談桃花峪黃河大橋架橋機(jī)主導(dǎo)梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

徐燁

(中鐵大橋局股份有限公司設(shè)計(jì)分公司，湖北武漢 430050)

0 引言

武西高速公路桃花峪黃河大橋位于鄭州市西北，鄭州與焦作跨黃河交界處，北接線連接河南省干線公路鄭新高速公路，南接線連接國道主干線連霍高速公路，是繼京廣鐵路黃河大橋、鄭州黃河公路大橋、劉江黃河大橋(京珠高速黃河大橋)、新鄭黃河大橋(公鐵兩用黃河大橋)之后又一跨越黃河天塹、溝通黃河兩岸的重要通道。架橋機(jī)是將預(yù)制好的梁段吊裝到橋墩上的大型施工設(shè)備，而主導(dǎo)梁是架橋機(jī)的重要構(gòu)件，本文以桃花峪黃河大橋HZP130節(jié)段拼裝架橋機(jī)設(shè)計(jì)為例，闡述架橋機(jī)主導(dǎo)梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素，為以后的同種類型的架橋機(jī)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

HZP130節(jié)段拼裝架橋機(jī)由中部主梁和兩端導(dǎo)梁組成，結(jié)構(gòu)總成見圖1，主梁長60 m，導(dǎo)梁長30 m，架橋機(jī)全長120 m。

圖1 HZP130節(jié)段拼裝架橋機(jī)結(jié)構(gòu)總成

主梁為箱形截面，采用雙箱結(jié)構(gòu)形式，主梁截面如圖2所示，主梁箱形截面高5.0 m，寬2.0 m，雙箱中心距6.9 m，主梁上下層之間采用螺栓連接。

導(dǎo)梁采用雙主桁結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)梁截面如圖3所示，單組桁由兩片桁組成，桁高5.0 m，桁寬1.9 m，桁間距為6.9 m。

圖2 主梁截面（單位：mm）

圖3 導(dǎo)梁截面（單位：mm）

1.2 材料許用應(yīng)力

按照GB 3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范、GB/T 1591-2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和GB/T 700-2006碳素結(jié)構(gòu)鋼規(guī)定。許用應(yīng)力見表1，表2。

表1 許用應(yīng)力表(無風(fēng)工作狀態(tài))

表2 許用應(yīng)力表(有風(fēng)工作狀態(tài))

1.3 架橋機(jī)允許撓度

根據(jù)TSG Q7002橋式起重機(jī)型式試驗(yàn)細(xì)則及GB 3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)主梁和懸臂導(dǎo)梁的撓度有以下要求：

1)主梁跨中的垂直靜撓度不大于S/500，單臂且隧道口架梁的架橋機(jī)主梁跨中的垂直靜撓度不大于S/250(S為架橋機(jī)跨度);

2)過孔試驗(yàn)時(shí)，過孔處于極限位置(前支腿落于橋墩上之前)，懸臂下?lián)喜淮笥赟/100或設(shè)計(jì)規(guī)定值;對(duì)用下導(dǎo)梁過孔方式的架橋機(jī)，下導(dǎo)梁跨中撓度不大于S/600。

1.4 工況分析

箱梁節(jié)段全部吊掛于架橋機(jī)下弦時(shí)，主梁受力最為不利，在此工況下，對(duì)主梁進(jìn)行分析研究。一孔箱梁全部膠拼完成后張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，架橋機(jī)走形進(jìn)入下一孔梁。走形過程中，提取導(dǎo)梁最不利受力情況，對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 主導(dǎo)梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

2.1 整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)

我們?cè)谶M(jìn)行架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析時(shí)，往往比較注重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度分析，對(duì)板系結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定研究較少，但實(shí)際架橋機(jī)的破壞往往由結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起。

現(xiàn)階段一般用通用有限元軟件提供的屈曲分析模塊采用非線性計(jì)算方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況。

2.2 主梁頂?shù)装逶O(shè)計(jì)

箱梁節(jié)段全部吊掛于HZP130節(jié)段拼裝架橋機(jī)主梁下弦時(shí)，主梁受力最為不利，此時(shí)主梁跨中彎矩最大，兩端彎矩較小，主梁的強(qiáng)度由跨中頂?shù)装鍛?yīng)力控制，因此設(shè)計(jì)架橋機(jī)應(yīng)在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，加大架橋機(jī)主梁中部的頂?shù)装搴穸?，減小端部的頂?shù)装搴穸?。在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)頂?shù)装宓木植糠€(wěn)定做一個(gè)驗(yàn)算，檢算頂?shù)装宓募觿爬吲渲檬欠駶M足要求。

