梁的順序進(jìn)行梁板架設(shè),架橋機(jī)通過橫移軌道一次性架完所有橫斷面梁片。

        3 抗傾覆穩(wěn)定性介紹

        抗傾覆穩(wěn)定性(stability against tipping)簡稱穩(wěn)定性,是指移動裝卸式機(jī)械設(shè)備抵抗傾覆和傾翻的能力。引起裝卸式機(jī)械設(shè)備傾覆的外力有起升設(shè)備所受到的風(fēng)力、自身重力、移動過程中所產(chǎn)生的慣性力、行走路線坡度引起的重力分力等。為了使裝卸式機(jī)械設(shè)備不發(fā)生傾覆或傾翻,裝卸式機(jī)械設(shè)備自身的重力、支承輪廓及操作環(huán)境是其穩(wěn)定的主要因素。由于移動裝卸式機(jī)械設(shè)備的類型不同,它們的構(gòu)造、支承情況和操作環(huán)境各不相同,對其抗傾覆穩(wěn)定性的要求也不相同。室外作業(yè)狀態(tài)(尤其在風(fēng)口)下的起重機(jī)械設(shè)備,風(fēng)力對其穩(wěn)定性的影響是主要因素,必須分別校核工作狀態(tài)穩(wěn)定性和非工作狀態(tài)穩(wěn)定性。對于小型地面作業(yè)的起重設(shè)備,由于其高度低,風(fēng)力影響小,只需校核工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和行駛狀態(tài)下的穩(wěn)定性。對于架橋機(jī)和運梁車等高空作業(yè)設(shè)備,既要考慮風(fēng)力的影響,也要校核在工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。保持穩(wěn)定的條件是各種工況下的抵抗力矩始終大于傾覆力矩,并有適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)富裕度。

        本文通過對架橋機(jī)最不利位置所受到的各種荷載進(jìn)行抵抗力矩和傾覆力矩的對比分析(考慮附加荷載),來驗算該橋梁架設(shè)的安全性,取抗傾覆安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值[6]為1.3,計算結(jié)果中若實際計算抗傾覆安全系數(shù)大于該值,則認(rèn)為該設(shè)備滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

        4 抗傾覆穩(wěn)定性分析

        4.1 架橋機(jī)的設(shè)計荷載

        4.1.1垂直荷載

        擬吊裝40mT梁梁重:Q1=135t;

        起重小車(含卷揚機(jī))重:Q2= 7.5t;

        天車梁(含縱向走行機(jī)構(gòu))重:Q3=7.3t;

        前支腿總重:Q4= 5.6t;

        后支腿總重:Q9= 5.6t;

        模型簡化后承重主梁左端(35m)總重:Q5= 46.2t;

        模型簡化后承重主梁右端(40m)總重:Q6= 52.8t;

        1號天車及天車梁總重:Q7= 7.5 +7.3= 14.8t;

        2號天車及天車梁總重:Q8= 7.5 +7.3= 14.8t;

        架橋機(jī)的主梁、桁架及連結(jié)均布荷載:

        q = 0.6 × 1.1= 0.66t/m;

        取主梁增重系數(shù)1.1;取活載沖擊系數(shù)1.2;

        取不均勻系數(shù)1.1。

        4.1.2水平荷載

        ①風(fēng)荷載

        風(fēng)荷載需要選取工作狀態(tài)時的最大允許風(fēng)力,對于架橋機(jī)的最大允許工作環(huán)境風(fēng)力為6 級,但在驗算時,為了進(jìn)一步保證安全,按照高一級風(fēng)力計算(即7級風(fēng)),7 級風(fēng)的最大風(fēng)壓按照q1=19kg/m2計算。

        ②設(shè)備運行慣性力取:Φ= 1.1。

        4.2 架橋機(jī)縱向穩(wěn)定性計算

        從本次架梁來分析,架橋機(jī)在縱向的穩(wěn)定性最不利情況為架橋機(jī)懸臂縱向移動至滿跨40m 位置時,架橋機(jī)此時的情況為前支腿懸空,1 號、2 號天車退行至架橋機(jī)后部起配重作用,計算模型如圖2所示。

        圖2 架橋機(jī)的縱向計算模型

        前支腿自重:P1= Q4= 5.6t;

        后支腿自重:P2= Q9= 5.6t;

        前段主梁自重:

        P3= 0.66t/m× 2榀× 40m=52.8t;

        后段主梁自重:

        P4= 0.66t/m× 2榀× 35m=46.2t;

        P5= Q2+ Q3= 14.8t;

        P6= Q2+ Q3= 14.8t;

        P7為風(fēng)荷載,架橋機(jī)最大允許工作環(huán)境風(fēng)力為6 級,驗算時按照高一級風(fēng)力(7級風(fēng))橫向風(fēng)荷載計算:

        P7= 19kg/m2× 1.2× 141m2=3.2t,作用在中間支點以上2m處;

        計算懸臂狀態(tài)下的縱向穩(wěn)定:M抗= 17.5P4+ 29P6+ 33P5+35P2

        = 46.2× 17.5 + 14.8 × 29 +14.8 × 33+ 5.6 × 35 = 1922.1t·m;

        M傾= 40P1+ 20P3+ 2P7

        = 5.6 × 40 + 52.8 × 20 + 3.2× 2= 1286.4 t·m

        架橋機(jī)縱向抗傾覆安全系數(shù):

        η= M抗/M傾

        = 1922.1/(1286.4 × 1.1)

