架桥机架设大跨径T梁抗倾覆稳定性分析方法研究

谢洪兵 （安徽建工集团投资管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在公路桥梁设计中，大跨径预制梁是一种经常被用到的设计方式，因为它具有节约土地，节约工程造价，加大桥下通行空间等优势。大跨径梁施工方法多采用支模现浇或预制后架桥机架设。在保证既有路通行的情况下，预制后架桥机架设具有明显的优点。但是架桥机架梁的安全稳定性却存在明显的劣势，而架桥机架梁的安全稳定性计算成为弥补该施工方法的充分条件。因此，架桥机的安全稳定性理论计算分析务必严谨，决不可以用经验法代替理论计算。2012 年7 月19 日陕西临潼大西铁路发生架桥机空载坠落，2 人受伤；2018 年7月21 日沪通长江大桥锡通高速连接线发生架桥机坠落，造成1 死1 伤的事故，类似事故在全国范围内还有不少，对个人的生命安全造成巨大威胁，对国家财产造成巨大损失。

根据对以往架桥机发生倾覆事故进行分析，倾覆发生的主要原因有桥头路基质量存在问题，如桥头路基填土压实度不足或密实度不均匀、受雨水或其他生产用水等浸泡影响，导致路基发生软化等，这类问题可以通过加强桥头路基的施工质量和加强检测验收程序得以避免。倾覆发生的另外一类主要原因是架桥机的某一部件或操作出现问题，架桥机的自重非常大，重心又高，发生倾斜时很难采取措施，这就要求架桥机的纵横向在最不利位置时的安全稳定性要满足要求，对该类问题常见的处理方法为首先为加强机械设备的检查维护，还必须在使用前进行纵横向的抗倾覆能力计算分析[1～10]。本文结合某高速公路40mT梁架设施工实际工程，建模并分析一例架桥机架梁的抗倾覆稳定性分析方法，供同行参考借鉴。

1 工程概况

某高速公路匝道桥上跨既有高速公路，第2 联采用40m 预应力混凝土简支T 梁整垮跨越既有通行高速公路，立面图如图1所示。

图1 本桥40mT梁立面图

2 架桥机的基本情况及架梁方案

2.1 架桥机基本情况

本次架梁拟选用的架桥机为步履式过孔双导梁架桥机，该型架桥机对于预制T 梁、箱梁尤为适用。从组成结构上有前后支腿、前后支腿横移轨道、左右承重主梁、吊梁天车、电气系统及液压系统等部分。

该架桥机的主梁为2 根三角桁架梁式结构，每根长75m，通过横梁联系在一起，是本架桥机的主要承重结构。主梁上部设有2 台吊梁天车，每台吊梁天车的额定吊重为75t，主要进行拟架梁板的运行及吊装作业。主梁下部设有前后4 个支腿，支腿下方设有横移轨道，可以使拟架梁板横移到预定位置。

2.2 架梁方案

本次拟架设的所有梁板均在梁场预制完成，通过运梁炮车运送到桥头路基指定位置。架桥机在桥头路基上组装完成，组装完成后应对架桥机进行一次全面的检查和试运转，充分检验各部分结构的运转状态和可靠程度。架桥机由后方桥头路基行走至预架梁位置，支腿落位稳定后，按照外边梁→次外边梁→中梁的顺序进行梁板架设，架桥机通过横移轨道一次性架完所有横断面梁片。

3 抗倾覆稳定性介绍

抗倾覆稳定性（stability against tipping）简称稳定性，是指移动装卸式机械设备抵抗倾覆和倾翻的能力。引起装卸式机械设备倾覆的外力有起升设备所受到的风力、自身重力、移动过程中所产生的惯性力、行走路线坡度引起的重力分力等。为了使装卸式机械设备不发生倾覆或倾翻，装卸式机械设备自身的重力、支承轮廓及操作环境是其稳定的主要因素。由于移动装卸式机械设备的类型不同，它们的构造、支承情况和操作环境各不相同，对其抗倾覆稳定性的要求也不相同。室外作业状态（尤其在风口）下的起重机械设备，风力对其稳定性的影响是主要因素，必须分别校核工作状态稳定性和非工作状态稳定性。对于小型地面作业的起重设备，由于其高度低，风力影响小，只需校核工作状态下的稳定性和行驶状态下的稳定性。对于架桥机和运梁车等高空作业设备，既要考虑风力的影响，也要校核在工作状态及非工作状态的稳定性。保持稳定的条件是各种工况下的抵抗力矩始终大于倾覆力矩，并有适当的安全系数富裕度。

