1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機對高鐵簡支箱梁的適應(yīng)性分析

李方柯 班新林 王 冰 田 豐

（1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 北京 100081）

1 引言

我國高速鐵路橋梁以等跨布置預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為主要結(jié)構(gòu)型式，標準跨度32 m，速度等級250 km/h、350 km/h，匹配對應(yīng)的制、吊、存、運、架設(shè)備，相繼應(yīng)用到秦沈、京滬、武廣等高速鐵路建設(shè)中。預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁已成為我國高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-3］。

近年來國內(nèi)經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，高速鐵路的覆蓋范圍進一步擴大。為拓展高速鐵路常用跨度預(yù)制簡支箱梁的應(yīng)用范圍，適應(yīng)高墩、軟基等橋梁下部結(jié)構(gòu)投資占比較大的情況，國內(nèi)針對40 m跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁開展了大量研究工作［4-7］，相關(guān)橋梁設(shè)計技術(shù)已日趨成熟。和傳統(tǒng)的32 m簡支箱梁相比，40 m簡支箱梁重量更大（單孔雙線40 m梁重量達950 t），需采用千噸級架橋機［8-10］，運架難度更高，運架設(shè)備對已架橋梁的影響不容忽視。針對千噸級架橋機對高鐵簡支箱梁的適應(yīng)性，國內(nèi)外研究文獻較少，相關(guān)技術(shù)問題亟待研究。

本文依托福廈高鐵湄洲灣特大橋40 m簡支箱梁，研究國內(nèi)首臺千噸級架橋機昆侖號對高鐵簡支箱梁的適應(yīng)性，并對各類特殊條件下架橋機的適應(yīng)性進行探討，為同類鐵路橋梁工程項目建設(shè)提供借鑒和參考。

2 昆侖號架橋機簡介

2.1 設(shè)計概況

昆侖號架橋機（TJ1000/40型運架一體機）根據(jù)40 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)尺寸、重量以及墩臺尺寸進行設(shè)計，適用于24～40 m多種跨度簡支箱梁的運輸和架設(shè)，可實現(xiàn)運梁過隧、隧道口架梁、曲線架梁、坡度架梁等施工需求。

架橋機由主梁、前車系統(tǒng)、后車系統(tǒng)、中支腿、主支腿、起重提升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。架橋機自重997 t，最大運架重量1 000 t，外形尺寸（長×寬×高）為116 m×9.8 m×9.2 m。走行系統(tǒng)分前、后車，前、后車左右車輪間距分別為6.05 m和5.2 m；中支腿橫向間距5.5 m，接地面積3.14×0.4×0.4 m2。架橋機運架梁的主要施工步驟如下：（1）架橋機提吊簡支箱梁運送至架梁工位；（2）安裝主支腿至橋墩，前車越過主支腿并臨時落梁；（3）安裝中支腿至橋墩，主支腿倒運至下一橋墩；（4）起吊梁片，架橋機前行，精確對位并落梁；（5）架橋機回撤，主支腿回收，返回梁場。

圖1 昆侖號架橋機結(jié)構(gòu)示意

2.2 運架梁荷載

架橋機對已架橋梁的作用分為運梁工況走行荷載和架梁工況支腿荷載兩類。運梁走行荷載分前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)，其特征為荷載小、作用范圍廣；架梁支腿荷載分主支腿和中支腿，主支腿作用于墩頂，中支腿作用于墩頂和梁頂，其特征為荷載大、局部受力顯著。架橋機的主要控制荷載見表1。

表1 運架梁荷載統(tǒng)計

3 架橋機適應(yīng)性分析

3.1 適應(yīng)梁型范圍

架橋機進行運架梁施工時，首先馱運待架梁行駛至橋位處，然后站位在臨近橋梁上開展架梁作業(yè)。理論上運梁影響梁場至橋位間的所有已建橋梁，架梁影響橋位處臨近的已建橋梁。

從高速鐵路橋梁類型來看，鋼橋以及大跨度的拱橋、斜拉橋、懸索橋等設(shè)計時通常不考慮運架梁需求，因此架橋機需適應(yīng)的梁型主要為混凝土梁式橋，即40 m簡支箱梁、配套使用的24～40 m跨度簡支箱梁以及各類跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

福廈高鐵湄洲灣特大橋全長14.7 km，引橋采用298孔40 m跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁（見圖2），采用昆侖號千噸級架橋機施工［11］。經(jīng)統(tǒng)計，受架橋機施工影響的已建橋梁包括40 m、32 m簡支箱梁以及（70＋125＋70）m、（70＋2×125＋70）m 連續(xù)箱梁。

圖2 40 m梁典型斷面（單位：mm）

3.2 簡支箱梁適應(yīng)性

結(jié)合昆侖號架橋機的運架梁荷載，針對40 m、32 m簡支箱梁的梁部及下部結(jié)構(gòu)進行分析。

根據(jù)架橋機的運架梁荷載特征，采用橋梁有限元分析軟件BSAS和MIDAS/CIVIL對運梁工況走行荷載進行梁部縱向和橫向計算，對架梁工況支腿荷載進行橫向計算。參照規(guī)范［12-14］分別對40 m、32 m簡支箱梁進行分析，檢算結(jié)果見表2、表3。

