铁路客运专线YZ2500移动支架造桥机受力分析

宋树峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

普兰店海湾特大桥为哈大客运专线(大连至沈阳段)的关键性工程，全长4.96 km，桥址区地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。考虑该桥处于高地震烈度区并跨越深水主海沟及与既有沈大高速公路跨海湾桥尽量对孔等因素，主桥跨海部分采用18孔56 m简支箱梁结构。

18孔56 m简支箱梁施工方法为先吊装预制节段，再浇筑湿接缝，最后张拉纵向预应力钢束，包含湿接缝在内每孔箱梁重约22 000 kN。移动支架主要用于支承预制节段混凝土箱梁完成湿接缝浇筑以及预应力束张拉的任务。

移动支架造桥机施工技术于20世纪50年代起源于西欧，在国内公路、铁路的桥梁建设中也有较多采用移动支架技术施工的工程实践，但梁体自重鲜有超过15 000 kN的工程实例。普兰店海湾大桥主桥施工所采用的YZ2500造桥机，设计承载能力达到25 000 kN，位于国内客运专线铁路施工的前列。由于哈大客运专线为无砟轨道，这对造桥机施工工艺水平及结构自身的强度与刚度都提出了更高的要求。

2 YZ2500移动支架造桥机构造及工作原理

2.1 造桥机基本参数

(1)主机自重:12 000 kN(主桁+下托梁);

(2)2 300 kN提梁吊机结构自重1 000 kN，额定起重量为2 300 kN;

(3)整机走行方式:连续千斤顶+钢绞线拖拉，在滑座上滑行;

(4)整机走行速度:15～20 m/h;

(5)整机总功率:250 kW;

(6)整机纵向稳定系数:K=2.8;

(7)主梁工作弹性挠跨比:1/1 144;

(8)适应纵坡:3%以内;

(9)平均工作效率:15 d/跨。

2.2 造桥机构造

哈大客运专线普兰店特大桥工程56 m跨混凝土箱梁造桥机由原帕克西造桥机改造而成，主要由主桁、横联、吊挂系统、走行机构、墩旁托架系统及提梁吊机组成。如图1所示。

2.3 造桥机工作原理

造桥机采用“预制节段吊装+原位现浇湿接缝”的工作方法。混凝土节段箱梁从预制场由运梁台车或驳船运送至造桥机端部的提梁吊机下，吊机从一侧依次将预制梁段吊装至设计位置，全部节段吊装完成后，将各节段箱梁调整至设计位置，安装湿接缝支架及模板，绑扎钢筋，穿预应力钢绞线，现浇湿接缝，待湿接缝混凝土达到设计要求的强度后张拉梁内预应力束成孔，拖拉造桥机进入下一孔梁施工。

2.4 造桥机过孔

造桥机实际过孔中，考虑到下托梁和桥墩之间的距离过小，过孔时将全部托梁拆除，待造桥机进入下一孔后，再将其安装到位。造桥机过孔如图2所示。施工现场见图3。

图1 造桥机总体布置(单位:cm)

图2 造桥机过孔示意

3 YZ2500移动支架造桥机有限元模型的建立

移动支架造桥机是普兰店海湾大桥主梁施工过程的关键设备，其强度和刚度对主梁线形及施工过程的安全性具有决定性作用。为了保证箱梁的施工质量及施工过程的安全，对移动支架造桥机进行整体及局部强度和刚度分析是非常必要的。利用有限元法计算分析的结果较常规的解析法更为准确、可靠、直观，且可直接获得解析法难以得到的局部区域应力和变形分布规律。

图3 施工现场照片

(1)单元选取

对造桥机分析计算采用的是有限元综合分析程序MIDAS/CIVIL。考虑到造桥机的杆件受到弯矩的影响，因此，模型主要以梁单元考虑。造桥机的主要杆件，采用的是高强度螺丝连接，各杆件之间实际上是固结的，所以建模时，梁单元之间的连接采用刚结。

梁单元上作用的荷载有跨中集中荷载、分布荷载、温度荷载及预应力荷载等。梁单元示意如图4所示。

图4 梁单元示意

(2)边界条件

对于YZ2500型造桥机，导梁与主桁采用刚体连接，横联端部与主桁为铰接，因此该单元采用端部约束释放进行模拟。提梁吊机、混凝土箱梁均按重量转换为集中力施加于结构节点。模型如图5所示。

图5 造桥机空间模型示意

4 YZ2500移动支架造桥机整体受力行为分析

主桁上弦、下弦拉应力和压应力，竖杆与斜杆拉应力验算按照钢材的抗拉、抗压强度容许值f=280 MPa进行评判，而对于竖杆与斜杆等杆件受压时应考虑其局部稳定性，压应力按照稳定容许应力评判。