2.3 主梁腹板設(shè)計(jì)

腹板的強(qiáng)度與穩(wěn)定由支座處的應(yīng)力與穩(wěn)定控制，一般支點(diǎn)處的應(yīng)力最大，往外側(cè)導(dǎo)梁方向急劇減小，往內(nèi)側(cè)跨中方向是一個(gè)逐漸減小的過程，支點(diǎn)底部應(yīng)力最大，往上應(yīng)力逐漸減小。主梁腹板強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)為全梁選取一個(gè)較小的板厚，在支座往跨中方向一定范圍內(nèi)的中下部貼板加強(qiáng)。為了滿足腹板的局部穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)支座處的橫隔板進(jìn)行局部加密。

2.4 主梁上下層連接螺栓設(shè)計(jì)

HZP130節(jié)段拼裝架橋機(jī)主梁由上下兩個(gè)半箱組成，上下層通過螺栓連接。

主梁受載彎曲時(shí)，主梁上下層的連接螺栓承受水平方向的剪力。剪力在跨中最小，理論上趨近于零，往兩端逐漸增大，在支座上方達(dá)到最大。

支座上方的最大剪力可由公式計(jì)算：

其中，Q'為上下層連接單位長度所受剪力;Q為支座所受豎向剪力;Sz為分層處以上橫截面積對(duì)中性軸的靜矩;Iz為整個(gè)截面對(duì)中性軸的慣性矩。

根據(jù)單個(gè)螺栓的抗剪承載力和孔壁承壓承載力確定單個(gè)螺栓的最大承載力Nb，單位長度內(nèi)的螺栓個(gè)數(shù)為n，如Q'≤nNb，則主梁上下層連接螺栓滿足要求，反之則不滿足要求。

上下層連接螺栓單位長度所受剪力也可以從模型結(jié)果中查出，如果箱梁兩腹板受力一樣，電算結(jié)果與手算結(jié)果吻合，但實(shí)際操作中往往偏載，致使箱梁一側(cè)腹板較均值大，一側(cè)腹板較均值小。建議從電算模型中查出腹板上下層連接最不利區(qū)域單位長度所受剪力，再跟此區(qū)域內(nèi)螺栓最大承載力進(jìn)行比較。

2.5 導(dǎo)梁節(jié)點(diǎn)焊縫設(shè)計(jì)

在架橋機(jī)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往比較重視桿件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，忽略了導(dǎo)梁節(jié)點(diǎn)焊縫的細(xì)部分析，節(jié)點(diǎn)連接是導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)薄弱點(diǎn)，結(jié)構(gòu)破壞往往從連接節(jié)點(diǎn)處發(fā)生。

如圖4所示，在導(dǎo)梁走形工況中提取受力最不利節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)處各桿件軸力為Ni，則節(jié)點(diǎn)水平剪力，豎向力T=。

節(jié)點(diǎn)焊縫連接長度為L，焊縫高度hf，有效連接長度Le=L-12hf，節(jié)點(diǎn)板正應(yīng)力 σ=T/(0.7Lehf)，節(jié)點(diǎn)板剪應(yīng)力 τ= V/ (0.7Lehf)，許用正應(yīng)力為［σ］，許用剪應(yīng)力為［τ］，如果τ＜［τ］，并且復(fù)合應(yīng)力，則節(jié)點(diǎn)焊縫連接滿足要求，反之則不滿足要求。

圖4 導(dǎo)梁節(jié)點(diǎn)受力示意圖

2.6 預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)的吊桿設(shè)計(jì)

箱梁所有節(jié)段拼裝完成后就開始進(jìn)行體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的張拉，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候逐步拆除吊桿。

當(dāng)所有體內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉完成后，將支腿的頂升千斤頂下落，再進(jìn)行吊桿的拆除，此時(shí)箱梁節(jié)段為反拱狀態(tài)，吊桿的拉力分布為從跨中到端部逐漸增大，此時(shí)需用有限元軟件對(duì)箱梁主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，確保箱梁上緣不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。如果經(jīng)計(jì)算箱梁上緣會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，則需確定合適的方案，邊張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力邊拆除吊桿。

［1］ GB/T 3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB/T 1591-2008，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.

［3］ TSG Q7002，橋式起重機(jī)型式試驗(yàn)細(xì)則［S］.

［4］ 張質(zhì)文，虞和謙.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［5］ GB/T 700-2006，碳素結(jié)構(gòu)鋼［S］.