架桥机结构优化及抗风性能现状研究

王萧斌

（中交路桥建设有限公司 北京 101121）

0 引言

由于西南地区高山峡谷众多，在进行公路交通建设时需要建设大量的桥梁。为提高西南山区桥梁建设的效率与工程的质量，在工程建设中架桥机的已经被大量使用。由于架桥机需要进行高空工作具有较大的风险性，其结构形式以及质量、体积大小对于施工成本以及施工安全有着较大的影响，因此优化架桥机的结构是很有必要的，在满足施工要求的前提之下，优化结构设计，减少架桥机的自身的重量，同时提高架桥机对风荷载的抵抗能力。因此，许多研究人员针对架桥机的结构以及抵抗风荷载性能进行了大量的研究，得到了许多新型结构形式、提出的抵抗风荷载的措施以及施工建议并运用在工程项目中取得了不错的效果。本文归纳了众多学者针对架桥机的结构形式优化及抗风性能的研究成果。

1 架桥机的结构优化

公路桥梁架桥机结构形式多样，而架桥机主要的支承结构为主梁，所以大部分研究人员对架桥机结构进行优化时主要是对主梁进行研究。王炳荣[1]发现架桥机在施工过程中，主梁会产生下挠，其主要由架桥机的自身重量以及工作过程中施工载荷所产生的下挠组成。通过ANSYS有限元软件建立架桥机主梁有限元模型，在满足工作时刚度、强度的前提之下对主梁截面尺寸优化以达到减小主梁自重的目的，从而减小主梁所产生的下挠的目的。对架桥机主梁优化后的质量降低了 6553.8kg，体积缩减了30%，并且验证后发现该优化方案是可行的。焦国敏[2]针对公路架桥机的结构的进行研究分析后，提出了运架一体式架桥机和下导梁式架桥机的新型架桥机结构形式。并运用层次分析法，对这两种新的结构形式进行分析和优化。运用定性和定量的评分标准，采用Matlab软件计算求解各个评价指标的权重，来作为评价方案的评分依据。通过层次分析法评价后发现无论是定量分析标准还是定性分析标准，运架一体式架桥机相对于下导梁式架桥机的表现更加优秀。任才[3]采用有限元软件Midas Civil建立了架桥机对桥梁进行施工建设时的有限元模型，并通过有限元模型对架桥机主梁应力、吊杆力、主梁位移等进行了分析计算。在对主梁的抗弯刚度、吊杆截面积大小等对结构受力性能的影响因素分析后发现增加架桥机的主梁刚度可以有效的减小协作受力效应，吊杆的面积对其协作受力的影响并不明显。侯杰通过架桥机的结构特点进行分析，设计出一种适用于多种复杂工况下的双梁架桥机，并利用有限元软件ANSYS Workbench对架桥机的主梁结构进行建立模型并计算分析，通过模型对该主梁的结构设计进行验证分析，确定该结构设计合理。而后又根据响应面法、MOGA以及Screening算法等相结合对架桥机的主梁进行结构优化，在满足架桥机的使用性能以及施工安全的基础之上得到了最佳的主梁设计方案，主梁结构的质量在优化后减少9.8%。张亚海将TLJ1100t架桥机的主梁、前支腿、后支腿等各个受力部件进行计算分析后，得到满足施工要求和施工安全的最优结构，并将该架桥机用于中交路桥建设集团宁波象山湾疏港高速公路桥梁的现场施工，满足了该地区复杂工况下的施工应用，提高了桥梁建设的效率，节约了建设成本。范晨阳为研究架桥机桁架主梁中节段连接构件螺栓的受力情况，选取全悬挂工况对主梁的强度和刚度进行分析，通过有限元子模型法建立螺栓计算的子模型，施加边界条件，对螺栓进行受力分析。通过计算后发现采用有限元子模型法可以较准确地获得螺栓的受力情况，为架桥机主梁的结构设计和改进提供了更合理的分析和评估方法。陈士通[4]为避免架桥机在施工过程中因为产生主梁损伤导致威胁工程安全，便进行了在施工阶段时架桥机主梁损伤识别研究。通过研究 SXJ900/32型架桥机在施工过程中主梁不断变化的内力，采用刚度折减以及位移协调推导出简化模型的力法方程，求解主梁结构的挠度影响线的数学解析式，并通过建立架桥机的有限元模型对简化后的力法方程以及函数解析式等理论结果进行验证。研究结果表明：利用单点损伤识别对架桥机主梁进行识别时可以有效识别，但某些点位识别的效果不佳。当采用两点损伤识别时，识别精度相比单点识别更高。在识别损伤位置的同时，通过计算结构刚度折减系数可以较为精确的判断架桥机主梁结构的损伤程度。郭永成利用 Midas Civil建立架桥机主梁的有限元模型，计算分析架桥机主梁各个钢结构的强度、前、中、后支腿的稳定性以及架桥机的抗倾覆稳定性，优化了架桥机结构，节约了施工成本，保证了施工安全。

