軌道交通高架橋架梁過程受力分析

索曉華，王 成，彭智輝

（中電建成都建設投資有限公司，四川成都 610212）

軌道交通高架橋架梁過程受力分析

索曉華，王 成，彭智輝

（中電建成都建設投資有限公司，四川成都 610212）

以某地鐵4號線二期工程高架橋架橋機選型為背景，通過對架梁過程中荷載分布、梁體受力、架橋機支點與梁體支座受力進行計算及分析，闡述了該架橋機在過程中對已架梁體的影響及架橋機架梁過程的安全性。

高架橋；架梁過程；受力分析

1 工程概況

某地鐵高架區(qū)間設計起點里程 YDK42+963.000，橋梁總長 660.558 m，共 22 跨，最大縱坡 2.8%。預制簡支箱梁主梁采用單箱雙室斜腹板箱梁，標準跨徑 30 m，計算跨徑 29 m，梁長 29.9 m。箱梁梁高 1.8 m，梁頂寬 9.6 m，梁底寬 4.7 m，頂面平坡。預制簡支箱梁最大吊裝重量為 416 t（圖1）。

采用 HYJQJ500T 型架橋機，由主梁、懸掛總成、驅(qū)動橋總成、制動橋總成、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等核心部分組成，主要包含前后 2 臺天車、主梁、1 號支腿、運梁機系統(tǒng)（含 3 號支腿）、2 號支腿、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等，架橋機額定運載質(zhì)量為 500 t，架橋機空載總重 175 t，馱梁時支點間距 29.0 m。走行懸掛分為 3 組，后端 10 個懸掛為 1 組，前端兩側(cè)各 6 個懸掛為 1 組， 形成三點平衡。架橋機采用八字轉(zhuǎn)向的回轉(zhuǎn)模式和直行行走方式（圖2）。

2 梁體及支座受力分析

2.1 運梁機荷載分布

運梁機采用 36 個真空胎和 8 個實心胎，輪胎型號為 23.5 / R25 。每個軸上 4 只輪胎，共計 11 軸。前端 5 軸，后端 6 軸。輪胎間距為（2.5+2.5+2.5+2.5）m+6.5 m+（2.5+2.5+2.5+2.5+2.5）m ；運梁時累計總重 5 910 kN。按軸重均勻承受荷載計算，空載時運梁機每軸承受荷載 159.1 kN，馱梁后每軸承受荷載 537.3 kN（圖3）。

圖1 30 m 預應力混凝土箱梁示意圖（單位：m）

圖2 HYJQJ500T 型架橋機（單位：m）

2.2 梁體受力分析

梁存放于混凝土臺座上，梁體混凝土強度等級C50，彎曲受壓及偏心受壓應力容許值 fc= 16.8 MPa，預應力鋼束采用低松弛高強預應力鋼絞線，應力容許值 fpk= 1 860 MPa，E= 1.95×105MPa，按設計給定的張拉順序和控制應力表進行張拉，張拉完成后采用 M50水泥漿灌漿。

計算模型如圖4 所示。箱梁長 29.9 m，劃分成 17 段，共 18 個節(jié)點，17 個梁單元。其中，節(jié)點 Node2 和節(jié)點Node17 為兩端的支點，支點間間距為 29.0 m。

2.2.1 存梁階段梁體受力分析

考慮箱梁自重、預應力加載之后的收縮徐變效應以及存梁階段累計受力，梁體累計應力計算結(jié)果見圖5、圖6。

（1）由圖5 可知，30 m 箱梁施加預應力后上緣應力累計最大位于跨中單元 9 處，σmax=-3.59 MPa；由跨中向 2 個臺座位置應力逐步變小至σmin=-2.50 MPa，并在接近臺座后變大至σ=-2.80 MPa。

（2）由圖6 可知，30 m 箱梁施加預應力后下緣應力累計最小位于跨中單元 9 處，σmin=-9.87 MPa；由跨中向 2 個臺座位置應力逐步增大至 σmax=-11.50 MPa，并在接近臺座后變小至 σ=-10.86 MPa。

2.2.2 架梁階段受力分析

（1）運梁機空載時已架梁體受力計算。運梁機空載時，每個軸重 155.91 kN。圖7 給出了運梁機空載行駛在 30 m 箱梁上時箱梁撓度計算結(jié)果，由圖7 可知，梁體最大撓度出現(xiàn)在跨中節(jié)點 9 和節(jié)點 10 位置，向下最大撓度值 δmax= 6.3 mm。圖8 給出了運梁機空載行駛在 30 m 箱梁上時上、下緣應力包絡曲線，由圖8 可知，運梁機空載時，梁體上緣累計應力最大值位于跨中單元 9 處，σmax=-1.68 MPa；梁體下緣累計應力最大值位于跨中單元 9 處，σmax= 2.73 MPa。