4.1 空载(含下托梁)状态分析

(1)位移计算结果(图6)

图6 空载状态下造桥机挠度示意

挂全部托梁后，在自重荷载作用下造桥机跨中最大挠度为-6.8 mm，悬臂端最大挠度为-18.9 mm。

(2)强度计算结果

①斜杆与竖杆强度验算

斜杆与竖杆应力如图7所示，图中正值表示拉应力，负值表示压应力，下同。

图7 空载状态下造桥机斜杆与竖杆应力图(单位:MPa)

由图7可知，斜杆最大拉应力为23.5 MPa，满足规范要求。竖杆最大压应力为-29.9 MPa，满足稳定容许应力的要求。

②主桁上弦与下弦强度验算

主桁上弦与下弦应力如图8所示。

图8 空载状态下造桥机上弦与下弦应力图(单位:MPa)

由图8得出，上弦最大拉应力为20.8 MPa，下弦杆最大压应力为-29.8 MPa，满足规范要求。

4.2 满载(含湿接缝)状态分析

(1)位移计算结果(图9)

图9 满载状态下造桥机挠度示意

施工梁段接缝后，在自重和荷载作用下，造桥机跨中最大挠度为-47.8 mm。

(2)强度计算结果(图13)

①斜杆与竖杆强度验算

斜杆与竖杆应力如图10所示。

图10 满载状态下造桥机各斜杆与竖杆应力图(单位:MPa)

由图10可知，斜杆最大拉应力为103.9 MPa，满足要求。新制斜杆最大压应力为-105.3 MPa，满足稳定容许应力要求。

②主桁上弦与下弦强度验算

主桁上弦与下弦应力如图11所示。

由图11得出，杆件最大拉应力为102.8 MPa，杆件最大压应力为-85.1 MPa，均满足规范要求。

4.3 走行状态分析

图11 满载状态下造桥机上弦与下弦应力图(单位:MPa)

造桥机走行过程为:施工完一个桥跨时，在墩旁托架安装纵移牵引装置，连续千斤顶拖拉移动，支架向下一桥跨方向走行，直到造桥机设计的支点成功安放在桥墩处。

造桥机在走行过程中总体上处于2种受力状态:(1)造桥机为两点支撑，处于悬臂状态;(2)当造桥机的前导梁到达下一桥跨的桥墩时，造桥机转变为三点支撑，造桥机受力状态与带悬臂的连续梁相同。由结构力学知，相同长度的结构(梁体等)，两点支撑的悬臂结构受力状态较三点支撑的连续梁不利，因此，计算分析时取造桥机处于两点支撑的悬臂状态进行校核。

由于施工阶段较多，限于篇幅仅将造桥机走行至最不利位置时，即造桥机处于最大悬臂状态时的情况分析如下。

(1)位移计算结果(图12)

图12 造桥机走行至最不利位置时挠度示意

自重荷载作用下造桥机右悬臂端挠度最大，最大值为-45.5 mm。

(2)强度计算结果(图13)

图13 造桥机走行至最不利位置处各杆件应力图(单位:MPa)

由图13得出，最大拉应力的杆件为悬臂端支撑点附近斜杆，最大拉应力为59.9 MPa，满足规范要求，最大压应力的杆件也为悬臂端支撑点附近斜杆，最大压应力为-76.7 MPa，满足稳定容许应力要求。

4.4 造桥机屈曲分析

由前面计算结果可知，造桥机各单根杆件的应力均满足稳定要求，但造桥机是一个杆件众多、受力复杂的整体结构，因此，非常有必要对整体模型进行特征值屈曲分析，以确定移动支架在箱梁施工过程中的防失稳安全储备。

造桥机一阶屈曲模态如图14所示，一阶屈曲特征值λ=4.512，杆件最大压应力为-117.2 MPa，造桥机的整体稳定性满足要求。

图14 造桥机一阶屈曲模态

5 结论

通过计算分析，箱梁在组拼完成并且湿接缝浇筑完毕后，造桥机主桁跨中挠度及杆件应力均达到最大，主桁杆件最大应力出现在下弦杆跨中处，竖杆及斜杆最大应力发生在造桥机支座附近。鉴于此，原帕克西造桥机在改造时将应力较为集中的主要杆件进行了加强，对于已经无法加强的杆件进行了替换。本文采用有限元法对哈大客运专线普兰店海湾大桥YZ2500移动支架造桥机在施工过程中的受力行为进行了分析，详细计算了造桥机在各个施工工况中主桁及连接杆件的应力和变形情况，验证了造桥机的安全性与稳定性。由于该类型造桥机具有承载能力高，抗弯刚度大，主梁变形小，可设置预拱度控制线形，利于连续多孔标准化作业，便于施工管理等优点，在铁路工程施工中具有较高的普及推广价值。

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