表2 簡支箱梁縱向計算結(jié)果

梁部整體縱、橫向計算表明，40 m、32 m梁在架橋機運架梁荷載下的強度、應(yīng)力、裂縫等指標滿足規(guī)范要求。

為分析簡支箱梁在架橋機運架梁荷載下的局部受力情況，采用通用有限元軟件ANSYS 19.0分別建立40 m、32 m梁部實體有限元模型（見圖3），混凝土采用SOLID95單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用LINK8單元模擬，邊界條件按實際支座約束條件模擬，運架梁荷載按節(jié)點荷載施加。

圖3 40 m梁結(jié)構(gòu)實體有限元模型

分別考慮運梁工況走行荷載和架梁工況支腿荷載，分析梁部的整體受力及應(yīng)力分布規(guī)律，重點考察架梁支腿作用下的局部受力情況。計算結(jié)果顯示，梁體在架橋機運架梁荷載作用下的應(yīng)力分布和荷載類型高度對應(yīng)。運梁工況走行荷載作用下，車輪作用位置頂板與腹板相接處頂面橫向受拉，頂板跨中下緣橫向受拉，如圖4所示；架梁支腿作用位置頂板局部上下緣出現(xiàn)較大的橫向拉應(yīng)力，如圖5所示。根據(jù)實體分析結(jié)果，在運梁工況走行荷載作用下簡支箱梁的最大橫向名義拉應(yīng)力約為2.3 MPa，在架梁工況支腿荷載作用下簡支箱梁的最大橫向名義拉應(yīng)力約為4.2 MPa，局部受力滿足要求。

圖4 走行荷載作用下梁體頂面橫向應(yīng)力分布

圖5 支腿荷載作用下梁體頂面橫向應(yīng)力分布

40 m、32 m梁的實體有限元分析結(jié)果表明，架橋機支腿荷載是控制梁體局部受力的主要因素。值得注意的是，梁體的局部應(yīng)力和架梁支腿的橫向間距高度相關(guān)。結(jié)合40 m簡支箱梁局部應(yīng)力對架梁支腿間距和支腿荷載開展敏感性分析，結(jié)果表明梁體局部應(yīng)力對支腿荷載大小不敏感，對支腿橫向間距敏感。從結(jié)構(gòu)傳力途徑來看，支腿荷載的理想傳力途徑是通過頂板直接傳遞給腹板、底板、支座，結(jié)構(gòu)各板件均不受彎；從結(jié)構(gòu)抗彎承載能力來看，箱梁各板件尺寸顯然不足以承受架梁支腿荷載。因此，從有利于梁體局部受力角度，支腿宜落在簡支箱梁的腹板范圍內(nèi)，且橫向間距與支座橫向間距相近。

結(jié)合運梁工況走行荷載和架梁工況支腿荷載，分別對湄洲灣特大橋40 m簡支箱梁的墊石局部承壓、橋墩及橋臺強度、樁基強度及豎向承載力等進行了分析和檢算，檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。需要注意的是，本次檢算的橋墩與基礎(chǔ)均針對40 m梁特殊設(shè)計，當采用現(xiàn)行高速鐵路橋墩通用圖時，墩身及下部基礎(chǔ)應(yīng)結(jié)合架橋機運架梁荷載（重點考慮水平力）進行檢算。

架橋機運架梁過程中40 m梁單墩理論最大反力為1 795 t（架設(shè)40 m有砟軌道梁、梁重950 t），單支座反力897.5 t；支座設(shè)計承載力按600 t計，考慮支座試驗承載力為設(shè)計承載力的1.5倍，支座承載力可達到900 t，滿足要求。同時，架橋機也可采取增加臨時落梁等措施來降低支座反力，進一步提高支座在運架梁過程中的安全系數(shù)。

結(jié)合昆侖號千噸級架橋機的運架梁施工荷載，對40 m、32 m簡支箱梁進行了全面檢算，計算結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)在運架梁荷載作用下的各項指標滿足要求，昆侖號架橋機對于簡支箱梁具有較好的適應(yīng)性。

3.3 特殊條件適應(yīng)性

昆侖號千噸級架橋機為適應(yīng)40 m跨度簡支箱梁的運架研制，理論上也可用于噸位相對較小的既有部頒32 m標準跨度預(yù)制梁，既有部頒簡支箱梁在千噸級架橋機運架梁荷載作用下結(jié)構(gòu)受力能否滿足要求是影響架橋機通用性的重要因素。

