高速鐵路40 m梁運(yùn)架一體機(jī)主梁設(shè)計(jì)及分析計(jì)算

蔣中明

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 研究背景

經(jīng)過(guò)十多年的積累，我國(guó)32 m及以下跨度高鐵簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架技術(shù)和裝備已日趨成熟，不僅可滿足國(guó)內(nèi)32 m以下高鐵橋梁工程建設(shè)需求，同時(shí)部分架橋機(jī)已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)[1-3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高鐵建設(shè)逐步向西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)推進(jìn)，其水文條件和地質(zhì)地貌更加復(fù)雜惡劣，跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁占比較大，因此適當(dāng)提高橋梁跨度、減少墩臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)量可極大的降低工程造價(jià)。2016年之前，我國(guó)高鐵預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋最大跨度為32 m，當(dāng)跨度大于32 m時(shí)，多采用現(xiàn)澆橋梁，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)下降，且質(zhì)量控制難度較大。因此，根據(jù)最新的2013年《鐵路主要技術(shù)政策》(原鐵道部第34號(hào)令)第三十八條：“開(kāi)展大跨度橋梁研究”的指導(dǎo)要求以及中國(guó)鐵路總公司《鐵路工程設(shè)計(jì)措施優(yōu)化指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵總建設(shè)[2013]103號(hào))：“梁部結(jié)構(gòu)宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)并以簡(jiǎn)支梁為主”的規(guī)定，2016年5月起，相關(guān)單位開(kāi)始進(jìn)行高速鐵路40 m大跨度簡(jiǎn)支梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“40 m梁”)建造關(guān)鍵技術(shù)研究。研究結(jié)果表明，40 m梁不僅可減少墩臺(tái)數(shù)量、提高生產(chǎn)效率，提高梁橋跨越能力，同時(shí)對(duì)地形、地質(zhì)復(fù)雜的高墩、深基礎(chǔ)區(qū)段，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[4-5]。

為形成40 m梁成套建造技術(shù)，中鐵五院聯(lián)合中鐵十一局同步開(kāi)展40 m梁提運(yùn)架成套施工裝備的研制，其中上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)架一體機(jī)”)已于2020年7月在福廈湄洲灣特大橋順利完成首架。

2 40 m梁運(yùn)架一體機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)架一體機(jī)主梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主梁”)主要包含運(yùn)架梁機(jī)主梁和前導(dǎo)梁兩部分，總長(zhǎng)103.33 m，總重量約465 t。為方便運(yùn)輸和變跨，主梁縱向分為9個(gè)節(jié)段(見(jiàn)圖1)，各節(jié)段間采用螺栓連接，其中一～七節(jié)段為運(yùn)架梁機(jī)主梁部分，八、九節(jié)段為前導(dǎo)梁部分，主要用于輔助運(yùn)架梁機(jī)過(guò)孔。當(dāng)運(yùn)架梁機(jī)往返梁場(chǎng)與架梁工位吊運(yùn)箱梁時(shí)，前導(dǎo)梁可留置在架梁工位，待運(yùn)架梁機(jī)運(yùn)梁至架梁工位后，前導(dǎo)梁自動(dòng)對(duì)接至運(yùn)架梁機(jī)主梁，完成運(yùn)架一體機(jī)的連接。

圖1為主梁總圖，由右向左依次設(shè)有主支腿(40 t)、前車(chē)(150 t)、中支腿(30 t)、起升裝置(移動(dòng)吊具、固定吊具各25 t)、后車(chē)(200 t)及卷?yè)P(yáng)機(jī)平臺(tái)(40 t)等部件接口，其中主支腿可沿主梁軌道移動(dòng)。

2.1 運(yùn)架一體機(jī)各工況主梁內(nèi)力分析

作為運(yùn)架一體機(jī)主要的受力部件，主梁的安全性直接關(guān)乎設(shè)備的使用。

2.1.1 豎向荷載

主梁所受豎向荷載主要為設(shè)備自重荷載PG和吊重荷載PQ。為最大程度提升運(yùn)架一體機(jī)的適用范圍，本設(shè)備在設(shè)計(jì)之初便兼顧了40 m以下不同跨度簡(jiǎn)支梁的架設(shè)需求。通過(guò)對(duì)各種跨度簡(jiǎn)支梁施工受力比較后確定，40 m(自重1 000 t)、32 m梁(自重900 t)架梁作業(yè)時(shí)主梁受力最大。又進(jìn)一步分析可知，對(duì)于運(yùn)輸工況，當(dāng)前導(dǎo)梁留置在架梁工位不隨主梁一同運(yùn)梁時(shí)主梁受力最為不利(如圖2、圖3所示)；對(duì)于架梁工況，后車(chē)與中支腿支撐、后車(chē)與主支腿支撐時(shí)兩種狀態(tài)下主梁受力最為不利(如圖4、圖5所示)。

