大跨度钢箱梁式架桥机施工状态下的静强度及稳定性能研究

谢瑾荣 周翠英 程 晔 杜左雷 庄毓琼

（中山大学工学院，510275，广州∥第一作者，硕士研究生）

架桥机在我国铁路、公路以及城市道路等桥梁建设工程中已经得到了十分广泛的应用。对于大跨度钢箱梁式架桥机，因其结构以及施工阶段的受力状态的复杂性，局部区域内的应力集中问题成为了此类架桥机的设计中须高度重视的问题。在工程中为了最大限度减轻架桥机自重，其钢箱梁腹板板厚往往较薄而且截面尺寸较大，局部区域内薄板可能产生屈曲，致使结构在该区域的受力状况严重恶化，甚至在很小的面外扰动下也会使整个结构发生失稳破坏。因此对于大跨度钢箱梁式架桥机，还必须把结构稳定性计算作为结构设计的主要控制条件之一。

对于架桥机静强度分析所常用的方法有解析法和有限元法。由于架桥机结构的复杂性，在采用解析法分析时，薄板结构局部区域应力、变形规律难以得到，且计算常忽略细部构造带来的影响，其分析结果不足以反映真实情况［1］。而有限元法计算结果不仅能反映整个结构的应力、变形规律，其优势还在于能考虑多种作用的影响，能快速准确地得出各施工工况下的架桥机静强度分析结果［2］。对于架桥机稳定性方面的研究常采用的方法有规范法、特征值屈曲分析法以及非线性屈曲分析法。其中规范法是指依据《钢结构设计规范》、《钢结构设计手册》以及《起重机设计手册》等规范手册对架桥机构造尺寸进行验算，保证其满足稳定性设计要求。采用该方法无法探求架桥机可能出现的失稳形态，无法得到屈曲稳定安全系数［3］，往往不能满足工程需要。而特征值屈曲分析法能够得到结构的屈曲稳定系数及失稳模态，但该方法基于初始有限变形及线弹性假设，不考虑结构受载后的变形和几何初始缺陷对平衡状态的影响，只能用来预测一个理想线弹性结构的理论屈曲强度，研究表明［4－5］，由于初始缺陷及非线性的影响很多复杂的钢结构都不是在其理论弹性屈曲强度处发生屈曲，与其预测结果存在较大差异。非线性屈曲分析法比特征值屈曲分析法更精确，而且考虑了初始缺陷、材料塑性、大变形响应等非线性特征［6－7］，另外通过弧长控制法还可以跟踪结构的后屈曲行为并确定其极限承载力，该方法的稳定性分析结果更符合工程实际。

本文以西宝客运专线常兴渭河特大桥TPZ／48钢箱梁式架桥机施工工程为实例［8］，采用有限元分析法得到该型架桥机在各主要工况下的应力分布与变形规律，并采用非线性屈曲分析法对该结构的施工稳定性进行研究，得到了该结构的屈曲稳定安全系数及失稳模式，可为同类工程结构设计及稳定性分析提供参考依据。

1 工程概况

TPZ／48钢箱梁式架桥机是武汉通联路桥机械技术有限公司为西宝客运专线常兴渭河特大桥引桥施工专门设计的架桥机。架桥机整体采用双梁式结构，主梁为钢箱梁，单箱截面尺寸为1.8m×5.9m，钢板厚10～25mm，主梁总长65.8m；导梁为桁架结构，其中后导梁长为8m，前导梁总长30m。架桥机自重800t（包括支撑横梁重100 t、天车重100t），所承受的施工荷载为1 600t。整体结构见图1。

图1 架桥机整体示意图

主要施工工况有：工况Ⅰ，浇注状态，架桥机结构全部由4个顶升油缸承载，4个油缸的相对位置为49.6m×12m，架桥机前部安装2个导梁横联和一个主梁横联，尾部安装2个横联；工况Ⅱ，最大前悬臂状态，此时天车作为配重置于后部；工况Ⅲ，最大后悬臂状态，此时天车作为配重置于前部；工况Ⅳ，纵向过孔状态，按走行25m、35m、40m分别验算。

2 有限元分析模型建立

本文采用ANSYS软件，根据架桥机实际结构及尺寸进行整体建模。主梁采用shell43（塑性大应变壳）单元模拟，其中绝大部分网格为形状规则的4节点四边形单元，局部使用了退化的4节点三角形过渡单元；导梁、横联采用beam188（梁）单元；导轨采用solid45（实体）单元。经网格划分，整个模型共有184266个单元，185250个节点（见图2）。

图2 架桥机有限元整体模型示意图

钢筋混凝土梁重以及天车重等效成面荷载施加在主梁上对应区域。主梁与导梁、主梁与后横联间的锚固部位采用耦合边界条件模拟。主梁及导梁支撑采用简支边界条件。架桥机材料采用理想弹塑性材料，主要参数见表1。

表1 架桥机主要材料参数表

3 架桥机静强度分析

以工况Ⅰ为例，架桥机处于浇注施工状态，等效应力和位移的分布如图3～图8所示。

图3 主梁Mises等效应力

图4 主梁腹板Mises等效应力

图5 锚固部位Mises等效应力

图6 后导梁Mises等效应力

主梁部分最大Mises等效应力值为271MPa，位于主梁前支座附近的底部小隔板上，该处受到附近支座约束作用的影响，加上承受竖直向下的拉力，使该处产生局部应力集中；应力次大处发生在主梁支座靠近内侧的纵向肋板与支座底面的交界处，应力达到226MPa，这是由于施工荷载的偏心作用引起；主梁内外及上下侧腹板最大应力出现在主梁与后横联连接处，该处最大应力达到173MPa，主梁跨中腹板最大应力133MPa左右；主梁与导梁部分连接处最大应力约181MPa。导梁部分Mises应力最大值为105MPa，位于前导梁下弦杆根部；后导梁最大Mises应力为25MPa，位于下弦杆根部。在导梁上下弦杆变截面附近，也存在应力较大区域。后横联受压，其最大应力为18MPa。

