双孔连做造桥机空间力学行为分析

2019-03-19赵多苍安路明樊立龙李志辉

铁道建筑技术 2019年9期

赵健赵多苍安路明樊立龙李志辉

（中国铁建大桥工程局集团有限公司天津 300300）

1 引言

随着科技不断发展，新工艺、新材料、新设备、新技术的出现加快了桥梁建造技术的发展速度。采用大型装备修建桥梁已是目前发达国家常用的方法，该方法符合桥梁智能建造技术的发展趋势，同时也代表了一个国家的综合国力。因此，“造桥机”也成为工程界倍受欢迎的装备之一［1］，也被称为移动支架系统（Movable Scaffolding System），尤其是对于预应力混凝土梁施工具有很大优势［2-3］。造桥机因其具有机械化程度高、施工速度快、施工方法便捷、经济效益高等特点在桥梁工程界得到广泛应用［4-5］。

平潭海峡公铁两用大桥是我国第一座公铁两用跨海大桥［6］。大桥引桥采用造桥机节段拼装施工方法［7］。为解决单孔造桥机作业时间长、成桥速度慢、海上高空作业风险大等问题，中国铁建大桥工程局集团有限公司针对平潭海峡公铁两用大桥铁路预应力混凝土简支梁的施工需求，配套研制了SPZ2700×2/64型双孔连做节段拼装造桥机。

本文以平潭海峡公铁两用大桥SPZ2700×2/64型双孔连做造桥机为研究背景，采用数值模拟方法计算分析四种典型工况［8-9］，包括架梁施工阶段、最大悬臂阶段、过孔阶段以及13级台风作用下的造桥机空间力学行为，研究造桥机应力状态、稳定性系数及位移的变化趋势，为双孔连做造桥机的设计与施工过程控制提供理论支撑。

2 双孔连做造桥机结构概况

双孔连做造桥机采用下承式桁架结构，由主桁、下托梁、托轮等系统组成。主桁顶部设置提梁门吊，主桁下部设置前、中、后临时支腿用于造桥机过孔及体系转换。操作系统主要包括液压和电气控制系统等组成。造桥机主桁采用双跨64 m结构布置，主桁布置在桥跨两侧，过孔时造桥机采用连续梁结构体系，施工时转换为简支梁结构体系。下托梁系统用于拼装箱梁节段，箱梁节段的摆放、调整通过主桁上部提梁龙门吊实现［10］。SPZ2700×2/64型双孔连做造桥机结构如图1所示，主桁上下弦杆件截面如图2所示。

图1 双孔连做造桥机结构（单位：mm）

图2 主桁上下弦杆件截面构造（单位：mm）

3 数值模拟

3.1 有限元模型

采用Midas Civil 2017有限元分析软件建立双孔连做造桥机机体空间模型。双孔连做造桥机采用杆系单元建立，模型总共由4 180个单元、1 684个节点组成。结构材料主要分为两种钢材型号：主桁结构与下托梁结构全部采用Q420钢材，横向连接结构采用Q345钢材。钢材弹性模量选取2.06×105MPa，泊松比为0.3。有限元模型如图3所示。

为了真实模拟造桥机力学行为，在不影响计算精度的基础上，加快计算分析运算收敛速度。建模遵循以下原则：（1）计算假定主桁各杆件之间焊接及螺栓连接可靠，结合部位采用共节点刚性连接，焊接点与结构杆件的材料特性各向均质。（2）提梁门吊结构从受力角度出发考虑结构自重和箱梁荷载传递至主桁上弦杆件，简化为作用在造桥机结构上的竖向力。

图3 双孔连做造桥机空间有限元模型

3.2 计算工况

根据双孔连做造桥机施工过程，选取四种典型施工阶段进行分析。工况1为架梁施工阶段，下托梁满布64 m箱梁节段，门吊位于主桁跨中位置；工况2为最大悬臂阶段，下托梁打开，前、中临时支腿支撑，后支腿收起，门吊位于上弦杆前端；工况3为过孔阶段，前、中临时支腿支撑在造桥机主桁跨中位置；工况4为停机抗风阶段，下托梁满布64 m箱梁节段，停止施工。工况1与工况4计算荷载包括机体自重、箱梁自重、门吊自重与横风作用；工况2与工况3计算荷载包括机体自重、门吊自重与横风作用。

