试论高速铁路架桥机前支腿安全性

陈 浩

（中铁二十三局集团有限公司第四工程有限公司 四川成都610000）

试论高速铁路架桥机前支腿安全性

陈 浩

（中铁二十三局集团有限公司第四工程有限公司 四川成都610000）

近些年，我国在高速铁路方面的建设与发展很快，高速铁路也走出国门，走向世界。在高速铁路的建设进程中，规模较大的起重机器——架桥机成为建设机器设备中不可或缺的一员，保证架桥机结构的稳定性与安全性不容操作人员与设计人员忽视。本文论述的主体为TLJ900型架桥机前支腿，对其从静强度、动力学、结构稳定性、损伤构造的影响几个方面进行安全性讨论。

架桥机；前支腿；安全性

0 引言

高速铁路建设像雨后春笋般在全国多地区发展，伴随着在施工中机械化程度的提升，架桥机显而易见地成为建设高速铁路施工中不可缺失的机械设备。根据铁路相关部门的规划，截止到2020年我国预计架设20000公里的高速铁路。在未来的高铁建设过程中急需大量高生产效率、高质量、高性能和配套系列化的高速铁路桥梁施工设备。架桥机拥有非常乐观的应用前景，而且向着大规模、智能化的方向发展。眼下我国服役于高铁建设中的架桥机都要架设900t及以上的梁片，在重载作用下，架桥机在施工过程中发生安全事故的概率大大增加。一旦发生安全事故，重则使得工作人员生命安全受到威胁，轻则增加施工资金的投入，所以大型机械器材的安全问题必须得到施工人员的高度重视。

1 TLJ900 架桥机介绍

TLJ900架桥机在架设时速为200～350km铁路客运专线，以及20m、24m、32m双线整孔预应力箱型混凝土的工程时有着很大大的优势，该架桥机能有效应对桥隧相连区域的架设工程而且能够直接在距离隧道出口。M的地方实施建设。TLJ900架桥机不仅可以对桥梁架设任务实施有效的处理，而且可以满足首末跨架以及非直线跨架等不同形式的架设，既可以短途运输桥梁，又可以按照标准进行建设。

由于自身双导梁式构造的原因，TLJ900型架桥机组成部分一般包括：两根箱型主梁、将主梁首尾连接在一起的横联、首尾各放置两台起重小车、硬度较大的后支腿、具有一定形变能力的前支腿、辅助支腿、悬臂梁以及下导梁等。如下图1-1所示。

图1 -1 架桥机结构示意图

(1)该主梁是一种箱型结构，通过螺栓把5节长12 m的拼接板连接在一起，方便运输和装卸，借助前后横联把两端连接。它是整个架桥机中起到承受荷载的主要作用。

(2)后支腿是空间刚性支腿，利用螺栓上端与主梁建立联系，下端和走行台车绑定，在对梁进行架设的过程中依靠机械千斤顶器材承受较大的负载。借助液压千斤顶，能够完成机械受力装置载荷和走行台车之间的转换。

(3)平面柔性支腿，其是整个机子的前端支撑点，使用铰接上端和主梁相连。前支腿上配备了可以折叠的节点、能够自由变换的节点以及固定节点，依靠这些元件能够完成桥梁垂直坡、变跨施工以及孔桥梁的搭建的任务。

(4)悬臂梁的构造一般是板梁式析架，往往放置在主梁的前横联处，稍稍上翅，有利于下导梁天车稳定工作。

2 架桥机前支腿安全性分析

2.1 对前支腿结构静强度分析

架桥机运行过程中依次包括吊梁起升、吊梁工作、改变横向方位、放下梁四种不同工序，每种施工工序单独存在。参照《起重机设计规范》GB/T 3811-2008中的载荷分类与组成说明，可以将每种工况下的计算载荷分为三种组合形式，即载荷组合I、载荷组合II及载荷组合III。各载荷组合形式下的载荷组成及安全系数见下表。

表2 -1 载荷组成及安全系数

而每种载荷组合又可以分为多种组合方式，如下表所示。

表2 -2 各计算工况下的载荷组合

在载荷组合方式1（1）下做出计算，前支腿上的最大节点等效应力为126 MPa。TU900型架桥机使用的是Q345钢材料，该材料是塑性材料，它的屈服极限为345 MPa，在此载荷组合方式下材料的安全系数取为1.5， 126 MPa＜345 MPa/1.5,能够满足使用要求。

在载荷组合方式2（2）下做出计算，山于风载的作用，各部分的应力均比载荷组合方式I大，其最大节点等效应力为134 MPa。在这种组合方式下材料的安全系数取为1.33，可得134 MPa＜345 MPa/1.33,能够满足使用要求。