（2）運梁機馱梁時已架梁體受力計算。馱梁時，運梁機每個軸重為 537.3 kN。圖9 給出了運輸機構(gòu)馱梁行駛在 30 m 箱梁上時梁體撓度計算結(jié)果，由圖9 可知，梁體最大撓度出現(xiàn)在跨中節(jié)點 9 和節(jié)點 10 位置，向下最大撓度值 δmax= 21.2 mm。圖10給出了運梁機馱梁行駛 30 m 箱梁上時梁體上、下緣應力包絡曲線，由圖10 可知，運梁機空載時，梁體上緣累計應力最大值位于跨中單元 9 處，σmax=-5.78 MPa；梁體下緣累計應力最大值位于跨中單元 9 處，σmax= 9.16 MPa。

圖3 滿載時軸重荷載分布（單位：m）

圖4 滿載時軸重荷載分布（單位：m）

圖7 運梁機空載行駛在 30 m 箱梁上時梁體撓度值（單位：mm）

圖8 運梁機空載行駛時在 30 m箱梁上時梁體上、下緣應力包絡線

（3）運梁機馱梁加載時梁體應力包絡計算。把存梁階段梁體翼緣的應力疊加上運輸機構(gòu)馱梁時產(chǎn)生的應力可獲得行走時的應力包絡曲線，如圖11 所示。由圖11 可見，疊加后的梁體上緣應力最大值位于跨中單元9 處，σmax=-7.46 MPa；梁體下緣應力最大值位于跨中單元 9 處，σmax= 11.87 MPa。由以上的梁體受力計算可知，當運輸機構(gòu)馱梁行走時，30 m 箱梁全截面受壓，應力疊加后最大值發(fā)生在正跨中截面單元 9 下緣處，σmax= 11.87 MPa；從抗裂、抗壓強度綜合分析可見，HYJQJ500T 型架橋機馱梁行走過程中對梁體質(zhì)量未造成影響。

2.3 架橋機支點反力及梁體支座反力計算

架橋機支點與梁體支座受力的計算目的，一是為了計算支座墊石的壓力大小和評判箱梁支座的局部承壓強度；二是為了計算架橋機支點在梁上的壓力大小以及評判混凝土的局部承壓強度。因此，在架橋機架梁全過程中，對架橋機支點 1、支點 2、支點 3 的反力進行計算分析，同時對已經(jīng)架設完成如圖12 中梁體 1、梁體 2 支座反力進行計算分析，探討混凝土局部承壓強度的計算問題。

2.3.1 計算模型

圖12 給出了架梁過程計算模型，圖中以坐標原點為支座位置，支座 5～支座 4、支座 3～支座 2 表示已經(jīng)架設完成的 30 m 預應力混凝土箱梁，編號為梁體 1、梁體 2。已經(jīng)安裝好的架橋機支點亦如圖12 計算模型所示，有架橋機支點 1、支點 2、支點 3，分別都有 2 個支腿。

梁體 2 上放置運輸馱車，馱梁時，梁重4 160 kN，每個軸重 537.3 kN，架橋機上的起重天車單重 254 kN。梁體的支座編號分別為，梁體 1：支座 5、支座 4；梁體 2：支座 3、支座 2；待架設的梁體 3：支座 1、支座 2′，其中，因為梁體 3 的重量通過起重天車轉(zhuǎn)移到架橋機上，架橋機又通過各處的支點重新分配支點反力，實際上直到梁體 3 落梁前，支座 2′不受力。

圖9 運輸機構(gòu)馱梁行駛在 30 m 箱梁上時梁體撓度值（單位：mm）

圖10 運梁機馱梁行駛在 30 m 箱梁上時梁體上、下緣應力包絡線

圖11 運梁機馱梁加載時 30 m 箱梁梁體上、下緣應力包絡線

圖12 架梁過程仿真計算模型（單位：kN）

架橋機支點 1 直接落在支座 1 上，所以對支座 1 的反力計算以及局部承壓強度計算可與架橋機支點 1 合并處理。施工及受力過程如下。

（1）存梁。預應力鋼束張拉完畢并放置梁片。

（2）架橋機前支點脫空。支點 1 千斤頂縮腿，支點脫空支承墊石。

（3）架橋機前支點支承。支點 1 千斤頂伸腿，支點支承在橋墩墊石上。

（4）運輸機構(gòu)軸重加載。1 750 kN 馱車軸重平均分配至 11 個軸上。

（5）運輸機構(gòu)馱梁加載。梁重 4 160 kN 荷載平均分配至馱車 11 個軸上，軸重疊加。

（6）天車吊起梁體移動，按圖13 中所示方向行走，從吊車點-01 行走至吊車點-19位置。

（7）落梁。起重天車垂直下降落到待架的梁孔兩端支座上。

（8）架橋機后支點（支點3）脫空。支點3千斤頂縮腿，支點3脫空不受力，準備退車。

（9）過孔加載。支點 1 脫空后架橋機結(jié)構(gòu)由運輸機構(gòu)馱運前行到新架梁孔。

2.3.2 支座 5 反力計算

圖14 給出了架梁全過程中支座 5 反力變化曲線，從圖中反力的變化趨勢分析可見，剛剛吊起梁體后反力最大，RS5= 2 417 kN（受壓）。

2.3.3 支座 4、支座 3 反力計算

圖15 給出了架梁全過程中支座 4、支座 3 反力變化曲線，從圖中反力的變化趨勢分析可見，馱車馱梁后行走到位，尚未吊起梁體前，支座3的反力最大，RS3= 4 949 kN（受壓）；梁體吊起后，架橋機通過支點 3 重新分配了反力，此時梁體 1 的支座 4 反力最大，RS4= 4 602 kN（受壓）。

