高速公路43 m高提梁机的结构分析及应用

刘彦斌

(中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710024)

0 引 言

高速公路的发展目前正进入县县通高速阶段，中国西部地区大多高速公路位于山区，由于地形受限，梁场选址处提梁难度较大，严重影响桥梁施工进度和安全。因此，本文结合梁场具体的地形条件，选定安全可行的提梁施工方法和设备，并通过对提梁设备的结构分析、安装和试运行，从而确保提梁施工安全和桥梁施工进度可控。

1 工程概况

柞水至山阳高速公路小岭特大桥位于陕西省柞水县境内，桥梁全长2.84 km。桥梁上部构造主要采用预应力混凝土组合箱梁，单幅桥面宽12.15 m，桥梁下部桥墩采用圆柱式墩，最大墩高40 m。桥址区位于小岭河河谷，为狭长沟谷地势，桥梁与307省道并行布置，省道沿线为居民房屋和矿场。项目已按照设计规划建设2处箱梁预制场，但由于业主工期提前，已建的箱梁预制场无法满足工期要求，需增加小型梁场1处。受地形限制，项目部经过查勘认为，仅能利用小岭特大桥左幅60～64跨左侧平整后的场地作为新建箱梁预制场。小岭特大桥周边地形及新建梁场布置如图1所示。

图1 小岭特大桥周边地形及新建梁场布置

2 预制梁场提梁方案

根据预制梁场、施工便道与桥梁的空间位置关系，梁场附近只有左幅62跨、63跨墩柱位于山坡脚，经防护后具备提梁机安装条件，附近其余墩柱均有半幅或全幅位于半山坡上，提梁机轨道安装难度较大。因此，选定在左幅62跨、63跨位置安装提梁机提梁上桥。

按照地面至梁面的高度，并考虑利用提梁机下桥面安装架桥机所需高度确定提梁机高度：左幅62跨、63跨墩柱均高35 m，箱梁高度2 m，梁面至提梁机横梁净空不小于6 m，确定提梁机高度为43 m。桥梁全幅跨度为25 m，一侧预留运梁车通道，宽度按5 m考虑，确定提梁机跨度为30 m。

3 提梁机建模及各工况分析

为了确保提梁机使用安全，对该提梁机采用大型有限元仿真软件ANSYS进行建模。为确保计算的准确性，对提梁机进行整体建模。由于提梁机主要钢结构为空间桁架结构，杆件既能承受拉压作用，也能承受弯扭载荷，因此采用空间梁单元模拟。主梁与支腿之间的连接位置结构较为复杂，由钢板焊接而成，因此采用空间板壳单元进行模拟，提梁机有限元整体模型如图2所示。结合实际运行过程中可能遇到的各种不利工况对提梁机进行结构分析。

图2 提梁机有限元模型

3.1 提梁机主要构件组成

提梁机主要由主梁、支腿、大车和小车等部件组成。主梁由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，支腿由主钢管、副钢管、平链接和斜链接组成。

3.2 提梁机结构验算

3.2.1 荷载组合

强度计算采用许用应力法，对于用塑性材料制造的零件，其计算应力σ≤[σ]=σs/n([σ]为许用应力，σs为极限应力，n为安全系数)[1-3]。根据《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)，由于提梁机的主梁和支腿结构使用的材料主要为Q235，计算载荷组合类别选用组合A(表1)，故材料的许用应力为158 MPa[4-6]。

表1 结构强度计算安全系数

组合A是起重机在正常工作情况下的常规载荷，包括起重机自重振动载荷、提升动载荷与运行冲击载荷、位移和变形引起的载荷、驱动机构加速引起的载荷等。

3.2.2 计算参数及荷载取值

梁体质量为100 t ，跨度为30 m；提升高度为43 m；提升小车速度为0.9 m·min-1，质量为10 t；主梁单位质量为0.39 t·m-1；提升冲击系数取1；提升动载荷系数取1.1；运行冲击系数取1.1；单个提梁机提升荷载取50 t；小车制动产生的水平惯性荷载为3 t。

3.2.3 刚度计算

根据工作情况，当小车位于跨中时主梁结构变形最大，此时单个提梁机受小车自重荷载10 t，梁体荷载为单个提梁机50 t。当小车位于跨中时，在小车自重和梁体载荷共同作用下的竖向总变形云图如图3所示，提梁机最大竖向总变形为29.752 mm。

图3 提梁机竖向总变形云图

按照《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)，提梁机主梁跨中净挠度许用值[7-11]