2 架桥机抗风性能

由于架桥机属于细长型的柔性结构并在施工中长期处于高空作业，强风状态下架桥机容易产生位移，威胁桥梁安全以及施工人员的生命安全。为保证在大风高发季节期间的安全施工，孙九春运用有限元模拟软件建立有限元模型对3种典型工况下强风荷载对架桥机的位移进行研究分析，在抖振荷载下，施工至最大悬臂状态时架桥机与桥梁结构出现了瞬时反力，存在接点支座瞬时脱空的风险，威胁桥梁工程安全，需要采用张拉临时风缆的方式提高架桥机的结构抗风性能。李永乐[5]运用ANSYS有限元软件建立了龙门式双主梁架桥机数值模型在0～50m/s的风速变化以及架桥机在空载、施工、吊梁防风的工况下架桥机的抗风性能，研究结果明在强风状态下，架桥机部分结构有脱离桥梁的风险；施工时如遇较大风速可能会导致架桥机后支腿脱离桥面支撑，研究表明在强风季节架桥机进行施工时需要增加吊梁防风。由于移动模架造桥机的长细比较大，在强风荷载下结构容易产生变形和振动，危及人员、桥梁等安全，张建超针对架桥机的风致振动原理进行了广泛的研究，得到了风力的功率密度谱密度函数公式，采用ANSYS有限元软件建模对顺风向脉动风的风振对架桥机结构的影响，计算结果表明顺风向脉动风的风振对结构的影响较小。刘树堂以Fluent有限元软件建立模型计算分析不同工况下，强侧风对于架桥机主梁的冲击荷载以及气动力为实际工程中的架桥机的安全性提供了建议。杜航考虑到目前架桥机发生了较多的前倾以及侧翻等事故，进行了大量的架桥机在风荷载作用下的结构动态响应的研究。运用Kaimal谱以及FFT技术对脉动风风速建立风场模型，获得了自然风载时程曲线，研究结果表明轴线方向上的风荷载对架桥机的安全威胁最大，施工阶段如遇大风必须添加临时锚固以保证安全。曾耀对珠江黄埔大桥的上行式架桥机进行抗风性能研究，利用有限元软件ANSYS建立了气动弹性模型，并对其进行大气边界层风洞实验，研究结果表明当施工时风速大于10m/s架桥机就不应移动，大于20m/s时架桥机应添加吊梁、张拉临时风缆等临时防风措施。胡庆安针对MSS62.5架桥机在跨径最大时空的模闭合状态、浇筑状态、开模行走状态共三种最不利工况进行风洞实验，试验结果显示该结构形式的架桥机抗风性能较好，较为通透，不会发生涡振等不良现象。

3 结论

如今的交通建设需要修建越来越多的桥梁，而架桥机已经成为桥梁建设中必不可少的一部分，优化架桥机的结构形式，提高架桥机的稳定性成为了重中之重。国内外大量的学者选择对架桥机的主梁结构进行优化，使得主梁的质量以及体积得到了优化，在保证了工作性能以及安全性的前提之下降低了架桥机的成本。同时也对架桥机在工作过程中的主梁损伤进行了研究分析，为安全的进行桥梁施工提供了保障。各研究人员考虑到架桥机通常需要进行高空作业，在强风季节时，风荷载可能会使得架桥机脱离桥梁，威胁生命财产安全，造成巨大的工程事故，故对架桥机在强风状态下稳定性采用数值模拟或者风洞实验进行研究分析。在强风天气，架桥机需要添加吊梁防风、张拉临时风缆等抗风措施，以及MSS62.5架桥机在风速大于10m/s时应停止移动，大于20m/s时就需要添加抗风措施，尽可能减少架桥机因大风天气所导致的安全问题，保证人员以及设备安全。