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(1. 石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2. 中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300)

0 引言

隨著橋梁施工技術的進步，國內外鋼桁梁橋的主梁架設方法已逐漸成熟，主要有：鷹架法、懸臂施工法、頂推施工法、整孔架設法等，各施工方法需根據(jù)橋梁結構形式、水文地質條件和設備裝配能力綜合確定[1-2]。懸臂架設法適用于各類大中跨度橋梁，其優(yōu)勢是所需專用輔助結構和設備較少，適合在橋高、大跨和通航、水深流急的橋位進行拼裝。架梁吊機則是懸臂拼裝鋼梁時常用的橋梁專用施工裝備，進行吊裝作業(yè)時通常將其支腿錨固在主梁上弦的節(jié)點板上，吊機沿上弦軌道縱向走行，一邊拼裝鋼梁桿件，一邊逐步向前推進。因此，當采用架梁吊機進行鋼梁懸臂拼裝架設時，不僅要滿足懸臂端抗傾覆穩(wěn)定性要求，還要保證吊機走行時鋼梁各部位的受力安全。

目前，針對各類型中、大跨度橋梁施工過程中的線形控制、應力監(jiān)測以及方案優(yōu)化等研究工作已經有很多[3-6]，但是對于吊機懸拼走行時對鋼桁梁桿件局部受力行為的研究還比較少見，這將有可能導致結構局部應力超標或失穩(wěn)[7-8]。以銀川機場黃河特大橋為工程背景，對吊機走行時鋼梁弦桿和平聯(lián)接頭板的受力狀態(tài)進行計算分析，以保證上平聯(lián)各分肢的載荷分配合理，鋼梁各關鍵部位的受力滿足施工要求。

1 工程概況

銀川機場黃河特大橋為新建銀川至西安客運專線的控制工程，全橋起點位于銀川市河東機場，向西上跨黃河至銀川南部。主橋跨越黃河，位于9#～17#墩之間，橋跨布置為1聯(lián)96 m簡支鋼桁梁+2聯(lián)3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱+1聯(lián)96 m簡支鋼桁梁，橋跨布置如圖1所示。

主橋上部結構為連續(xù)鋼桁梁柔性拱，孔跨為(3×168)m，主桁寬13.8 m，高12.8 m。1聯(lián)鋼桁梁柔性拱共44個節(jié)間，其中兩邊跨各15個節(jié)間，中跨14個節(jié)間。拱圈矢高28 m，矢跨比1/4.71，拱圈總共34個節(jié)間，其中兩邊拱各12個節(jié)間，長度均為11 m，中拱10個節(jié)間，長度均為12 m。連續(xù)鋼桁柔性拱如圖2所示。

圖1 銀川機場黃河特大橋橋跨布置圖(單位：m)

圖2 3×168 m連續(xù)鋼桁梁柔性拱結構圖(單位：m)

圖3 架拱吊機穿拱走行示意圖(單位：m)

銀川機場黃河特大橋鋼桁梁架設采用75 t架梁吊機由中跨向兩邊跨對稱懸臂拼裝，柔性拱架設采用40 t全回轉吊機，先架設中拱，后架設邊拱。架拱過程中需要穿越柔性拱，拱腳處2個節(jié)間的拱平聯(lián)不與拱同步安裝。吊機在拼裝柔性拱時，錨固在主梁上弦桿，主桁上弦桿剛度較大且柔性拱桿件較輕，此時吊裝桿件結構是安全的。而當?shù)鯔C穿拱走行時，吊臂放置于變幅角最小位置，如圖3所示，在上弦桿與平聯(lián)連接的節(jié)點部位設置墊板，吊機軌道放置在墊板上，由墊板向弦桿和平聯(lián)分肢傳遞荷載，由于上平聯(lián)的剛度較弱，該連接部位的受力直接影響鋼梁上弦和平聯(lián)接頭板的安全，因此有必要對其進行計算分析。

2 計算模型

圖4 鋼桁梁上弦平聯(lián)模型

銀川黃河橋鋼桁梁每個節(jié)間上弦之間均設置平縱聯(lián)，上平聯(lián)與接頭板一端采用M30高強摩擦型螺栓連接，接頭板另一端與上弦桿焊接。穿拱吊機走行時荷載施加于平聯(lián)接頭板，該節(jié)點連接眾多桿件，為受力不利區(qū)域。選取鋼梁上弦和平聯(lián)連接的典型節(jié)點區(qū)域建立細部結構模型，施加相應的荷載和邊界條件，對該部位的受力狀況進行評估。