2.3.4 支座 2 反力計算

圖16 給出了架梁全過程中支座 2 反力變化曲線，從圖中反力的變化趨勢可見，吊起梁體后行走到吊車點-09 時反力最大，RS2= 7 085 kN（受壓）。

從圖17吊車點-09 的加載位置圖可以看出，梁體的重心位置已接近架橋機支座 2。

2.3.5 架橋機支點 2、支點 3 反力計算

圖13 架橋機起重天車吊車點移動軌跡示意（單位：kN）

圖14 架梁全過程中支座5反力變化曲線

圖15 架梁全過程中支座 3、支座 4 反力變化曲線

由圖18 架梁全過程中架橋機支點 2、支點 3 反力變化曲線可見，支點 2、支點 3 的反力是單支腿的反力大小，架橋機支點 2 隨天車吊點移動到梁體中心接近支點2 時為反力最大，對應吊車點-09，RMBC2= 2 182 kN（受壓）；架橋機支點 3 在剛剛吊起梁體時反力最大，RMBC3= 1 350 kN（受壓） 。

2.3.6 架橋機支點 1 反力計算

架橋機支點 1 的反力是單支腿的反力大小，從圖19架梁全過程中架橋機支點 1 反力變化曲線可見，架橋機支點 1 隨天車吊點移動到最末端時為反力最大，對應吊車點-19，RMBC1= 1 388 kN（受壓）。

2.3.7 局部承壓強度計算

表1給出了局部應力計算結(jié)果，由表1可見，所有支座或者架橋機支點的最大單支（單支腿或者單支座）受力發(fā)生在支座2或者架橋機支點2處；支座2單支座及架橋機支點2單支腿反力均最大，在支座2處墊石上的混凝土局部承壓應力最大為 8.13 MPa，支座墊石和30 m 箱梁表面支點處的局部承壓應力都小于容許值，表明架梁施工全過程中混凝土的局部承壓強度滿足要求。

3 結(jié)束語

在城市軌道交通高架橋施工中，預制梁安裝非常普遍，架橋機種類繁多，選擇安全、經(jīng)濟、適用的架橋機是保證箱梁安裝質(zhì)量的關(guān)鍵。本文通過對箱梁存梁與架梁階段受力分析計算、架橋機支點及支座反力分析計算，以及分析架梁施工過程對梁體產(chǎn)生的影響，驗證了該架橋機在本工程的適用性及合理性，為類似工程提供參考。面對一些曲線半徑較小等特殊條件下的高架橋梁箱梁預制安裝，在選擇架橋機時還應考慮各支點、支座限界等問題。

［1］ TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規(guī)范［S］.2005.

［2］ TB10002.3-2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］.2005.

［3］ 陳士通，孫志星，張平，等.SLJ900/32流動式架橋機設計選型與應用［J］.鐵道工程學報，2015，32（1）：88-92.

［4］ 吳曉，羅薇，胡曉樂，等.架橋機結(jié)構(gòu)動力學建模與動態(tài)特性分析［J］.鐵道工程學報，2010

圖16 架梁全過程中支座 2 反力變化曲線

圖17 架梁全過程中吊車點-09的加載圖式（單位：kN）

圖18 架梁全過程中架橋機支點 2、支點 3 反力變化曲線

（9）：25-30.

圖19 架梁全過程中架橋機支點 1 反力變化曲線

表1 支座反力與架橋機支點處局部承壓應力計算結(jié)果

［5］ 賈力鋒，王利英，黃耀怡.廣州城軌DP700型架橋機的技術(shù)創(chuàng)新與實踐［J］.鐵道標準設計，2010 （4）：24-28.

責任編輯 朱開明

Force Analysis of Metro Elevated Bridge Beam Erection Launching Process

Suo Xiaohua， Wang Cheng， Peng Zhihui

Taking bridge erection machine selection for the second phase project of an elevated bridge launching project of a metro Line 4 as an example， the paper focuses on the load distribution in the beam erection process， beam body stress analysis， the calculation and analysis on the fulcrum of the bridging machine and beam body bearing force， and it elaborates the impact on the existing bridge beam body and the safety of the bridge erection machine in the process of beam erection.

viaduct， beam erection process， force analysis

U239.5

索曉華（1980—），男，工程師

2016-04-13