1 000 t/40 m梁昆仑号架桥机对高铁简支箱梁的适应性分析

李方柯 班新林 王 冰 田 丰

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京 100081）

1 引言

我国高速铁路桥梁以等跨布置预制预应力混凝土简支箱梁为主要结构型式，标准跨度32 m，速度等级250 km/h、350 km/h，匹配对应的制、吊、存、运、架设备，相继应用到秦沈、京沪、武广等高速铁路建设中。预制预应力混凝土简支箱梁已成为我国高速铁路建设的关键技术之一［1-3］。

近年来国内经济持续高速发展，高速铁路的覆盖范围进一步扩大。为拓展高速铁路常用跨度预制简支箱梁的应用范围，适应高墩、软基等桥梁下部结构投资占比较大的情况，国内针对40 m跨度预制预应力混凝土简支箱梁开展了大量研究工作［4-7］，相关桥梁设计技术已日趋成熟。和传统的32 m简支箱梁相比，40 m简支箱梁重量更大（单孔双线40 m梁重量达950 t），需采用千吨级架桥机［8-10］，运架难度更高，运架设备对已架桥梁的影响不容忽视。针对千吨级架桥机对高铁简支箱梁的适应性，国内外研究文献较少，相关技术问题亟待研究。

本文依托福厦高铁湄洲湾特大桥40 m简支箱梁，研究国内首台千吨级架桥机昆仑号对高铁简支箱梁的适应性，并对各类特殊条件下架桥机的适应性进行探讨，为同类铁路桥梁工程项目建设提供借鉴和参考。

2 昆仑号架桥机简介

2.1 设计概况

昆仑号架桥机（TJ1000/40型运架一体机）根据40 m简支箱梁的结构尺寸、重量以及墩台尺寸进行设计，适用于24～40 m多种跨度简支箱梁的运输和架设，可实现运梁过隧、隧道口架梁、曲线架梁、坡度架梁等施工需求。

架桥机由主梁、前车系统、后车系统、中支腿、主支腿、起重提升系统、液压系统、动力系统、电气液压控制系统以及监控系统等部分组成，如图1所示。架桥机自重997 t，最大运架重量1 000 t，外形尺寸（长×宽×高）为116 m×9.8 m×9.2 m。走行系统分前、后车，前、后车左右车轮间距分别为6.05 m和5.2 m；中支腿横向间距5.5 m，接地面积3.14×0.4×0.4 m2。架桥机运架梁的主要施工步骤如下：（1）架桥机提吊简支箱梁运送至架梁工位；（2）安装主支腿至桥墩，前车越过主支腿并临时落梁；（3）安装中支腿至桥墩，主支腿倒运至下一桥墩；（4）起吊梁片，架桥机前行，精确对位并落梁；（5）架桥机回撤，主支腿回收，返回梁场。

图1 昆仑号架桥机结构示意

2.2 运架梁荷载

架桥机对已架桥梁的作用分为运梁工况走行荷载和架梁工况支腿荷载两类。运梁走行荷载分前车系统和后车系统，其特征为荷载小、作用范围广；架梁支腿荷载分主支腿和中支腿，主支腿作用于墩顶，中支腿作用于墩顶和梁顶，其特征为荷载大、局部受力显著。架桥机的主要控制荷载见表1。

表1 运架梁荷载统计

3 架桥机适应性分析

3.1 适应梁型范围

架桥机进行运架梁施工时，首先驮运待架梁行驶至桥位处，然后站位在临近桥梁上开展架梁作业。理论上运梁影响梁场至桥位间的所有已建桥梁，架梁影响桥位处临近的已建桥梁。

从高速铁路桥梁类型来看，钢桥以及大跨度的拱桥、斜拉桥、悬索桥等设计时通常不考虑运架梁需求，因此架桥机需适应的梁型主要为混凝土梁式桥，即40 m简支箱梁、配套使用的24～40 m跨度简支箱梁以及各类跨度的预应力混凝土连续梁。

福厦高铁湄洲湾特大桥全长14.7 km，引桥采用298孔40 m跨度预制预应力混凝土简支箱梁（见图2），采用昆仑号千吨级架桥机施工［11］。经统计，受架桥机施工影响的已建桥梁包括40 m、32 m简支箱梁以及（70＋125＋70）m、（70＋2×125＋70）m 连续箱梁。

