谈桃花峪黄河大桥架桥机主导梁设计关键要素

徐烨

(中铁大桥局股份有限公司设计分公司，湖北武汉 430050)

0 引言

武西高速公路桃花峪黄河大桥位于郑州市西北，郑州与焦作跨黄河交界处，北接线连接河南省干线公路郑新高速公路，南接线连接国道主干线连霍高速公路，是继京广铁路黄河大桥、郑州黄河公路大桥、刘江黄河大桥(京珠高速黄河大桥)、新郑黄河大桥(公铁两用黄河大桥)之后又一跨越黄河天堑、沟通黄河两岸的重要通道。架桥机是将预制好的梁段吊装到桥墩上的大型施工设备，而主导梁是架桥机的重要构件，本文以桃花峪黄河大桥HZP130节段拼装架桥机设计为例，阐述架桥机主导梁设计中的关键要素，为以后的同种类型的架桥机设计提供借鉴。

1 设计概况

1.1 结构概况

HZP130节段拼装架桥机由中部主梁和两端导梁组成，结构总成见图1，主梁长60 m，导梁长30 m，架桥机全长120 m。

图1 HZP130节段拼装架桥机结构总成

主梁为箱形截面，采用双箱结构形式，主梁截面如图2所示，主梁箱形截面高5.0 m，宽2.0 m，双箱中心距6.9 m，主梁上下层之间采用螺栓连接。

导梁采用双主桁结构形式，导梁截面如图3所示，单组桁由两片桁组成，桁高5.0 m，桁宽1.9 m，桁间距为6.9 m。

图2 主梁截面（单位：mm）

图3 导梁截面（单位：mm）

1.2 材料许用应力

按照GB 3811-2008起重机设计规范、GB/T 1591-2008低合金高强度结构钢和GB/T 700-2006碳素结构钢规定。许用应力见表1，表2。

表1 许用应力表(无风工作状态)

表2 许用应力表(有风工作状态)

1.3 架桥机允许挠度

根据TSG Q7002桥式起重机型式试验细则及GB 3811-2008起重机设计规范，对主梁和悬臂导梁的挠度有以下要求：

1)主梁跨中的垂直静挠度不大于S/500，单臂且隧道口架梁的架桥机主梁跨中的垂直静挠度不大于S/250(S为架桥机跨度);

2)过孔试验时，过孔处于极限位置(前支腿落于桥墩上之前)，悬臂下挠不大于S/100或设计规定值;对用下导梁过孔方式的架桥机，下导梁跨中挠度不大于S/600。

1.4 工况分析

箱梁节段全部吊挂于架桥机下弦时，主梁受力最为不利，在此工况下，对主梁进行分析研究。一孔箱梁全部胶拼完成后张拉体内预应力束，架桥机走形进入下一孔梁。走形过程中，提取导梁最不利受力情况，对导梁结构进行分析。

2 主导梁设计关键要素

2.1 整体稳定设计

我们在进行架桥机结构的计算与分析时，往往比较注重结构的强度与刚度分析，对板系结构的整体稳定研究较少，但实际架桥机的破坏往往由结构失稳引起。

现阶段一般用通用有限元软件提供的屈曲分析模块采用非线性计算方法计算结构的稳定情况。

2.2 主梁顶底板设计

箱梁节段全部吊挂于HZP130节段拼装架桥机主梁下弦时，主梁受力最为不利，此时主梁跨中弯矩最大，两端弯矩较小，主梁的强度由跨中顶底板应力控制，因此设计架桥机应在满足各项设计指标时，加大架桥机主梁中部的顶底板厚度，减小端部的顶底板厚度。在满足强度设计的同时，还应按照《钢结构设计规范》对顶底板的局部稳定做一个验算，检算顶底板的加劲肋配置是否满足要求。

2.3 主梁腹板设计

腹板的强度与稳定由支座处的应力与稳定控制，一般支点处的应力最大，往外侧导梁方向急剧减小，往内侧跨中方向是一个逐渐减小的过程，支点底部应力最大，往上应力逐渐减小。主梁腹板强度设计应在满足各项设计指标时，应为全梁选取一个较小的板厚，在支座往跨中方向一定范围内的中下部贴板加强。为了满足腹板的局部稳定，应对支座处的横隔板进行局部加密。

2.4 主梁上下层连接螺栓设计

HZP130节段拼装架桥机主梁由上下两个半箱组成，上下层通过螺栓连接。

主梁受载弯曲时，主梁上下层的连接螺栓承受水平方向的剪力。剪力在跨中最小，理论上趋近于零，往两端逐渐增大，在支座上方达到最大。

支座上方的最大剪力可由公式计算：

其中，Q'为上下层连接单位长度所受剪力;Q为支座所受竖向剪力;Sz为分层处以上横截面积对中性轴的静矩;Iz为整个截面对中性轴的惯性矩。

根据单个螺栓的抗剪承载力和孔壁承压承载力确定单个螺栓的最大承载力Nb，单位长度内的螺栓个数为n，如Q'≤nNb，则主梁上下层连接螺栓满足要求，反之则不满足要求。

上下层连接螺栓单位长度所受剪力也可以从模型结果中查出，如果箱梁两腹板受力一样，电算结果与手算结果吻合，但实际操作中往往偏载，致使箱梁一侧腹板较均值大，一侧腹板较均值小。建议从电算模型中查出腹板上下层连接最不利区域单位长度所受剪力，再跟此区域内螺栓最大承载力进行比较。

2.5 导梁节点焊缝设计

在架桥机导梁结构设计中，往往比较重视杆件的强度和稳定性计算，忽略了导梁节点焊缝的细部分析，节点连接是导梁结构的一个薄弱点，结构破坏往往从连接节点处发生。

如图4所示，在导梁走形工况中提取受力最不利节点，节点处各杆件轴力为Ni，则节点水平剪力，竖向力T=。

节点焊缝连接长度为L，焊缝高度hf，有效连接长度Le=L-12hf，节点板正应力 σ=T/(0.7Lehf)，节点板剪应力 τ= V/ (0.7Lehf)，许用正应力为［σ］，许用剪应力为［τ］，如果τ＜［τ］，并且复合应力，则节点焊缝连接满足要求，反之则不满足要求。

图4 导梁节点受力示意图

2.6 预应力张拉时的吊杆设计

箱梁所有节段拼装完成后就开始进行体内预应力的张拉，并在适当的时候逐步拆除吊杆。

当所有体内预应力张拉完成后，将支腿的顶升千斤顶下落，再进行吊杆的拆除，此时箱梁节段为反拱状态，吊杆的拉力分布为从跨中到端部逐渐增大，此时需用有限元软件对箱梁主体结构进行检算，确保箱梁上缘不会出现拉应力。如果经计算箱梁上缘会出现拉应力，则需确定合适的方案，边张拉体内预应力边拆除吊杆。

［1］ GB/T 3811-2008，起重机设计规范［S］.

［2］ GB/T 1591-2008，低合金高强度结构钢［S］.

［3］ TSG Q7002，桥式起重机型式试验细则［S］.

［4］ 张质文，虞和谦.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，2001.

［5］ GB/T 700-2006，碳素结构钢［S］.