门式双主梁提梁机施工抗风性能研究

李永乐，杨 怿，陈 杰，蔡剑涛，刘耀强

(1.西南交通大学 桥梁工程系，成都 610031;2.中铁一局 新运工程有限公司，陕西 咸阳 712000)

兰新铁路第二双线是我国《中长期铁路网规划》的重点项目之一。由于该线所处地理位置特殊，有长达近60%的线路需要穿越新疆著名的烟墩、百里、三十里和达坂城四大风区，大风区内自然条件极其恶劣，是我国乃至世界铁路风沙灾害最为严重的地区之一。其中的百里风区、三十里风区是目前世界内陆铁路所经过的大风风速最高的地区之一［1-4］。沿线地区的风环境具有风速高、风期长、变化速度快等显著特点，部分地区年大风天数超过200 d。兰新铁路工期紧，不可避免地要进行有风情况下的提、运、架梁作业。

提梁机如果遭受如此大风侵袭而又无必要的防风措施，不仅会对提梁机本身造成损害，带来施工安全隐患，同时也可能延长工期而造成巨大的浪费，大风已成为影响机具安全与整体施工进度的控制因素。而国内外对于桥梁施工抗风研究大多针对桥梁主体结构本身［5－7］，对提梁机这类施工机具抗风性能的研究未见报道。因此，为确保提梁机的施工安全，对其整体抗风稳定性能进行研究十分必要。

本文以TLJ450/36型门式双主梁提梁机为对象，采用有限元方法分析了提梁机的抗滑移性能、抗倾覆性能以及被吊梁段的位移情况，明确了风速仪的安装位置，提出了实用的防风措施。

1 分析方法

TLJ450/36型提梁机为门式双主梁两支腿结构，适用于铁路客运专线32 m，24 m，20 m整孔双线箱梁的起吊、转移等工作。提梁机由主梁、刚性支腿、柔性支腿、大车走行机构、起重小车、电气系统等组成(如图1)。

图1 提梁机结构示意

在强风荷载的作用下，提梁机易发生整体滑移和倾覆现象，而结构自身构件的损坏较少，故在计算中，忽略结构自身弹性变形，仅计入构件自重与风荷载的作用。将各受力构件视为抗弯刚度相同的杆件，采用梁单元模拟。静力风荷载以线性荷载的方式施加到提梁机的主要迎风构件(如提梁机支腿、主梁走台)及混凝土梁梁段上，同时考虑迎风侧杆件对背风侧杆件的遮挡效应。施加风荷载时，对背风侧杆件的阻力系数进行了适当的折减。其它构件(如起重小车、控制系统等)采用质量单元模拟其自重，器械与地面接触点采用铰接约束模拟。提梁机计算模型如图2所示，图中AD(或BC)方向为提梁机走行方向。

图2 提梁机有限元模型

提梁机的计算风速取地面以上10 m高度处的风速，考虑0～50 m/s的风速变化范围，同时考虑风速沿竖直高度方向的分布，按下列公式计算

式中，Vz2为地面以上高度Z2处的风速(m/s);Vz1为地面以上高度Z1处(Z1=10)的风速(m/s);α为地表粗糙度系数。

风的静力作用按照静阵风荷载计算，对提梁机构件仅考虑风的阻力作用，对混凝土梁段考虑阻力和升力的共同作用。风的静力荷载按照下式计算

式中，FH、FV分别为单位长度构件的静风阻力和升力;ρ为空气密度;Vg为静阵风风速;CH、CV分别为各构件截面的阻力系数与升力系数;D、B分别为各构件截面的高度与宽度［8-10］。

2 抗风性能分析

针对提梁机可能出现的最不利情况，分别计算分析了提梁机空载状态、提梁工作状态、提梁防风状态等不同工作状况下的抗风性能。其中，空载状态和提梁防风状态时考虑沿提梁机走行方向的风荷载的作用，考察结构的水平抗滑移和抗倾覆性能。提梁工作状态时，考虑垂直于提梁机走行方向的风荷载的作用，考察结构的抗倾覆性能和混凝土梁段在风载作用下的位移，位移大小可反映风对施工的影响。

2.1 抗滑移性能

通过计算结构顺风向约束反力来分析提梁机的水平抗滑移性能，计算中最不利风向为沿提梁机走行方向。计算结果表明，提梁机处于空载或提梁防风状态，风荷载沿提梁机走行方向情况下，其顺风侧支点的约束反力值均随着风速增大而逐渐增大，且背风侧支点的反力值大于迎风侧(如图3所示)。支点 A，B，C，D的位置如提梁机模型图(图2)所示。

图3 空载状态顺风向约束反力

要保证提梁机不发生整体滑移，需要提供的制动力合力亦随风速增大逐渐增大，且提梁机沿走行方向的制动力合力大小与提梁机是否提梁无关，不同风速下所需要提供的制动力合力大小见表1。