2.1 有限元模型

基于ABAQUS軟件，建立上弦和平聯(lián)節(jié)點連接區(qū)域的細部模型，結構采用減縮積分通用殼單元S4R進行模擬[9]，整體模型如圖4所示。墊板放置于接頭板之上，吊機荷載通過墊板向弦桿及各平聯(lián)分肢傳遞。設計兩種不同尺寸規(guī)格的墊板，一種墊板較短，尺寸為600 mm×240 mm×20 mm，縱向覆蓋中間平聯(lián)，橫向距離弦桿較遠，模型1如圖5所示；另一種墊板較長，尺寸為1 600 mm×200 mm×20 mm，縱向覆蓋3個平聯(lián)分肢，且橫向距離弦桿較近，模型2如圖6所示。

圖5 模型1

圖6 模型2

2.2 載荷及邊界

圖7 模型施加的邊界條件

鋼梁主體結構材料采用Q370qE，彈性模量E=210 GPa，由于板厚的影響，屈服強度σs=330 MPa，容許應力[σ]=200 MPa。按照設計圖紙，分別對殼單元賦予不同的板厚屬性。吊機行走時，軌道單側支點反力為35 t，以面荷載的形式施加于墊板上。為了盡可能準確地模擬荷載傳遞情況，墊板與節(jié)點板采用面對面接觸方式，有限滑移算法，接觸關系定義為只受壓不受拉，其中墊板為主面，接頭板為從面。為提高計算效率，沿橋梁縱向中心線建立一半模型，在對稱面施加關于Y平面的對稱約束，即UY=RX=RZ=0，弦桿兩端面施加固定約束，邊界如圖7所示。

3 結果分析

基于建立的鋼梁上弦及平聯(lián)連接部位的有限元模型，采用兩種墊板規(guī)格，即平聯(lián)單肢受力模型(模型1)和平聯(lián)多肢受力模型(模型2)，對吊機穿拱走行時平聯(lián)接頭板區(qū)域的受力進行計算，并對計算結果進行分析討論。

3.1 平聯(lián)單肢受力

模型1的墊板縱向約覆蓋中平聯(lián)，橫向距離弦桿較遠，吊機荷載主要由中平聯(lián)承擔，由圖8可知，當中平聯(lián)單肢受力時，最大應力出現(xiàn)在接頭板與弦桿連接的中間區(qū)域，約268 MPa，雖然沒有超過材料的屈服應力，但考慮到吊機走行時的不均勻受載，材料的應力儲備是偏低的。圖9為平聯(lián)單肢受力時的豎向變形分布，平聯(lián)對稱面處的剛度最小，豎向位移最大值約50 mm。因此，當?shù)鯔C荷載不均勻分布導致平聯(lián)單肢受力時，鋼梁上弦和平聯(lián)接頭的結構受力不安全，存在施工風險。

圖8 模型1Mises應力云圖(單位：Pa)

圖9 模型1豎向變形(單位：m)

3.2 平聯(lián)多肢受力

模型2的墊板縱向覆蓋3個平聯(lián)，橫向約位于接頭板的中間，3個平聯(lián)分肢參與受力。由圖10可知，當多肢受力時，接頭板的最大應力出現(xiàn)在接頭板中間區(qū)域，并向上弦桿擴展，最大Mises應力約112 MPa，低于材料的容許應力200 MPa，應力安全儲備較高。從圖11的豎向位移云圖可得到，最大位移同樣出現(xiàn)在平聯(lián)對稱面處，最大值約41 mm。因此，當?shù)鯔C荷載分布較均勻，各平聯(lián)分肢均參與受力時，接頭部位的受力狀況較好且平聯(lián)變形也較小，吊機穿拱走行工況相對安全。

圖10 模型2Mises應力云圖(單位：Pa)

圖11 模型2豎向變形(單位：m)

4 結論

基于ABAQUS軟件建立了吊機穿拱走行工況下，鋼梁上弦和平聯(lián)接頭連接區(qū)域的細部結構有限元模型，對兩種不同尺寸的墊板所導致的結構不同的受力模式進行了對比研究，得到以下結論：當不均勻受載引起平聯(lián)分肢單獨受力時，平聯(lián)接頭板連接部位的受力偏于危險，結構整體變形較大，存在施工風險；當各平聯(lián)分肢均參與受力時，節(jié)點連接部位的受力狀況良好，結構整體變形小，施工相對安全。因此為了避免發(fā)生施工事故，應該盡可能在吊機穿拱走行時避免接頭板不均勻受載，使得各平聯(lián)分肢均勻參與受力。

參 考 文 獻

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