装配式桥梁架桥机施工力学特性及工艺研究

龚长华，郭奕辰，闫 博，李文杰

(1.中铁十五局集团第三工程有限公司，四川 成都 641418；2.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471000；3.天津理工大学 工程管理学院，天津 300384)

随着山区公路建设的迅猛发展，出现了多种桥梁样式。其中中小跨径预制装配式混凝土桥梁具有标准化集中制作、结构性能优良、成本低、制作工期短、对环境污染小等优点[1-3]，被大量应用于公路桥梁建设。预制梁架设作为装配式混凝土桥梁成桥阶段的施工重点之一，对施工起吊设备具有较高要求[4]。架桥机作为桥梁预制安装时使用最多的起吊设备，其结构力学特性直接影响预制梁架设过程安全性和桥梁施工质量[5]。

架桥机力学特性分析常用的方法有解析法和有限元法[6]。由于架桥机零部件众多，解析法通常针对主要构件进行解析计算，对销板、销轴等细部结构分析较少，因此解析法对于架桥机结构的真实受力情况考虑的并不全面，计算结果有较大偏差[7]。有限元法通过模拟架桥机构造，分析各施工阶段整体结构和细部结构的内力、变形分布规律及数值[8-10]，该方法具有计算精确、契合实际的优点。许多专家学者利用有限元法对架桥机静态强度进行了研究。如，谢瑾荣[11]利用ANSYS有限元软件建立了TPZ/48型架桥机有限元模型，研究了大跨度钢箱梁式架桥机在施工阶段的稳定性，并采用非线性屈曲分析法探究了架桥机结构存在初始缺陷时的屈曲失稳规律；孙振军[12]利用有限元法进行了JQS35-220t步履式双导梁架桥机在悬臂、跨中和跨端工况下的静力学分析和模态分析，得到了该架桥机结构的安全余量，同时优化了架桥机结构；郭永成[13]采用Midas Civil有限元软件建立了3种型号架桥机模型，分析了不同型号架桥机在150 t吊重荷载作用下，其主梁、前后支腿等钢构部分的强度、刚度及稳定性是否满足使用需求。此外，一些专家学者结合架桥机主梁的特殊受力位置及架桥机运行姿态调整情况，对架桥机吊设安装施工技术进行了研究[14-16]。

本文以遂德高速公路九岭岗大桥项目依托，利用Midas Civil有限元软件建立架桥机模型，分析架桥机在3种工况下的应力状态、变形规律和整体结构稳定性。

1 工程概况

遂德高速公路九岭岗大桥全长565 m，左右幅分离式布置，全桥按照双向四车道高速公路标准建设，设计路基宽度26 m，根据山体走势布置不等桥跨，桥梁上部结构采用40 m预制T梁与20 m预制箱梁的混合形式。其中，40 m预制T梁144片，最大单片重约50 t；20 m预制箱梁64片，最大单片重约43 t。两种梁片均通过架桥机进行架设。

本项目采用JQJ型180t/40m步履式公路架桥机施工，40 m预制T梁架设采用配重过孔的方式，20 m预制箱梁架设采用自平衡过孔的方式，两种梁片一次性架设就位。架桥机主要结构为三角桁架式结构，利用型钢和钢板焊接而成，抗风性能好。为了方便运输和现场安装，架桥机主结构之间采用销轴和法兰连接。该架桥机在结构上可以分为主梁、提升小车、前支腿、中支腿、反托架、后支腿、行走轨道、运梁平车、液压和电气等部分，这些部分构成一个完整的结构体系。架桥机性能参数如表1所示。

表1 JQJ型180t/40m步履式架桥机技术参数

2 架桥机有限元模型建立

架桥机主梁在静力作用下强度、刚度不足，容易造成局部或整体结构失稳，直接影响预制梁架设安全性、可靠性和桥梁施工质量。本文通过有限元软件模拟架桥机构造，分析架桥机在过孔、架梁施工阶段薄弱受力位置的应力、变形分布情况以及屈曲稳定性。