圖1 主梁總圖(單位：mm)

圖2 40 m梁運(yùn)輸工況時(shí)主梁荷載圖示(單位：mm)

圖3 32 m梁運(yùn)輸工況時(shí)主梁荷載圖示(單位：mm)

圖4 40 m梁架梁工況時(shí)主梁荷載圖示(單位：mm)

2.1.2 橫向荷載

主梁所受橫向荷載主要為風(fēng)荷載PW，按7級(jí)風(fēng)計(jì)，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB3811-2008)相關(guān)規(guī)定，工作狀態(tài)主梁橫向風(fēng)荷載均布集度為3.79 kN/m；吊點(diǎn)處橫向風(fēng)力約32.4 kN，同時(shí)考慮其產(chǎn)生的附加扭矩為331.61 kN·m。

2.1.3 荷載系數(shù)及荷載組合

主梁靜態(tài)分析計(jì)算采用許用應(yīng)力法，即規(guī)定了載荷在結(jié)構(gòu)及連接接頭中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形不超過(guò)在結(jié)構(gòu)及連接接頭承載能力的設(shè)計(jì)方法。運(yùn)梁工況下強(qiáng)度計(jì)算采用組合1(其中1.3為運(yùn)行沖擊系數(shù))，過(guò)孔工況下強(qiáng)度計(jì)算采用組合2(其中1.1為起升動(dòng)載系數(shù))，剛度計(jì)算采用組合3。

圖5 32 m梁架設(shè)工況時(shí)主梁荷載圖示(單位：mm)

組合1：1.3×(PG+PQ+PW)；組合2：1.1×(PG+PQ+PW)；組合3：1.0×PQ。

2.1.4 主梁各工況下內(nèi)力結(jié)果

通過(guò)對(duì)上述40 m和32 m運(yùn)輸工況、架梁工況下內(nèi)力計(jì)算，提取主梁各節(jié)段最大內(nèi)力，見(jiàn)表1。

2.2 運(yùn)架一體機(jī)主梁設(shè)計(jì)

通過(guò)內(nèi)力分析可知，使用過(guò)程中對(duì)主梁強(qiáng)度有很高的要求，但同時(shí)考慮到運(yùn)梁過(guò)隧以及隧道口架梁等特殊施工需求，設(shè)備外形尺寸又不宜過(guò)大，因此綜合比選后主梁鋼材最終選擇采用HG785D鋼。

對(duì)于HG785D基本許用應(yīng)力，含兩種組合，其中組合A為常規(guī)荷載組合，即豎向荷載；組合B為常規(guī)荷載+偶然荷載組合，即豎向荷載+橫向風(fēng)荷載。主梁各主要材質(zhì)許用應(yīng)力見(jiàn)表2，其中翼緣及腹板連接螺栓均采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓。

經(jīng)設(shè)計(jì)確定，主梁采用箱形截面，如圖6所示，其中一節(jié)段和八、九節(jié)段為變截面(梁高方向)。一節(jié)段梁端截面尺寸為2.4 m×2.4 m，六～九節(jié)段截面尺寸為2.3 m×4.8 m(九節(jié)段梁端截面尺寸為2.3 m×0.945 m)，其余節(jié)段截面尺寸為2.4 m×4.8 m，上下兩層通過(guò)螺栓連接。一、八、九節(jié)段頂?shù)装?0 mm、其余頂?shù)装?0 mm，腹板取14 mm。

表1 各工況下主梁各節(jié)段最大內(nèi)力值

表2 主梁各主要材質(zhì)力學(xué)性能 MPa

圖6 主梁各截面(單位：mm)

3 40 m梁運(yùn)架一體機(jī)主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主梁各節(jié)段最不利應(yīng)力計(jì)算

以三節(jié)段為例，取移動(dòng)吊具處(圖7)架梁、過(guò)孔工況中最不利荷載組合進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，剪力F=2.88×103kN，豎向彎矩M=2.03×105kN·m，水平彎矩Mz=5.31×103kN·m，扭矩Mk=9.98×102kN·m；凈截面慣性矩Iy=1.556×1012mm4，Iz=2.603×1011mm4，形心軸一側(cè)截面凈矩S=3.5×108mm3。

(1)約束彎曲正應(yīng)力計(jì)算：水平彎矩作用下上翼緣最大正應(yīng)力σ上彎=1.05Mz上/Iy=327.07 MPa<[σ]A=411.5 MPa，水平彎矩作用下下翼緣最大

圖7 三節(jié)段移動(dòng)吊具長(zhǎng)孔段橫斷面(單位：mm)