3.3 边界条件

按照双孔连做造桥机典型施工工况设置边界条件，其中工况1与工况4前、后支点约束横、竖向自由度，中支点约束3个方向平动自由度；工况2与工况3前支点约束横、竖向自由度，中支点约束3个方向平动自由度。

4 荷载取值与加载方式

4.1 造桥机结构荷载

双孔连做造桥机主桁总重为1 478 t，下托梁系统总重627.6 t，门吊结构150 t按荷载加载至主桁，前端临时支腿总重41.2 t，后端临时支腿总重32.3 t，跨中连接横梁总重50.3 t，分别以点荷载加载。

4.2 混凝土箱梁荷载

混凝土箱梁共分为64m与40m两种梁型。64 m箱梁共分为11个节段，40 m箱梁分为7个节段。本文计算分析采用64 m箱梁满布荷载。具体结构部位与单重如表1所示。

表1 箱梁结构部位与荷载统计

4.3 静风等效荷载

海上作业条件下造桥机需充分考虑台风环境的影响。本文基于静风理论［11］，对风荷载作用下造桥机结构进行计算分析。等效风荷载采用公式（1）计算。

式中：C为风力系数，与结构物的体型、尺寸有关；Kh为风压高度变化系数；q为计算风压；A为迎风面积。

在有限元模型中加载风荷载，做如下适当简化：将主桁所受风荷载以梁单元分布荷载P的形式加载到主桁的上下弦杆上，将箱梁所受风荷载以单元分布荷载P的形式加载到下托纵梁上。经过计算，造桥机在施工阶段与停机阶段下各参数C、Kh、q、A、风载荷Pw以及P值见表2。

表2 两种阶段各参数及风荷载取值

5 空间力学行为分析

双孔连做造桥机计算参照文献［12］。分析造桥机在施工阶段（工况1、2、3）受力时按7级风考虑；分析停机抗风阶段（工况4）受力时按13级风考虑。在与机体自重、施工荷载组合后对造桥机受力状态、变形以及稳定性进行分析和评估。

5.1 机体受力状态分析

采用线弹性理论对双孔连做造桥机受力状态进行分析。工况1、2、3、4的组合应力值分别为283.1 MPa、261.7 MPa、257.7 MPa、381.6 MPa，计算结果均满足Q420钢材强度设计允许值（见图4）。各工况最大应力值分别出现在主桁跨中下弦杆、中支腿部位下弦杆、前支腿部位下弦杆以及跨中下弦杆。各杆件受力状态存在差异，杆件受力状态分别为：工况1应力最大杆件以受拉为主，工况2、3、4应力最大杆件以受压为主。四个典型施工阶段中工况4为最不利控制工况。在造桥机实际工程应用中应对停机抗风阶段采取必要措施，提高机体抗风能力。

图4 四种典型工况下的组合应力与形态

5.2 机体挠度分析

5.2.1 荷载组合效应影响

针对双孔连做造桥机在荷载作用下主桁跨中和主桁端头挠度最大，应重点关注施工阶段跨中与过孔阶段主桁端部挠度。各工况下挠度变化曲线如图5所示。双孔连做造桥机受荷载组合效应影响，工况1、2、3、4挠度最大值分别为0.131 m、0.321 m、0.260 m、0.136 m。工况1与工况4计算结果相比挠度增加0.005 m，主要原因是13级横风作用所致；工况2机体结构处于最大悬臂状态时挠度最大；工况3过孔阶段当临时支腿支撑在跨中位置时挠度较大，造桥机挠度随悬臂长度的变化而改变，计算结果均满足文献［8］桥梁施工装备挠度的限制要求。

5.2.2 横风13级作用影响

通过图6可知13级台风作用下的横向位移与竖向挠度。造桥机主桁在受13级台风横向作用时跨中最大位移为0.036 m，其余位置位移相对较小，说明横向刚度可以满足抵抗台风的要求。横风作用时造桥机竖向挠度小于0.005 m，说明对造桥机挠度影响较小，在挠度分析中可以忽略不计。