变跨架桥机箱型主梁结构设计分析

惠记庄，史 合，王斌华，张红俊，李 梦，程顺鹏

(1.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064； 2.长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064； 3.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

装配式钢桥结合了钢结构桥梁和装配式技术，具有结构简单、安装方便、质量较轻及回收率高等优势，被广泛应用于应急交通保障工程、城市快速架桥领域中[1-2]。为充分发挥公路钢桥的优势，2016年交通部《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》提出了“大力推进钢结构桥梁建设标准化设计、工业化生产、装配化施工”的要求[3]。由于架桥机具有机动灵活、安全可靠等优点，因此已成为装配式钢桥的主要施工设备。

装配式钢桥跨度范围较大，单车道桥梁跨径可达66 m[4]，跨度类型较多，传统的架桥机一般只适用于固定跨度的桥梁架设，例如北戴河通联路桥机械有限公司研制的TLJ900t架桥机，实现了20～30 m桥梁跨度架设；意大利尼克拉(NICOLA)公司研制出一款一跨式箱型架桥机，能够架设35、30 m和25 m的箱梁；长沙理工大学李喜红对架设40 m混泥土梁的HD200型贝雷式公路架桥机进行了验证，结果表明该架桥机能够解决40 m的架梁问题；JQC40A型公路架桥机主梁由上弦杆、弦杆和角钢型腹杆组成一个空间三角形结构，可以充分利用材料；中铁工程机械研究设计院研制JQ450架桥机，用于架设广珠城轨铁路24～32 m跨度的桥梁；DJ50/160步履型伸缩臂式单导梁架桥机可以架设公路桥梁50 m及以下跨度预应力钢筋混凝土梁片[5-10]。

综上所述，传统架桥机在架设不同跨度桥梁时多采用固定结构主梁，设备自重大、利用率低，降低了施工效率。本论文提出了一种针对装配式钢桥架设的架桥机主梁变跨设计方案，通过拼接不同长度的主梁，能实现主梁由20 m到30 m跨度的架设，扩大了架桥机架梁跨度的适用范围，优化了设备自重，减少了运输成本。此外，本文针对2种跨径桥梁，分别选择3种危险工况进行结构的强度、刚度和稳定性分析。

1 变跨架桥机主梁设计分析

本文所设计的架桥机主梁采用箱型结构，变跨前的主梁结构如图1(a)所示，上下对接后主梁腹板区采用高强度螺栓连接，增大主梁抗弯性能。在进行变跨作业时，拆掉主梁中间拼接段的高强度螺栓，将所需长度的预制梁与原主梁拼接，仍然采用高强度螺栓连接，如图1(b)所示，使主梁增长，适应大跨度桥梁，变跨后主梁腹板增高。

图1 主梁简图

2 架桥机主梁设计

2.1 桥梁跨度L=20 m主梁设计分析

架20 m跨架桥机主梁的设计参数见表1。

2.2 截面选择

架梁时要求既可以调节桥梁架设长度，调整主梁宽度，又可以达到快速、高效架梁的要求，因此箱型截面采用如图2所示的形式。主梁采用Q345钢板，弹性模量E=210 GPa。

表1 架梁参数

图2 主梁截面

2.3 主梁载荷分析及计算工况

(1)在架梁过程中，主梁载荷主要包括梁体载荷(QL=40 t)和天车重量引起的可移动载荷(10 t)，主梁自重简化的平均载荷(q1=9 613 N·m-1)，载荷组合按照《起重机设计规范》计算。

(2)由于本文所设计主梁为对称结构，因此针对单主梁进行计算。经计算分析，架桥机施工过程中主要考虑以下3种危险工况。

工况一：纵移悬臂过孔工况。当架桥机纵移过孔时，主梁空载前行，主梁前支腿到达下一桥墩位置，处于悬臂状态，而未支撑于桥墩，该工况下主梁的受力简图如图3所示。

图3 架桥机悬臂过状态受力

已知QQZT=45 000 N，主梁承受的最大弯矩

(1)

主梁承受最大应力

230 MPa

(2)

可知主梁所受应力满足要求，主梁产生的挠度

(3)

式中：[σ]为主梁许用应力；n为安全系数，y为主梁截面翼缘板到形心的距离；Ix为主梁惯性矩，经计算得Ix=24.66×10-3m4；[f]1为主梁悬臂状态许用挠度。

工况二：前天车走到前、中支腿中间位置，后天车吊起梁片时的工况。该工况主梁受力简图、弯矩图如图4所示。

图4 工况二受力和弯矩

此时主梁承受弯矩

104 916 N·m-1

-1 420 650 N·m-1

104 916 N·m-1

M3为主梁承受最大弯矩处，此时主梁承受的最大应力

(4)

可知主梁所受应力满足要求，主梁产生的挠度

(5)

式中：[f]2为主梁跨中受力许用挠度。

因此该工况下主梁挠度满足要求。

工况三：架边梁工况。此工况下天车吊梁到位，天车横移至左侧落梁，该侧主梁承担的剪力最大，前后天车载荷相同，因此以前天车为例说明。该工况下主梁承受载荷为梁体和天车作用在主梁上的偏心力为P1，左右主梁所受轮压分别为RA和RB。当天车中心线与主梁外侧中心线偏移量L1=0.7 m时天车对左侧主梁作用力为RA。架边梁横断面图如图5所示，天车横梁受力简图、弯矩图如图6所示，左侧主梁受力主视图如图7所示。