本文通过对架桥机最不利位置所受到的各种荷载进行抵抗力矩和倾覆力矩的对比分析（考虑附加荷载），来验算该桥梁架设的安全性，取抗倾覆安全系数标准值[6]为1.3，计算结果中若实际计算抗倾覆安全系数大于该值，则认为该设备满足抗倾覆稳定性要求。

4 抗倾覆稳定性分析

4.1 架桥机的设计荷载

4.1.1垂直荷载

拟吊装40mT梁梁重：Q1=135t；

起重小车（含卷扬机）重：Q2= 7.5t；

天车梁（含纵向走行机构）重：Q3=7.3t；

前支腿总重：Q4= 5.6t；

后支腿总重：Q9= 5.6t；

模型简化后承重主梁左端（35m）总重：Q5= 46.2t；

模型简化后承重主梁右端（40m）总重：Q6= 52.8t；

1号天车及天车梁总重：Q7= 7.5 +7.3= 14.8t；

2号天车及天车梁总重：Q8= 7.5 +7.3= 14.8t；

架桥机的主梁、桁架及连结均布荷载：

q = 0.6 × 1.1= 0.66t/m;

取主梁增重系数1.1；取活载冲击系数1.2；

取不均匀系数1.1。

4.1.2水平荷载

①风荷载

风荷载需要选取工作状态时的最大允许风力，对于架桥机的最大允许工作环境风力为6 级，但在验算时，为了进一步保证安全，按照高一级风力计算（即7级风），7 级风的最大风压按照q1=19kg/m2计算。

②设备运行惯性力取：Φ= 1.1。

4.2 架桥机纵向稳定性计算

从本次架梁来分析，架桥机在纵向的稳定性最不利情况为架桥机悬臂纵向移动至满跨40m 位置时，架桥机此时的情况为前支腿悬空，1 号、2 号天车退行至架桥机后部起配重作用，计算模型如图2所示。

图2 架桥机的纵向计算模型

前支腿自重：P1= Q4= 5.6t；

后支腿自重：P2= Q9= 5.6t；

前段主梁自重：

P3= 0.66t/m× 2榀× 40m=52.8t；

后段主梁自重：

P4= 0.66t/m× 2榀× 35m=46.2t；

P5= Q2+ Q3= 14.8t；

P6= Q2+ Q3= 14.8t；

P7为风荷载，架桥机最大允许工作环境风力为6 级，验算时按照高一级风力（7级风）横向风荷载计算：

P7= 19kg/m2× 1.2× 141m2=3.2t，作用在中间支点以上2m处；

计算悬臂状态下的纵向稳定：M抗= 17.5P4+ 29P6+ 33P5+35P2

= 46.2× 17.5 + 14.8 × 29 +14.8 × 33+ 5.6 × 35 = 1922.1t·m；

M倾= 40P1+ 20P3+ 2P7

= 5.6 × 40 + 52.8 × 20 + 3.2× 2= 1286.4 t·m

架桥机纵向抗倾覆安全系数：

η= M抗/M倾

= 1922.1/(1286.4 × 1.1)

= 1.36 ＞1.3

可以看到，该抗倾覆安全系数虽满足要求，但处于安全临界状态。实际工程操作中，为了保证架桥机纵向行走万无一失，可采取用一台起重小车起吊一片T梁的前端作为配重（如图3所示），这样其安全稳定性系数将大幅度提高（具体计算此处省略），如此操作可完全确保架桥机纵向行走的安全稳定性。

图3 T梁作配重示意图

4.3 架桥机横向倾覆稳定性计算

4.3.1工作状态

从本次架梁来分析，架桥机的稳定性在横向的最不利情况为架设边梁时，建立简化模型，计算时，为了进一步确保安全性，可将整个架桥机的荷载全部简化到该平面，计算模型如图4所示。