图2 40 m梁典型断面（单位：mm）

3.2 简支箱梁适应性

结合昆仑号架桥机的运架梁荷载，针对40 m、32 m简支箱梁的梁部及下部结构进行分析。

根据架桥机的运架梁荷载特征，采用桥梁有限元分析软件BSAS和MIDAS/CIVIL对运梁工况走行荷载进行梁部纵向和横向计算，对架梁工况支腿荷载进行横向计算。参照规范［12-14］分别对40 m、32 m简支箱梁进行分析，检算结果见表2、表3。

表2 简支箱梁纵向计算结果

梁部整体纵、横向计算表明，40 m、32 m梁在架桥机运架梁荷载下的强度、应力、裂缝等指标满足规范要求。

为分析简支箱梁在架桥机运架梁荷载下的局部受力情况，采用通用有限元软件ANSYS 19.0分别建立40 m、32 m梁部实体有限元模型（见图3），混凝土采用SOLID95单元模拟，预应力钢绞线采用LINK8单元模拟，边界条件按实际支座约束条件模拟，运架梁荷载按节点荷载施加。

图3 40 m梁结构实体有限元模型

分别考虑运梁工况走行荷载和架梁工况支腿荷载，分析梁部的整体受力及应力分布规律，重点考察架梁支腿作用下的局部受力情况。计算结果显示，梁体在架桥机运架梁荷载作用下的应力分布和荷载类型高度对应。运梁工况走行荷载作用下，车轮作用位置顶板与腹板相接处顶面横向受拉，顶板跨中下缘横向受拉，如图4所示；架梁支腿作用位置顶板局部上下缘出现较大的横向拉应力，如图5所示。根据实体分析结果，在运梁工况走行荷载作用下简支箱梁的最大横向名义拉应力约为2.3 MPa，在架梁工况支腿荷载作用下简支箱梁的最大横向名义拉应力约为4.2 MPa，局部受力满足要求。

图4 走行荷载作用下梁体顶面横向应力分布

图5 支腿荷载作用下梁体顶面横向应力分布

40 m、32 m梁的实体有限元分析结果表明，架桥机支腿荷载是控制梁体局部受力的主要因素。值得注意的是，梁体的局部应力和架梁支腿的横向间距高度相关。结合40 m简支箱梁局部应力对架梁支腿间距和支腿荷载开展敏感性分析，结果表明梁体局部应力对支腿荷载大小不敏感，对支腿横向间距敏感。从结构传力途径来看，支腿荷载的理想传力途径是通过顶板直接传递给腹板、底板、支座，结构各板件均不受弯；从结构抗弯承载能力来看，箱梁各板件尺寸显然不足以承受架梁支腿荷载。因此，从有利于梁体局部受力角度，支腿宜落在简支箱梁的腹板范围内，且横向间距与支座横向间距相近。

结合运梁工况走行荷载和架梁工况支腿荷载，分别对湄洲湾特大桥40 m简支箱梁的垫石局部承压、桥墩及桥台强度、桩基强度及竖向承载力等进行了分析和检算，检算结果均满足规范要求。需要注意的是，本次检算的桥墩与基础均针对40 m梁特殊设计，当采用现行高速铁路桥墩通用图时，墩身及下部基础应结合架桥机运架梁荷载（重点考虑水平力）进行检算。

架桥机运架梁过程中40 m梁单墩理论最大反力为1 795 t（架设40 m有砟轨道梁、梁重950 t），单支座反力897.5 t；支座设计承载力按600 t计，考虑支座试验承载力为设计承载力的1.5倍，支座承载力可达到900 t，满足要求。同时，架桥机也可采取增加临时落梁等措施来降低支座反力，进一步提高支座在运架梁过程中的安全系数。

结合昆仑号千吨级架桥机的运架梁施工荷载，对40 m、32 m简支箱梁进行了全面检算，计算结果表明，桥梁结构在运架梁荷载作用下的各项指标满足要求，昆仑号架桥机对于简支箱梁具有较好的适应性。

3.3 特殊条件适应性

昆仑号千吨级架桥机为适应40 m跨度简支箱梁的运架研制，理论上也可用于吨位相对较小的既有部颁32 m标准跨度预制梁，既有部颁简支箱梁在千吨级架桥机运架梁荷载作用下结构受力能否满足要求是影响架桥机通用性的重要因素。