綜合分析40 m簡支箱梁和既有部頒32 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，總體上運梁工況走行荷載不控制箱梁受力，控制條件為架梁工況支腿荷載作用下梁體的局部受力，而架梁支腿的橫向間距與梁體構(gòu)造的匹配度是決定梁體局部受力的關(guān)鍵。表4給出了各主要梁型的梁端構(gòu)造尺寸，梁端腹板內(nèi)、外距指腹板與頂板相接處內(nèi)、外緣線的橫向間距，可以看到既有部頒32 m梁和40 m梁的梁端構(gòu)造尺寸較為接近，架梁支腿（中支腿、橫向間距5 500 mm）均位于腹板范圍內(nèi)且橫向間距與梁部支座間距相近，荷載傳力順暢。

表4 各梁型梁端構(gòu)造尺寸

針對既有部頒32 m簡支箱梁進行整體計算和梁體局部分析，計算結(jié)果表明，32 m梁在運梁荷載下的整體受力滿足規(guī)范要求，在支腿作用下梁體的局部名義拉應(yīng)力均小于5 MPa，滿足要求。因此，昆侖號架橋機對既有部頒32 m簡支箱梁適應(yīng)性較好。

另一方面，架橋機進行運架梁施工時，影響的梁型可能為非標準簡支箱梁、連續(xù)梁、道岔梁等特殊梁型，此時架橋機的適應(yīng)性需單獨分析。湄洲灣特大橋受架橋機運架梁影響的梁型含一聯(lián)（70＋125＋70）m和一聯(lián)（70＋2×125＋70）m連續(xù)箱梁，計算結(jié)果顯示，兩聯(lián)主跨125 m連續(xù)梁的強度、應(yīng)力指標滿足規(guī)范要求，在支腿荷載作用下梁體的局部最大名義拉應(yīng)力為3.1 MPa（見圖6），滿足要求。因此，昆侖號架橋機對湄洲灣特大橋兩聯(lián)主跨125 m的連續(xù)梁適應(yīng)性較好。

圖6 主跨125 m連續(xù)梁梁端橫向應(yīng)力分布

當非標準梁型在架橋機運架梁荷載作用下結(jié)構(gòu)受力不滿足要求，特別是在架梁支腿作用下梁端局部受力不滿足要求時，應(yīng)結(jié)合架橋機運架梁荷載優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計或采取臨時措施。目前一般采用臨時措施解決架橋機的適應(yīng)性問題，主要方案包括架梁支腿增設(shè)牛腿、梁頂鋪設(shè)鋼板、梁頂布設(shè)分配梁、增設(shè)承壓連接構(gòu)造等。

在架梁支腿上增設(shè)牛腿可小幅調(diào)整支腿橫向間距，一般適用于支腿和腹板橫向偏差不大、支腿影響橋梁孔數(shù)較多的情況。在梁頂鋪設(shè)鋼板可以增大梁頂?shù)某袎悍秶?、改善梁體受力，但該方案作用有限，僅適用于架梁支腿和腹板橫向偏差較小的情況。在梁頂布置分配梁可以將支腿荷載傳遞給腹板，分配梁一般采用鋼梁方案，投資較高，且鋼梁自身存在一定的傾覆風(fēng)險，整體風(fēng)險偏高。增設(shè)承壓連接構(gòu)造方案是在支腿作用位置箱梁頂、底板之間以及底板與墩頂之間設(shè)置承壓連接構(gòu)造（見圖7），一般采用鋼管或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，該方案傳力直接、投資低、風(fēng)險低，應(yīng)用較為廣泛。

圖7 梁端承壓連接構(gòu)造示意

當架梁支腿落在梁體跨中且與腹板橫向間距不匹配時，在支腿作用位置頂、底板之間增設(shè)承壓連接構(gòu)造，使頂?shù)装骞餐惺軌簭澓奢d，可以大幅提高梁體在支腿作用下的結(jié)構(gòu)承載能力。

4 結(jié)束語

2020年11月，福廈高鐵湄洲灣特大橋開始采用世界首臺千噸級昆侖號架橋機進行40 m梁的運架施工，運架梁實踐及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，已建橋梁結(jié)構(gòu)安全、可靠，昆侖號架橋機對高鐵簡支箱梁具有良好的適應(yīng)性。

（1）高鐵40 m、32 m簡支箱梁在架橋機的運架梁荷載作用下，各項結(jié)構(gòu)受力指標滿足規(guī)范要求，架橋機對簡支箱梁具有良好的適應(yīng)性。

（2）架橋機進行運架施工時，已建橋梁薄弱環(huán)節(jié)為梁部，控制荷載為架梁支腿荷載。架梁支腿的橫向間距是影響梁體受力的關(guān)鍵因素。

（3）架橋機對既有部頒32 m標準跨度預(yù)制梁適應(yīng)性較好，采取適當措施后可保證架橋機在各種特殊條件下的適應(yīng)性。

（4）40 m簡支箱梁重量大，運架施工對已建橋梁影響顯著。本文的計算方法及結(jié)論可為同類鐵路橋梁工程項目提供參考和借鑒。