图7 前导梁Mises等效应力

图8 架桥机Y方向位移分布

图8给出了架桥机在竖向（Y方向）的位移分布，整个结构最大竖向位移为－24mm，发生在主梁中部；前导梁最末端最大竖向位移－5mm。

其他工况下静强度分析结果见表2。

表2 架桥机各工况下静强度分析结果

4 架桥机屈曲稳定性能分析

本文在对架桥机屈曲稳定性能研究时，按非线性屈曲问题考虑。在非线性屈曲分析中，将特征值屈曲的形状特征矢量乘以一个比例系数赋予架桥机几何模型，作为初始缺陷施加给架桥机结构；为跟踪结构的后屈曲行为，对模型施加2倍以上的特征值屈曲荷载，并打开大位移效应及应力刚化效应开关；加载方式采用位移控制的弧长法加载，按照B－R准则［6］如果结构在微小荷载增量下引起剧烈响应变化，则认为结构屈曲，可判断结构已进入失稳状态。

受篇幅限制，本文仅列出工况Ⅲ（最大后悬臂状态）下的分析结果。经特征值屈曲分析，得知架桥机的特征值屈曲稳定安全系数为1.45，其屈曲失稳模态如图9所示，图中反映出架桥机的失稳发生在主梁跨中的底板及横隔板处，属于局部失稳。经过非线性屈曲分析，提取出架桥机结构扭曲变形处位移最大的节点作为失稳特征点，该点位于架桥机跨中底板处，与特征值屈曲失稳发生位置相同。绘制该特征点的荷载－位移历程曲线如图10所示，从图中可看出，当自重荷载施加至2.51倍时，特征点处的荷载－位移曲线已出现水平段，根据B－R准则［6］，此时架桥机结构已发生屈曲失稳。因此得到架桥机在最大后悬臂状态下的稳定安全系数为2.51，比特征值屈曲分析所得到的稳定安全系数提高了将近70%。架桥机结构发生非线性屈曲失稳时的及跨中的顶板、底板、内外腹板处的应力云图见图11。

图9 架桥机特征值屈曲失稳模态

图10 架桥机失稳处特征点的荷载－位移曲线

图11 架桥机在极限荷载的Mise等效应力图

5 加固建议

结合静强度及屈曲稳定性分析的结果，对TPZ／48架桥机提出以下加固建议：

（1）浇注状态下支座内侧肋板根部容易产生应力集中，可适当增加支座肋板的厚度；主梁隔板与相邻腹板之间应确保焊接质量，尤其是隔板左右底角处，因为架桥机纵移过程中的支撑反力使得隔板底角处产生显著应力集中，此时隔板底角处与腹板之间的焊缝易被拉裂。

（2）主梁与导梁联接处也是薄弱部位之一，计算显示此处应力较大（最大266MPa），建议增大导梁在主梁上的锚固面积，也可增加主梁联接处的腹板厚度。

（3）架桥机失稳发生在支座处以及跨中的底板、横隔板、腹板等处，其稳定性受这些部位所控制，实际施工中宜增强局部刚度，加焊面外钢板，提高稳定性。

6 结语

架桥机因其结构以及施工阶段的受力状态的复杂性，局部区域内的应力集中问题成为了架桥机设计中须高度重视的问题；在工程中为了最大限度减轻架桥机自重，其主体结构通常采用钢箱梁式设计，而钢箱梁腹板板厚往往较薄而且截面尺寸较大，这又给架桥机的实际应用带来了屈曲稳定问题。

计算分析结果表明，有限元法可同时考虑多种因素的影响，能准确直观地反映出架桥机在各施工阶段下的应力状态及其变形规律，与传统的解析法相比更能满足工程需要。非线性屈曲分析考虑了初始缺陷、材料塑性、大变形响应等非线性特征，通过弧长控制法还可以跟踪结构的后屈曲行为，其分析结果更符合工程实际。另外，从工程实例还可看出，对于一个复杂的结构体而言，结构体局部发生了屈曲后荷载将会发生转移，结构还可继续承载。

［1］GB／T 50017—2003钢结构设计规范［S］.

［2］狄谨，陈爱萍，戴鹏.滑动模架在连续梁桥施工中的有限元分析［J］.长安大学学报：自然科学版，2006，5（26）：48.

［3］范冬萍.JQ170架桥机总体稳定性分析［J］.山西建筑，2008，11（32）：340.

［4］张启贵.架桥机箱型梁机臂屈曲稳定性分析［J］.建筑机械，2006（3）：87.

［5］胡建伟，盛宝安.客运专线架桥机主梁的局部稳定性分析［J］.工程机械，2005（9）：40.

［6］王英琳，许平.不锈钢矿石专用敞车车体非线性屈曲分析［J］.铁道车辆，2008，11（11）：4.

［7］李雪，李宏男，黄连壮.高压输电线路覆冰倒塔非线性屈曲分析［J］.振动与冲击，2009，5（28）：111.

［8］程 晔，谢瑾荣，张乐亲.TPZ／48钢箱梁式架桥机施工状态下屈曲稳定性研究［J］.中国铁道科学，2012，33（1）：35.