图5 架边梁横断面

图6 工况三下天车横梁的受力

图7 工况三下主梁的受力主视

(6)

式中：K为冲击系数[14]，取K=1.1。求得P1=85 000 N。

由图6得

解得：RA=55 700.5 N，RB=29 299.5 N。

此工况下计算主梁最大弯矩得

此时主梁承受的最大应力

因此该工况下主梁所受应力满足要求，计算主梁产生的挠度得

可知此工况下主梁挠度满足要求。

3 主梁稳定性计算

架桥机主梁稳定性计算包括桥机主梁的整体稳定性和主梁侧向屈曲稳定性及腹板局部稳定性计算。

3.1 整体稳定性

由《架桥机通用技术条件》(GB 26469—2011)知其截面尺寸满足式(9)、(10)时，满足整体稳定性要求。

式中：b1为腹板中心宽度；h0为腹板高度。由此可知主梁的整体稳定性足够。

3.2 主梁侧向屈曲稳定性验算

架桥机主梁为箱形结构，当其截面腹板高度h0与上翼缘板的宽度b1的比值不大于3时，可不进行主梁侧向屈曲稳定性验算，经计算

(11)

可知主梁侧向屈曲稳定性足够。

3.3 主梁受压翼缘板的局部稳定性

对于受压翼缘板的外伸部分b2需满足式(12)要求，腹板中心距b1与受压翼缘板厚度δ需满足式(12)要求。

12.4×10-3

(12)

49.52×10-3

(13)

受压翼缘板的局部稳定性满足要求。

3.4 主梁腹板局部稳定性

式中：η为考虑σ影响的增大系数，取η的值为1.503 9，Qmax为腹板承受主梁中心压力，取Qmax=250 000 N将数据代入式(14)、(15)可得区段内腹板最大的平均剪应力为τ=24.75 MPa，加强筋的间距为a≤-3 922.5 mm。由于间距a为负值，所以取a=2×h0=2 020 mm，本文取a=2 000 mm。

加强筋肋板宽度按式(16)计算

(16)

代入数据，可得bs≥73.67 mm。本文取bs=75 mm。

加强筋肋板的厚度按式(17)计算

(17)

代入数据可得tw≥5 mm，考虑变跨，本文取加强筋肋板的厚度为tw=8 mm。

由此可知主梁腹板的局部稳定性满足要求。

4 桥梁跨度L=30 m主梁设计分析

由于架30 m跨时，架桥机主梁的设计计算步骤与架20 m跨相同，所以这里只列出架30 m跨时架桥机主梁的主要数据，直接写出其工况分析计算结果。变跨后，主梁腹板增高，将所需长度的预制梁与原主梁拼接主梁增长，适应大跨度桥梁架设。架30 m跨架桥机主梁的设计参数见表2。

表2 架梁参数

4.1 主梁载荷分析及计算工况

经计算得天车与梁体作用在主梁上的可移动载荷为105 t，主梁自重为51 t，主梁平均载荷为q2=11 339 N·m-1。计算主梁惯性矩Ix=62.57×10-3m4，3种工况最大应力、挠度计算结果汇总如表3所示。

表3 桥梁跨度L=30 m时主梁强度和刚度

4.2 主梁稳定性计算

变跨后，主梁的腹板和翼缘板承受载荷增大，可能会局部失稳，因此主梁稳定性计算非常重要。

(1) 整体稳定性。由式(9)、(10)得

由此可知在架30 m跨时主梁的整体稳定性足够，可不计算整体稳定性。

(2)主梁侧向屈曲稳定性验算。由式(11)得

由此可知架30 m跨时架桥机主梁侧向屈曲稳定性足够。

(3)主梁受压翼缘板的局部稳定性。由于架30 m梁架桥机主梁外伸部分b2，腹板中心距b1及受压翼缘板厚度δ与架20 m梁时相同，所以可知架30 m跨时受压翼缘板的局部稳定性也满足要求。

(4)腹板局部稳定性。计算可得h0/δ=1 560/10=156。因135

主梁纵向加强筋距离主梁上翼缘板高度按式(18)计算

h1=(1/5～1/4)h0=(312～390)mm

(18)

本文取h1=320 mm。

肋板宽度bs=100 mm。肋板的厚度tw=8 mm。由此可知主梁腹板的局部稳定性满足要求。

因此，由20、30 m跨度主梁设计分析结果可知，该设计能满足主梁结构强度、刚度稳定性的要求。

5 结 语

本论文提出了一种针对装配式钢桥架设的架桥机主梁变跨设计方案，说明了架桥机主梁变跨的工作原理。主梁腹板区采用高强度螺栓连接，增大主梁抗弯性能，通过拆装高强度螺栓，与预制长度主梁拼接，实现主梁从20 m至30 m跨度变化，该原理可进一步适应用于装配式钢桥多种跨度架设。

针对架桥机在架梁过程中的3种危险工况，对20 m与30 m主梁结构最大弯矩、应力计算分析，结果表明主梁刚度、强度满足要求。计算了主梁整体稳定性、侧向屈曲稳定性、受压翼缘板的局部稳定性、腹板局部稳定性，结果表明本文所设计架桥机主梁满足稳定性要求，能保证施工的安全性。