        = 1.36 >1.3

        可以看到,該抗傾覆安全系數(shù)雖滿足要求,但處于安全臨界狀態(tài)。實際工程操作中,為了保證架橋機(jī)縱向行走萬無一失,可采取用一臺起重小車起吊一片T梁的前端作為配重(如圖3所示),這樣其安全穩(wěn)定性系數(shù)將大幅度提高(具體計算此處省略),如此操作可完全確保架橋機(jī)縱向行走的安全穩(wěn)定性。

        圖3 T梁作配重示意圖

        4.3 架橋機(jī)橫向傾覆穩(wěn)定性計算

        4.3.1工作狀態(tài)

        從本次架梁來分析,架橋機(jī)的穩(wěn)定性在橫向的最不利情況為架設(shè)邊梁時,建立簡化模型,計算時,為了進(jìn)一步確保安全性,可將整個架橋機(jī)的荷載全部簡化到該平面,計算模型如圖4所示。

        圖4 架橋機(jī)橫向傾覆穩(wěn)定性最不利情況

        P1為作用在兩支點中心的架橋機(jī)自重:

        P1= 46.2+ 56.8 + 7.3× 2+5.6 × 2= 128.8t

        導(dǎo)梁承受風(fēng)的面積按照實體計算,其中μ1= 0.53,μ2= 0.5。

        A =(1+μ1)(1+μ2)×Φ*A

        =(1+ 0.53)×(1+ 0.5)× 62×2.25= 320.1525m2

        P2為導(dǎo)梁承受的風(fēng)荷載,作用在支點以上3.8m處,導(dǎo)梁形狀系數(shù)取1.6。

        P2= 1.6 × 1.39 × 19 × 320.1525= 13528kg= 13.53t

        P3為天車梁所受風(fēng)荷載,作用在支點以上5.179m 處,面積計算也按實體計算,導(dǎo)梁形狀系數(shù)不變,則:

        P3= 2× 1.39 × 1.6 × 19 × 0.8 ×0.46 × 4= 124kg= 0.124t

        P4為起重小車和梁體的總重量,

        P4= 7.5 × 2+ 135 × 1.1= 163.5t

        P5為起重小車和梁體所受的風(fēng)載,作用在支點以上8.113m處,

        P5= 1.39 × 1.6 × 19 ×(3× 2×2+ 2× 30)= 3042.432kg= 3.0432t

        對傾覆支點取矩,則傾覆彎矩和抵抗彎矩分別為:

        M傾= P2× 3.8 + P3× 5.179 +P4× 1.435 + P5× 8.113= 311.34 t·m

        M抗= P1× 4.8= 618.24 t·m

        工作條件下架橋機(jī)的橫向抗傾覆安全系數(shù)為:

        μ= M抗/M傾

        = 618.24/(311.34 × 1.1)

        = 1.91>1.3

        由此可知,該抗傾覆安全系數(shù)可以滿足要求,可以認(rèn)為架橋機(jī)在工作狀態(tài)下的橫向移動是安全的。

        4.3.2非工作狀態(tài)

        既然架橋機(jī)在工作狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)是安全的,可以推斷出架橋機(jī)在非工作狀態(tài)下也應(yīng)該是安全的,出于謹(jǐn)慎原則考慮,亦進(jìn)行簡單驗算。

        架橋機(jī)在非工作狀態(tài)下的最不利位置是在架設(shè)邊梁時,此時起重小車在橫向的最邊緣??紤]橫風(fēng)作用,其簡化模型示意圖如圖5 所示。與工作狀態(tài)下的圖4 相比,圖5 中無梁體,其他計算條件與圖4相同,計算如下:

        圖5 架橋機(jī)非工作狀態(tài)下最不利情況

        2 臺 起 重 小 車 的 總 重:P4= 7.5 ×2= 15t;

        對傾覆支點取矩,則傾覆彎矩和抵抗彎矩分別為:

        M傾= P2× 3.8 + P3× 5.179 +P4× 1.435 + P5× 8.113= 98.24 t·m

        M抗= P1× 4.8= 618.24 t·m

        因此,傾覆安全系數(shù)為:

        μ= M抗/M傾

        = 618.24/(98.24 × 1.1)

        = 5.72 >1.3

        可以看出,非工作狀態(tài)下架橋機(jī)的安全系數(shù)幾乎為工作狀態(tài)下的3 倍有余,只要操作得當(dāng),完全沒有問題,但仍需要提醒,從眾多事故中總結(jié)的教訓(xùn)為:安全事故往往發(fā)生在本來安全性很高的地方,因為在這種環(huán)境中,操作工人的思想處于放松狀態(tài),容易疏忽大意。

        5 結(jié)語

        為了預(yù)先防范架橋機(jī)架梁過程中可能出現(xiàn)的安全問題,必須對架橋機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗算,建模分析計算是架橋機(jī)架梁施工安全的理論支撐,實際工程中絕不可以經(jīng)驗來估計安全穩(wěn)定性。

        在對架橋機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗算時除了考慮其本身的各項垂直荷載外,一定要考慮風(fēng)荷載、慣性力等水平荷載,并分別計算架橋機(jī)在最不利情形(架設(shè)邊梁)時縱橫向工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)的抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)計算的安全穩(wěn)定性系數(shù)接近標(biāo)準(zhǔn)值時,為提高施工安全性,可采取用提梁小車起吊一片T 梁的前端作為配重的方式來提高安全穩(wěn)定性。

        盡管計算的抗傾覆安全系數(shù)滿足要求,但實際工作中,仍需要對操作工人加強(qiáng)思想安全教育,絕不可疏忽大意。

        本文所述為一套完整的驗證架橋機(jī)架梁安全穩(wěn)定性的分析方法。該分析方法安全可靠,類似工程可以直接引用,對橋梁架梁施工項目具有一定的參考價值。

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