表1 提梁机抗滑移所需提供的制动力合力

2.2 抗倾覆性能

通过计算结构各支点的竖向约束反力来分析提梁机的抗倾覆性能。以竖直向上为正，若某支点竖向反力值为负值，则该支点处脱离地面支撑。当迎风侧支点竖向反力值均为负值时，提梁机将发生整体倾覆。

计算结果表明，提梁机的背风侧竖向约束反力随着风速增加逐渐增大，而迎风侧反力随着风速增加逐渐减小。

空载状态时，最不利风向为沿提梁机走行方向。提梁机各支点竖向反力随风速变化如图4所示，由图4可知，当风速增加至35 m/s左右时，迎风侧支点 A竖向反力出现负值，当风速增加至40 m/s时，迎风侧支点B竖向反力也出现负值，提梁机将发生倾覆，需要采取必要的防风措施才能保证提梁机安全。

图4 空载状态各支点竖向反力

提梁工作状态时，最不利风向为垂直于提梁机走行方向。随着混凝土梁段被提升高度的增加，提梁机背风侧支点竖向反力值逐渐减小，迎风侧支点竖向约束反力略有增大，而竖向反力合力值随着提升高度的增大而减小。梁段提升至额定起升高度(28.5 m)时，迎风侧与背风侧支点竖向反力值均随风速的增大而减小，但在0～50 m/s的风速范围内，其竖向反力值均为正(如图5所示)，即提梁机提梁工作状态不会发生垂直于提梁机走行方向的倾覆。

吊梁防风状态，即提梁机处于非工作状态时，将起重小车吊住混凝土梁段，使钢丝绳处于绷紧而梁段未被吊起，最不利风向为沿提梁机走行方向。起重小车分别承受1 000 kN，2 000 kN力时各支点竖向反力值如图6和图7所示。承受全部梁重时，起重小车分别位于提梁机横梁中间位置和靠近支腿位置时各支点竖向反力值如图8和图9所示。

由图6和图7可知，提梁防风状态，提梁机竖向支点反力值随风速变化规律同空载状态一致。

随着起重小车拉力的逐渐增大，迎风侧支点竖向反力出现负值时所对应的风速值也逐渐增大，即相应的安全性越高。承受1 000 kN力的情况下风速达37 m/s时支点A反力为负值，承受2 000 kN的力情况下风速达39 m/s时支点A反力为负值。

由图8和图9可知，起重小车承受全部梁重时，小车位于横梁中间位置比起重小车靠近支腿位置处迎风侧支点竖向反力出现负值时所对应的风速值大，即起重小车位于横梁中间位置处时提梁机更安全。

2.3 混凝土梁段位移

提梁工作状态，混凝土梁段提升至不同高度时顺风向位移如图10所示。由图10可知，随着混凝土梁段提升高度的增加，梁段的顺风向位移逐渐减小，21 m/s风速时，梁段最大顺风向位移约为4 cm。

图8 起重小车位于横梁中间位置时各支点竖向反力

图9 起重小车靠近支腿位置时各支点竖向反力

3 风速仪安装位置

提梁机的抗风稳定性能是随着风速而变化的，而风速又沿高度有变化。要明确提梁机所在位置处的风速变化情况，可通过安装风速仪实时监控。

由于提梁机计算风速为离地面高度10 m处的风速，故风速仪应安装在相应高度处。但为了消除提梁机自身构件对风场环境的影响，可在距离提梁机一定距离，地表相对平坦，且周边无其它高大结构物的位置处单独安装风速仪。风速仪高度为离地10 m，测试风速应为10 min平均风速。

4 防风措施

为了确保提梁机在强风作用下的的安全性，还需要采取必要的防风措施对其进行加固。

前述计算分析表明，起重小车位于提梁机横梁中间位置时效果更好，停止施工作业时可采取吊梁状态以增加抗风稳定性，吊绳内力不宜过小。

此外，提梁机空载状态时，随着风速的增大，提梁机有倾覆的可能性，可在提梁机设置抗拉设备以防止其被吹翻。可采用将大车走行轮组用夹轨器与轨道连接，或在提梁机两侧设置拉杆等防风措施。

5 结论

1)提梁机空载状态时，随着风速的增大，要保证提梁机不产生沿走行方向的滑移，所需要提供的制动力合力逐渐增大。当风速为35 m/s时，迎风侧一支点竖向反力出现负值。

2)提梁工作状态时，垂直于提梁机走行方向的抗倾覆稳定性较好。当风速为21 m/s时，混凝土梁段在风荷载作用下的顺风向位移约为4 cm。

3)提梁机吊梁防风状态时，随着起重小车张拉力的逐渐增大，提梁机抗倾覆稳定性逐渐提高，起重小车置于提梁机中间位置时具有更好的抗风稳定性。

4)风速仪应在距离提梁机一定距离，地表相对平坦，且周边无其它高大结构物的位置处单独安装。风速仪高度为离地10 m，测试风速为10 min平均风速。

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