采用Midas Civil软件建立架桥机结构空间有限元模型，主梁长66 m，构件材料选用Q345钢材。模型单元总数为980、节点总数为378，其中主梁上下弦、横托弯梁采用一般截面梁单元模拟，腹杆及底架支撑采用桁架单元模拟。为简化模型计算，通过设置支承数量、形式、位置来表示架桥机在各种工况下的支腿支承，采用节点刚性连接模拟构件间连接，将天车吊设的移动荷载转换为节点荷载施加于主梁上弦杆。架桥机构造模型如图1所示。

图1 架桥机构造模型

3 架桥机主梁静力分析

3.1 架桥机主梁强度分析

计算架桥机主梁主要构件强度时，需要考虑过孔、架中梁、架边梁3种不利荷载工况。过孔工况下，主梁前支腿尚未支承于下一跨墩柱，主梁悬臂端部弯矩最大，需要校核此状态下主梁上下弦的强度；架中梁工况下，当提升小车运送40 m预制T梁移动至距离支撑端约41 m 的主梁跨中位置时，主梁弯矩呈现最大值；架边梁工况下，当提升小车偏移架桥机主梁一侧时，主梁中的剪力最大，需校核此状态下主梁腹杆的强度及稳定性；架设边梁工况下，前支腿受力最不利，需要考虑该工况下前支腿强度。架桥机主要构件应力计算结果如表2所示。在不利工况下，架桥机上下弦杆、提升小车横梁、腹杆、销轴、中托弯梁等主要构件强度均满足材料性能要求。

表2 主梁杆件内力计算值

3.2 架桥机主要构件刚度分析

依据GB/T 26470-2011《架桥机通用技术条件》[17]规定，主梁静态刚度应不大于L/400(L为主梁计算跨径，取39 750 mm)，故本项目架桥机在架设40 m预制T梁时，架桥机主梁的许用挠度[f]应满足[f]≤L/400(L/400=39 750 mm/400=99.4 mm)。

悬臂工况下，提升小车空载，前支腿向架桥机梁跨前端移动呈悬空状态，中支腿和后支腿固定于已架设桥跨。此工况下架桥机有限元模型的前支腿不设置约束，中支腿与后支腿处设置Dy、Dz方向一般支承约束，同时施加自重荷载。通过模拟分析可知，悬臂工况下主梁前支腿竖向位移变形量最大，最大值达到56 mm，小于许用挠度99.4 mm，满足主梁刚度设计要求。

跨中工况下，前支腿支承于下一墩柱盖梁上，中支腿和后支腿固定于已架设桥段，提升小车满载75 t进行移动。模型中前支腿、中支腿以及后支腿节点设置Dy、Dz方向一般支承约束，提升小车载重以集中荷载形式作用于主梁，方向竖直向下。通过模拟分析可知，跨中工况下前支腿与中支腿间主梁简支段竖向位移变形量最大，最大值达到87 mm，小于许用挠度99.4 mm，满足主要构件刚度设计要求。

3.3 架桥机整体稳定性分析

对最大悬臂状态下架桥机模型施加2倍以上的特征值屈曲荷载，架桥机屈曲失稳模态如图2所示。通过屈曲模态分析可知，架桥机失稳主要发生在主梁跨中桁架杆处，屈曲稳定安全系数为15.8，大于《起重机设计规范》[18]要求的屈曲稳定安全系数4，即架桥机整体结构稳定性满足设计要求。

图2 架桥机整体稳定性分析

以上架桥机验算是按照40 m预制T梁荷载验算，满足安全要求，因此，针对该桥20 m跨径预制箱梁架设施工，架桥机跨度、荷载均变小，因此使用同型号架桥机架设20 m预制箱梁也是安全的。

