富龙西江特大桥小箱梁U形流水线移动台座优化

栾志雄，商小平

（中交路桥华南工程有限公司，广东中山528400）

1 引言

就预制箱梁而言， 传统的施工工艺流程存在固定台座利用率低、台座数量多、台座占地面积大等诸多弊端。 为了解决这些问题，目前已有大量学者对其展开研究。 陈礼彪和陈荣刚提出了一种自行式台座工厂化流水线施工[1]，这种施工工艺减少了台座的使用数量，提高了预制箱梁的生产效率，并有效降低了施工成本，增强了经济效益。 宋春雨则先对钢台座和混凝土台座造价和使用性能进行了分析对比[2]，随后确定利用钢材制作移动台座， 发现这种材质的移动台座在保证施工进度的同时，可以重复周转利用，降低了施工成本，并有效加快了模板和台座的周转周期。 王海峰则对传统生产线和基于移动台座的智能化流水线进行了分析对比[3]，从成本、质量、工期、作业环境等方面均表现出基于移动台座的智能化流水线具有高效性和实用性。

2 工程概况

富龙西江特大桥工程既是广东省 “十三五” 重点建设项目，也是佛山市推动粤港澳大湾区建设交通先行的重点项目。项目路线全长5.81 km，设主桥1 座、枢纽互通立交2 处。 互通立交上部结构采用30 m 预制小箱梁的结构形式，其智慧梁场位于项目标尾，占地面积34 140 m2，采用新型流水线形式，分为钢筋加工区、箱梁成型区、横移区、雾化养生区、张拉区、存放区6 个区域，承担项目1 260 片30 m 预制小箱梁施工。

结合场地特点，项目首创一种U 形流水线施工方式布置，以移动台座+ 固定液压模板为核心， 使梁体预制生产中以固有节拍移动，对各工序施工区域进行工位匹配，使操作工人在固定区域、固定的时间进行专业化作业，提升施工标准化水平和生产效率。 同时集合运用信息化、自动化、智能化等技术，对主要设备进行研发及技术升级迭代， 推进预制小箱梁施工工业化升级。

根据预制小箱梁施工工艺， 梳理出预制小箱梁流水线包括底腹顶板钢筋绑扎、波纹管安装、模板安装、混凝土浇筑、恒温恒湿养护等共17 道施工工序。

在整个预制小箱梁生产过程中，通过移动台座的纵、横向移动及回流，有效串联各功能区，实现了预制小箱梁制造过程中功能区域间的轨道精确对位连接、相互衔接，并形成循环生产，形成U 形流水线作业。合理设计的移动台座确保了预制小箱梁在各种外部环境下都能保持足够的稳定性， 提高了结构的安全性。

3 移动台座设计

3.1 纵向移动台座设计

纵向移动台座是指可以在纵向方向上进行调整或移动的支撑结构，通常用于调整结构的高度或位置。这种台座的调整方向通常是垂直于地面或结构的纵轴方向。 纵向移动台座共10 跨，边跨悬挑1.3 m，中跨均为3.8 m，总长33 m，主梁采用12 mm 厚钢板焊接形成矩形钢箱。 台座梁高424 mm，宽795 mm，纵向间隔设置加劲肋。 设计9 组轮箱组成行走系统，主从动轮箱间隔布置。

3.2 横向移动台座设计

横向移动台座是指可以在横向方向上进行调整或移动的支撑结构， 通常用于调整结构在平面内的位置或水平位置的调整。 横向移动台座共7 跨，边跨悬挑1.4 m，中跨均为6.2 m，主梁采用两道H588 mm×300 mm 型钢，上下粘贴2 cm 厚钢板形成。 沿主梁纵向每隔1 m 设置一道H500 mm×200 mm 钢横向联系梁，纵向设置6 道支腿。

4 验算结果及分析

采用Midas Civil Designer 建立计算模型， 针对预制小箱梁U 形流水线施工过程中台座、小箱梁所受恒载、可变荷载、偶然荷载等荷载组合及分析，计算结果如下。

4.1 纵向移动台座验算

4.1.1 结构验算

纵向移动台座考虑结构自重、小箱梁荷载、地基沉降等荷载工况，分别进行荷载组合验算，详见表1。

表1 各部件计算一览表

4.1.2 支座脱空的极端不利情况验算

考虑施工过程中9 组轮箱不平衡，对任一轮箱脱空的不利工况进行组合验算，共计5 组验算，验算结果显示1#轮箱脱空即最外侧轮箱脱空时为最不利工况，其验算结果如表2 所示。

表2 最不利工况验算结果一览表

4.1.3 驱动力设计

移动台车设计为框架式钢结构，主梁为箱形截面。采用转速为690r/min 的三向异步电动机作为驱动电机， 其功率为2.2kW，行走轮直径24.5cm，行走速度4m/min。