2.2 对前支腿结构动力学的分析

在实际工作中，机械设备承受的载荷是不确定，随时间不断变化的。超过极限应力时，结构会瞬间遭到破坏。更多的状况是，负载十分小，但却严重的破坏了原有的结构，这种情况出现的就是由于动载荷的存在。架桥机的工作环境十分恶劣，工作载荷十分复杂，经常受到冲击载荷、移动载荷等载荷的作用，对其结构进行动力学分析非常重要。进行动力学分析可以计算出架桥机在作业过程中结构应力位移等数据，还可以利用这些数据优化结构，为架桥机状态监测提供依据。架桥机在工作时，会对金属产生很大的影响，会使得金属结构受到动载荷的作用，这种载荷对结构影响非常大，长时间处于这种载荷中会对结构产生破坏，使得结构发生变形和破坏。这种情况发生的原因主要是因为架桥机在工作时是金属产生振动，这种震动的频率和结构的频率相同时会发生共振，使得结构被破坏。所以在设计和研究架桥机时，一定要对架桥机所能承受的动载荷进行分析，以保证架桥机能够顺利稳定的工作。

2.3 对前支腿的稳定性分析

我们都知道，在受力时机构会产生弹性变形，当因为变形所产生的内力能抵消外力的作用时，此时为平衡状态。处于平衡状态的结构，由于被外因扰动离平衡位置，扰动消失后能回到原来的平衡位置，并保持原来的平衡状态，叫做稳定平衡；无法复原且在其他位置建立了和原本不同的平衡状态，那么将其称之为失稳平衡状态结构。结构在受到载荷达到零界值是，如果在增加一个很小的增量就会改变结构的平衡位置以及形状，这种现象为结构失稳。结构失稳因性质不同可以分为三类，分别是：第一类失稳，这种失稳是指在负荷达到一定数值后，结构已有的平衡状态被破坏，形成另一种平衡状态，这种情况就相当于数学上的运动方程求特征值一样，失稳时的载荷称之为零界载荷；第二类失稳，这类失稳会使得结构的变形被扩大，而且不会出现新的平衡状态，这种失稳也称之为极值点失稳。在现实中出现的结构失稳一般都属于结构失稳；第三类失稳，这类失稳是指当载荷达到一定数值以后，原来的平衡状态直接越变到不相邻且具有较大位移的平衡状态，结构在状态越变时会遭到破坏，这就导致失稳后的状态已经不能利用了。第一类失稳是分析结构弹性失稳的只要分析目标，而分析的目的主要是找到稳定的零界负荷值。

前支腿是由翼缘板和腹板傑接成的，在轴向力的作用下，前支腿各个板要承受正压力，可以看做是均匀受压的薄板，要考虑屈曲失稳问题。如果翼缘板或是腹板局部出现扭曲退出工作，就会使得杆件整体承载能力下降，进而丧失整体的稳定性。由于我国钢铁技术水平不断提高，大大增加了钢材屈服极限，施工企业考虑到成本问题，就会在最低强度要求条件下，大大减小壁厚，这就增加了杆件发生屈曲失稳的几率。当构件小面积出现屈曲之后，该部分的构件就失去了承担重力的作用，造成构件整体承受重力的能力减退，在构件承受不变的重量时，就会发生安全事故。

2.4 损伤结构对前支腿频率的影响分析

架桥机因施工的水平、使用材料的质量等因素的影响，当不同的机械载荷、载荷温度以及自然环境侵蚀时，会出现不同程度的损伤。这种损伤主要表现在材料的结构强度下降，机械性能也逐渐降低，材料会变得很脆，非常容易开裂折断。当机械结构长时间使用后，一些原本韧性非常不错的低碳钢、和低碳合金钢会随着材料性能的下降而变得很脆，这种情侣在结构出现损伤以后会变得尤为明显，也会大幅度加快机械结构现性能的下降速度。对于架桥机来说，当金属结构出现损伤，会对架桥机在使用中的安全性构成极大的威胁，为施工安全埋下隐患。对损伤对固有频率影响的研究时，我们可以从单一单元损伤、特定单元不同程度损伤、多出不同位置不同损伤这三个方面进行研究。

3 结束语

由上可知，随着架桥机起重量的不断增加，将会造成钢材结构设计发生改变，不但需要提高起重机的起重能力，还要求尽量减小资金投入。结构的安全稳定问题是非常重要的，需要引起充分重视，如果发生失稳现象，就会导致起重机倒塌，造成大量经济损失和人员伤亡，所以，施工单位必须充分重视架桥机前支腿安全性的重要性，并加大研究力度。

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[2]张启贵，高速铁路架桥机动力特性分析[J].建筑机械,2015,3∶71-73.

TU714

B

1007-6344（2017）01-0233-02

陈浩 男（1982-7） 本科 工程师 主要从事铁路桥梁桥梁工程工作。