图4 架桥机横向倾覆稳定性最不利情况

P1为作用在两支点中心的架桥机自重：

P1= 46.2+ 56.8 + 7.3× 2+5.6 × 2= 128.8t

导梁承受风的面积按照实体计算，其中μ1= 0.53,μ2= 0.5。

A =(1+μ1)(1+μ2)×Φ*A

=(1+ 0.53)×(1+ 0.5)× 62×2.25= 320.1525m2

P2为导梁承受的风荷载，作用在支点以上3.8m处，导梁形状系数取1.6。

P2= 1.6 × 1.39 × 19 × 320.1525= 13528kg= 13.53t

P3为天车梁所受风荷载，作用在支点以上5.179m 处，面积计算也按实体计算，导梁形状系数不变，则：

P3= 2× 1.39 × 1.6 × 19 × 0.8 ×0.46 × 4= 124kg= 0.124t

P4为起重小车和梁体的总重量，

P4= 7.5 × 2+ 135 × 1.1= 163.5t

P5为起重小车和梁体所受的风载，作用在支点以上8.113m处，

P5= 1.39 × 1.6 × 19 ×(3× 2×2+ 2× 30)= 3042.432kg= 3.0432t

对倾覆支点取矩，则倾覆弯矩和抵抗弯矩分别为：

M倾= P2× 3.8 + P3× 5.179 +P4× 1.435 + P5× 8.113= 311.34 t·m

M抗= P1× 4.8= 618.24 t·m

工作条件下架桥机的横向抗倾覆安全系数为：

μ= M抗/M倾

= 618.24/(311.34 × 1.1)

= 1.91＞1.3

由此可知，该抗倾覆安全系数可以满足要求，可以认为架桥机在工作状态下的横向移动是安全的。

4.3.2非工作状态

既然架桥机在工作状态下的抗倾覆稳定性系数是安全的，可以推断出架桥机在非工作状态下也应该是安全的，出于谨慎原则考虑，亦进行简单验算。

架桥机在非工作状态下的最不利位置是在架设边梁时，此时起重小车在横向的最边缘。考虑横风作用，其简化模型示意图如图5 所示。与工作状态下的图4 相比，图5 中无梁体，其他计算条件与图4相同，计算如下：

图5 架桥机非工作状态下最不利情况

2 台 起 重 小 车 的 总 重：P4= 7.5 ×2= 15t；

对倾覆支点取矩，则倾覆弯矩和抵抗弯矩分别为：

M倾= P2× 3.8 + P3× 5.179 +P4× 1.435 + P5× 8.113= 98.24 t·m

M抗= P1× 4.8= 618.24 t·m

因此，倾覆安全系数为：

μ= M抗/M倾

= 618.24/(98.24 × 1.1)

= 5.72 ＞1.3

可以看出，非工作状态下架桥机的安全系数几乎为工作状态下的3 倍有余，只要操作得当，完全没有问题，但仍需要提醒，从众多事故中总结的教训为：安全事故往往发生在本来安全性很高的地方，因为在这种环境中，操作工人的思想处于放松状态，容易疏忽大意。

5 结语

为了预先防范架桥机架梁过程中可能出现的安全问题，必须对架桥机的抗倾覆稳定性进行验算，建模分析计算是架桥机架梁施工安全的理论支撑，实际工程中绝不可以经验来估计安全稳定性。

在对架桥机的稳定性进行验算时除了考虑其本身的各项垂直荷载外，一定要考虑风荷载、惯性力等水平荷载，并分别计算架桥机在最不利情形（架设边梁）时纵横向工作状态及非工作状态的抗倾覆稳定性。当计算的安全稳定性系数接近标准值时，为提高施工安全性，可采取用提梁小车起吊一片T 梁的前端作为配重的方式来提高安全稳定性。

尽管计算的抗倾覆安全系数满足要求，但实际工作中，仍需要对操作工人加强思想安全教育，绝不可疏忽大意。

本文所述为一套完整的验证架桥机架梁安全稳定性的分析方法。该分析方法安全可靠，类似工程可以直接引用，对桥梁架梁施工项目具有一定的参考价值。