驱动力需求主要考虑移动台座承受的预制梁自重（900 kN）、台车自重及其附件荷载（300 kN），钢质车轮与钢轨之间滚动摩擦系数考虑0.005，钢与钢之间静摩擦系数0.15。移动台座克服摩擦力的驱动力需求F＞193.5 kN； 单个电机及轮组提供扭矩4 kN，转换输出力33 kN；经计算，最少须6 台该型号电机驱动该台座。设计采用4 组8 台该类电机驱动台车。

4.2 横向移动台座验算

4.2.1 结构验算

横向移动台座考虑结构自重、小箱梁移动荷载、地基沉降等荷载工况，分别进行荷载组合验算，详见表3。

表3 各部件计算一览表

4.2.2 支座脱空的极端不利情况验算

考虑施工过程中6 组轮箱不平衡， 对任一轮箱脱空的不利工况进行组合验算，共计3 组验算，验算结果显示1#轮箱脱空即最外侧轮箱脱空时为最不利工况，其验算结果见表4。

表4 最不利工况验算结果一览表

4.2.3 驱动力设计

采用转速1 380 r/min 的三向异步电动机作为驱动电机，其功率3 kW；行走轮直径24.5 cm；行走速度4 m/min；移动台座克服摩擦力的驱动力需求F滑＞238.5 kN；单个电机及轮组提供扭矩5.5 kN， 转换输出力F输出=45 kN；F滑/F输出=5.303； 经计算，最少需6 台该型号电机驱动该台座。 设计采用6 组该类电机驱动台车。

4.3 小箱梁验算

运载的小箱梁由于未张拉预应力钢筋，故按钢筋混凝土结构对箱梁自重、台座变形等工况进行验算。 台座变形验算的目的主要是评估小箱梁在承受荷载时的变形情况。 通过变形计算，可以确保结构在受到外部荷载时，其变形保持在可接受的范围内， 不会导致结构的功能失效或对周围环境产生不良影响。 故利用Midas Civil Designer 进行数值模拟，经过验算得出最大下挠为0.24 mm，符合结构安全设计的要求。 台座应力验算的目的是用于评估小箱梁在承受荷载时内部的应力状态，包括正应力、剪应力等。 应力计算可以确保结构在受到外部荷载时，其内部应力保持在可接受的范围内，避免超出材料的承载能力， 从而保证结构的安全性和稳定性。 故利用Midas Civil Designer 进行数值模拟， 经过验算得出最大拉应力0.69 MPa，最大压应力1.36 MPa，也符合结构安全设计的要求。

在纵向移动台座过程中易发生轮箱不平衡，可能会导致设备产生振动和噪声、设备失衡、给相关的支撑结构和基础带来额外的载荷等多种问题，为了有效避免这些问题的发生，考虑纵向移动台座施工过程中9 组轮箱不平衡， 对任一轮箱脱空的不利工况进行组合验算，共计5 组验算，验算结果显示1#轮箱脱空即最外侧轮箱脱空时为最不利工况， 其验算结果可绘制持久状况正截面抗弯验算包络图（γ0S≤R，其中，γ0为结构的重要性系数；S 为承载能力极限状况下作用组合的效应设计值；R 为结构构件的承载力设计值），最不利位置的弯矩为-179.693 16 kN·m。此外，经过包络情况发现，在结构的设计寿命内及不同时间点下， 结构截面的抗弯承载能力与应力需求均符合结构抗弯能力的需求， 小箱梁在设计寿命内能够保持足够的安全性和稳定性。

5 结语

本研究以富龙西江特大桥为工程案例， 结合有限元软件Midas Civil Designer 对小箱梁U 形流水线移动台座优化性能展开计算分析，得出以下结论：

1）富龙西江特大桥小箱梁智能流水线实现了小箱梁精准预制，小箱梁预制的轴线偏位、外轮廓尺寸、高程等理论上可达到“零误差”。 根据业主、监理和施工单位的联测数据，预制小箱梁预制完成后其轴线偏位、 外轮廓尺寸、 高程误差均在5 mm 以内，充分满足项目高品质要求。

2）富龙项目智慧梁场在预制小箱梁施工中，自主探索、勇于创新，在广东范围率先开展了流水线预制梁施工模式，对预制小箱梁采用流水线施工做出了探索， 针对流水线核心设备——移动台座进行各种计算分析， 并根据施工需求进一步优化移动台座，实现施工便捷、高效、安全的目标。

3）横向移动台座支腿采用的是“弓形”结构，优化了支腿结构受力，降低了横向刚度影响；行走系统采用销轴铰接独立轮箱，提高台车对横向轨道不平整度的自调整适应性；横向移动台座设置三向移梁稳定装置，由轨道对接板、防翘头装置、夹轨器组成，横移轨道与纵移轨道对接时，能提升定位精确、实现平稳制动。