综合分析40 m简支箱梁和既有部颁32 m简支箱梁的结构构造，总体上运梁工况走行荷载不控制箱梁受力，控制条件为架梁工况支腿荷载作用下梁体的局部受力，而架梁支腿的横向间距与梁体构造的匹配度是决定梁体局部受力的关键。表4给出了各主要梁型的梁端构造尺寸，梁端腹板内、外距指腹板与顶板相接处内、外缘线的横向间距，可以看到既有部颁32 m梁和40 m梁的梁端构造尺寸较为接近，架梁支腿（中支腿、横向间距5 500 mm）均位于腹板范围内且横向间距与梁部支座间距相近，荷载传力顺畅。

表4 各梁型梁端构造尺寸

针对既有部颁32 m简支箱梁进行整体计算和梁体局部分析，计算结果表明，32 m梁在运梁荷载下的整体受力满足规范要求，在支腿作用下梁体的局部名义拉应力均小于5 MPa，满足要求。因此，昆仑号架桥机对既有部颁32 m简支箱梁适应性较好。

另一方面，架桥机进行运架梁施工时，影响的梁型可能为非标准简支箱梁、连续梁、道岔梁等特殊梁型，此时架桥机的适应性需单独分析。湄洲湾特大桥受架桥机运架梁影响的梁型含一联（70＋125＋70）m和一联（70＋2×125＋70）m连续箱梁，计算结果显示，两联主跨125 m连续梁的强度、应力指标满足规范要求，在支腿荷载作用下梁体的局部最大名义拉应力为3.1 MPa（见图6），满足要求。因此，昆仑号架桥机对湄洲湾特大桥两联主跨125 m的连续梁适应性较好。

图6 主跨125 m连续梁梁端横向应力分布

当非标准梁型在架桥机运架梁荷载作用下结构受力不满足要求，特别是在架梁支腿作用下梁端局部受力不满足要求时，应结合架桥机运架梁荷载优化桥梁结构设计或采取临时措施。目前一般采用临时措施解决架桥机的适应性问题，主要方案包括架梁支腿增设牛腿、梁顶铺设钢板、梁顶布设分配梁、增设承压连接构造等。

在架梁支腿上增设牛腿可小幅调整支腿横向间距，一般适用于支腿和腹板横向偏差不大、支腿影响桥梁孔数较多的情况。在梁顶铺设钢板可以增大梁顶的承压范围、改善梁体受力，但该方案作用有限，仅适用于架梁支腿和腹板横向偏差较小的情况。在梁顶布置分配梁可以将支腿荷载传递给腹板，分配梁一般采用钢梁方案，投资较高，且钢梁自身存在一定的倾覆风险，整体风险偏高。增设承压连接构造方案是在支腿作用位置箱梁顶、底板之间以及底板与墩顶之间设置承压连接构造（见图7），一般采用钢管或钢管混凝土结构，该方案传力直接、投资低、风险低，应用较为广泛。

图7 梁端承压连接构造示意

当架梁支腿落在梁体跨中且与腹板横向间距不匹配时，在支腿作用位置顶、底板之间增设承压连接构造，使顶底板共同承受压弯荷载，可以大幅提高梁体在支腿作用下的结构承载能力。

4 结束语

2020年11月，福厦高铁湄洲湾特大桥开始采用世界首台千吨级昆仑号架桥机进行40 m梁的运架施工，运架梁实践及现场监测结果表明，已建桥梁结构安全、可靠，昆仑号架桥机对高铁简支箱梁具有良好的适应性。

（1）高铁40 m、32 m简支箱梁在架桥机的运架梁荷载作用下，各项结构受力指标满足规范要求，架桥机对简支箱梁具有良好的适应性。

（2）架桥机进行运架施工时，已建桥梁薄弱环节为梁部，控制荷载为架梁支腿荷载。架梁支腿的横向间距是影响梁体受力的关键因素。

（3）架桥机对既有部颁32 m标准跨度预制梁适应性较好，采取适当措施后可保证架桥机在各种特殊条件下的适应性。

（4）40 m简支箱梁重量大，运架施工对已建桥梁影响显著。本文的计算方法及结论可为同类铁路桥梁工程项目提供参考和借鉴。