正應(yīng)力σ下彎=1.05Mz下/Iy=330.82 MPa<[σ]A，垂直彎矩作用下翼緣最大正應(yīng)力σz彎=1.05Mzy/Iy=25.7 MPa，彎矩作用下截面最大正應(yīng)力σ彎組=330.82 MPa +25.70 MPa =356.52 MPa<[σ]B=460.6 MPa。

經(jīng)計(jì)算可知，移動(dòng)吊具處主梁應(yīng)力滿足要求。同理對(duì)各節(jié)段應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算均滿足要求，結(jié)果見(jiàn)表3。

3.2 主梁剛度計(jì)算

表3 各工況下主梁各節(jié)段應(yīng)力結(jié)果

3.2.1 40 m梁運(yùn)梁、架梁工況下主梁最大位移

如圖8所示，40 m梁運(yùn)梁工況下(前、后車(chē)支撐，間距73 280 mm)，主梁最大豎向位移156.3 mm，最大撓跨比=1/468.9。

圖8 40 m梁運(yùn)梁工況下主梁最大位移(單位：mm)

圖9所示為40 m梁架梁工況下主梁最大位移，當(dāng)后車(chē)及中支腿支撐時(shí)，間距54 490 mm，最大豎向位移43.8 mm，最大撓跨比1/1244；當(dāng)后車(chē)及主支腿前端位置處支撐時(shí)，間距96 290 mm，最大豎向位移380.3 mm，最大撓跨比=1/253.2。

3.2.2 32 m梁運(yùn)梁、架梁工況下主梁最大位移

運(yùn)梁工況下(前、后車(chē)支撐，間距73 280 mm)，最大豎向位移173.1 mm，最大撓跨比=1/423.3。

架梁工況下主梁最大位移，當(dāng)后車(chē)及中支腿支撐時(shí)，間距54 490 mm，最大豎向位移49.6 mm，最大撓跨比=1/1 068.4；當(dāng)后車(chē)及主支腿前端位置處支撐時(shí)，間距88 290 mm，最大豎向位移304.5 mm，最大撓跨比=1/290。

圖9 40 m梁架梁工況下主梁最大位移(單位：mm)

3.2.3 開(kāi)孔位置處剛度分析

如圖6所示，吊點(diǎn)開(kāi)孔和其余開(kāi)孔段橫斷面慣性矩、凈截面慣性矩均為Iy≈1.6×1012mm4，與主梁主截面慣性矩近似，因此開(kāi)孔不會(huì)降低主梁剛度。

綜上，各工況主梁最大撓跨比1/253.3<1/250。

3.3 主梁整體屈曲分析

取架梁工況進(jìn)行屈曲分析，此時(shí)架橋機(jī)后車(chē)及主支腿支撐跨度最大，最容易產(chǎn)生失穩(wěn)。提取主梁前六階屈曲模量進(jìn)行分析，可知模量系數(shù)均大于4，故不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，結(jié)果如圖10所示。

3.4 主梁整體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，箱型截面受彎構(gòu)件的截面高度與兩腹板外側(cè)之間的翼緣板寬度的比值h/b=4 800 mm/1 800 mm=2.67<3，不必驗(yàn)算其整體穩(wěn)定性。

圖10 主梁前六階屈曲模量

3.5 主梁局部穩(wěn)定性計(jì)算

3.5.1 橫向加勁肋設(shè)置及局部穩(wěn)定性

(1)橫隔板最大間距a=4 800 mm，上下翼緣板之間的腹板高b=4 800 mm，滿足0.5b≤a≤2b的規(guī)定。

3.5.2 腹板縱向加勁肋設(shè)置及局部穩(wěn)定性計(jì)算

按照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，該主梁屬于高腹板，應(yīng)在腹板受壓區(qū)設(shè)置多道縱向加勁肋。經(jīng)驗(yàn)算腹板縱向加勁肋滿足要求，且各節(jié)段腹板最不利區(qū)格穩(wěn)定性均滿足要求。

3.5.3 翼緣縱向加勁肋設(shè)置及局部穩(wěn)定性計(jì)算

3.6 主梁節(jié)段拼接位置受力計(jì)算

3.6.1 翼緣拼接螺栓計(jì)算

(2)同理，50 mm翼緣處拼接螺栓按12×7個(gè)布置。

3.6.2 腹板拼接螺栓計(jì)算

同理，各節(jié)段連接位置處螺栓布置情況見(jiàn)表4。

表4 各工況下主梁各節(jié)段連接位置處螺栓布置情況

4 結(jié)論

通過(guò)從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及連接等方面對(duì)運(yùn)架一體機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析計(jì)算進(jìn)行全面系統(tǒng)的總結(jié)，確保了結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)也為高強(qiáng)度、大跨度、高強(qiáng)材質(zhì)、高腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了經(jīng)驗(yàn)。