4 预制梁架设施工关键技术

4.1 施工工序

(1)架桥机过孔。架桥机架设简支梁时，需要使架桥机先通过预架设梁跨，架桥机过孔状态如图3所示。首先，在架设完成的梁片上方指定位置安置架桥机；然后，利用架桥机液压系统将3号和0号支腿收起，之后将架桥机主梁前行至桥梁2/3跨径位置，并放出3号支腿和1号支腿将架桥机架起；接着通过移动2号支腿将主梁导梁沿悬臂端方向移动，使0号支腿置于独立盖梁上方越过中线1 m位置；最后驱动1号支腿移动至边缘位置盖梁上方，完成架桥机过孔阶段。

图3 架桥机过孔

(2)架桥机架梁。利用运梁车辆运送预制梁片至架桥机起吊梁位置，在架桥机2号和3号支腿之间吊起预制梁片，通过架桥机前后两部吊梁小车同时前进带动预制梁前行至预定梁位上方，如图4所示。因架设梁片时后支腿承受的质量较大，需在3号支腿下方铺设一道横梁，将梁片准确对位在设计位置，同时在支座按设计和《公路桥涵设计通用规范》[19]要求安装好后方可落梁。

图4 架桥机架梁

4.2 施工注意事项

(1)结合架桥机力学特性分析结果，确定主梁与导梁联接处即主梁悬臂端部、主梁腹杆、桁架杆为架桥机薄弱部位，应增大该位置的结构刚度，并在架桥机运营各阶段监测该部位，必要时增加外焊钢板，以提高其稳定性。

(2)位于主梁前方的吊梁小车通过吊具缓慢吊起预制梁前端，在提升约70～90 mm 高度后停止起吊(禁止将梁前端提升超过100 mm)，起吊速度应控制在0.56 m/min以下，同时保证起吊平稳。这样通过同步控制装置，前方吊梁小车和托梁装置可一起驱动牵引箱梁前移，前移速度通过变频电机应控制在3.1 m/min以下。

(3)桥梁架设按照“先中梁后边梁”的顺序进行。由于本标段桥梁单幅梁片数为4片或6片，架设时应先架设中梁，然后架设内边梁，最后架设外边梁。在梁板安装前，应对垫石、支座中心进行复核。在距离支座20～30 cm 高度时，应提前对中测量，以保证梁体与支座对中安装。

(4)不同跨度或不同形式梁体转换时，需调整后支腿横梁配重，以平衡主梁吊装产生的弯矩。应注意前支腿在梁跨与盖梁连接位置的支承稳定性，确保架桥机主梁前后处于同一高度。

5 结论

(1)通过对架桥机主要构件在过孔、架中梁、架边梁3种不利荷载工况下的强度分析得出，架桥机主要构件均满足材料性能要求。其中过孔工况下，主梁上下弦悬臂端部弯矩最大，该位置最大应力小于材料许用应力；架中梁工况下，主梁上下弦跨中及提升小车横梁跨中应力值均小于材料许用应力；架边梁工况下，前支腿受力最不利，最大应力小于材料许用应力。

(2)通过对架桥机主梁进行静态模拟分析得出：悬臂工况下，主梁前支腿端竖向位移变形量最大值小于许用挠度；跨中工况下，前支腿与中支腿间主梁简支段竖向位移变形量最大值小于许用挠度。

(3)通过屈曲稳定性分析，确定了架桥机失稳主要发生在主梁跨中桁架杆位置，同时得出本工程架桥机主梁屈曲稳定安全系数大于规范要求值，满足设计要求。

(4)本文架桥机验算是按照40 m 预制T梁荷载验算的，满足架桥机安全要求；对于40 m以下跨径的梁片来讲，跨度、荷载均变小了，故架桥机架设这些梁片也是安全的。

(5)通过用有限元法对山区不等跨径高墩预制梁桥架设施工阶段力学特性的分析，发现了架桥机在3种工况下最不利控制位置，并结合现场施工操作得出了相应施工注意事项，保证了预制梁架设安全与工程质量，达到了预期工程效果。