[fz]=L/700=30 000/700=42.857 mm

式中：L为提梁机主梁跨度。

小车在跨中满载起吊时结构的最大净挠度为29.752 mm，未超过提梁机结构的许用挠度值，故结构的刚度满足要求。

3.2.4 强度计算

工况一：大车静止，小车带梁制动。提梁机此时的最大应力为83.6 MPa，位于主梁与支腿连接处靠近外侧，见图4。

图4 工况一最大应力部位应力云图

工况二：大车制动，小车带梁制动。提梁机此时最大应力为83.8 MPa，位于主梁与支腿连接处靠近外侧，见图5。

图5 工况二最大应力部位应力云图

工况三：小车带梁移动到跨边靠近支腿的横向最大限位处，小车制动。提梁机的最大应力为82.6 MPa，位于主梁与支腿连接处靠近内侧，见图6。

图6 工况三最大应力部位应力云图

工况四：小车移动到跨边靠近支腿的横向最大限位处，小车提梁。提梁机的最大应力为82.7 MPa，位于主梁与支腿连接处靠近内侧处，见图7。

图7 工况四最大应力部位应力云图

工况五：最大工作风载。取六级风载，风载方向取大车行走方向，提梁机的最大应力为83.7 MPa，位于主梁与支腿连接处靠近外侧处，见图8。

图8 工况五最大应力部位应力云图

经各种工况分析，最大应力均小于许用应力158 MPa，故满足强度要求。

3.2.5 稳定性验算

(1)屈曲稳定性。提梁机在静力荷载作用下，需考虑结构的稳定性。本文利用ANSYS有限元分析软件中的屈曲稳定性计算分析模块，对提梁机的屈曲稳定性进行分析计算。

工况一：小车带梁位于跨中。提梁机的一阶失稳变形图如图9所示，一阶失稳位于主梁与支腿连接处靠近内侧部位，一阶屈曲特征值λ=2.818，即最小屈曲稳定性安全系数为2.818，大于1.48，满足提梁机的稳定性要求。

图9 工况一失稳变形局部

工况二：小车带梁位于跨边。提梁机的一阶失稳变形图如图10所示，一阶失稳位于提梁机主梁与支腿连接处靠近内侧部位，一阶屈曲特征值λ=2.471，即最小曲屈稳定性安全系数为2.471，大于1.48，满足提梁机的稳定性要求。

图10 工况二失稳变形局部

(2)整体稳定性。当提梁机受到非工作状态风载时，需要验算提梁机在大车行走方向的整机稳定性。选取大车静止、小车静止、设备无起吊荷载工况进行验算。设备等效风载

PW=CKhPⅢA

式中：C为风载体形系数，取1.7；Kh为风压高度变化系数，取1；PⅢ为风压值，取0.085 1 t·m-2(12级风压值)；A为迎风面积，为39.76 m2。

经计算，PW=1.7×850×39.76=57453.2 N。

将非工作状态风载、小车自重和大车自重施加在模型上后，可计算得出提梁机在受到非工作状态风载后支腿处的支反力，如图11所示。

由计算结果可知：在12级风载作用下，支腿处的最小支反力为230.059 kN，即最小支反力远远大于零，说明在受到非工作状态最大风载后提梁机的4个支腿处仍受压力。因此，在受到非工作状态最大风载时，提梁机不会被风载抬起。故只要夹轨器工作正常，提梁机在大车行走方向的整机稳定性就能满足要求；由于与大车垂直方向提梁机的迎风面远小于大车行走方向的迎风面，故与大车垂直方向提梁机的整机稳定性必然满足要求。

4 提梁机的安装

提梁机的安装施工流程为：技术交底，施工准备，支腿、主梁拼装，支腿吊装，支腿定位及揽风绳固定，主梁吊装，机电设备安装，调试运行，提梁施工。

4.1 轨道安装

扩大基础采用2 m×1.5 m的C20混凝土基础，基础底部承载力不小于250 kPa，不满足要求的用洞渣换填，压路机压实。扩大基础顶部为0.4 m×0.5 m的C30混凝土承轨梁。提梁机轨道采用43 kg·m-1钢轨，轨道与承轨梁密贴。

4.2 支腿拼装及吊装

支腿均在地面拼装场拼装，拼装时要求其内侧面向下。利用吊车将支腿各节段按设计图组拼成整体。组拼完成后，检查各节拼装处高强螺栓拧紧情况，合格后方可进入吊装程序。

支腿吊装时，一台450 t吊车起吊顶端，2台130 t吊车起吊底端，先同时进行平吊，慢慢使平卧变为斜吊，底端离开地面约50 cm后，提升顶部吊点，慢慢起吊至90°，松开底部吊点。慢慢移动顶部吊点，使走行大车对准轨道上已做好的标记点，缓慢松钩，直至走行轮踏面与轨道顶面接触后，每个支腿用4根揽风绳固定，测量人员配合量测支腿的垂直度，并通过收放各点缆风绳调整支腿垂直度。支腿调整完毕后，锁定揽风绳，吊车慢慢松钩，观察支腿的稳定情况，确认无误后，吊车方可完全松钩。

4.3 主梁拼装及吊装

由130 t吊车将主梁节段及附属配件拼接成整根主梁，拼装完成后由2台130 t吊车吊装主梁。

吊车吊点位于距主梁端头0.5 m处。在统一指挥下缓慢提升主梁，当主梁与支腿间净距小于0.5 m时，调整主梁纵横向位置，对准主梁与支腿的螺栓孔位后，缓慢落梁于支腿上，固定支腿与主梁的连接螺栓。主梁与支腿连接完成后，吊车缓慢松钩，观察主梁和支腿的稳定情况，确认无误后，吊车方可完全松钩。

5 提梁机试运行

提梁机安装完成后，首先进行机电设备安装和调试工作，调试合格后，再进行试吊，以检查提梁机提梁时基础、主梁、支腿的变形及提梁机稳定情况。选用30 m边梁为试吊梁，起吊距离大于10 cm时，停止10 min，检查有无失稳现象，若提梁机稳定情况良好，再进行变形检查。试吊检查允许偏差及结果如表2所示。

表2 试运行数据

6 结 语

利用ANSYS有限元分析软件对提梁机在各种不利工况下的结构进行分析，该提梁机强度、刚度、稳定性均满足规范要求。提梁机安装后，通过试运行情况可以看出，提梁机主梁、支腿变形情况均满足规范要求，提梁机能安全可靠运行。