双导梁架桥机吊装预制T 梁的施工安全计算分析

苏建旭

（广州大学）

0 引言

随着我国桥梁领域的快速发展，架桥机作为加快施工工期的吊装设备，其使用效率越来越频繁，已经成为建设桥梁重要的组成部分。然而，架桥机施工过程事故时有发生：2021 年10 月2 日，湖杭高铁施工段发生架桥机故障，造成1 死2 伤；2019 年7 月18 日，勉县汉江二号大桥桥梁架设中架桥机倒塌，造成5 死7 伤[1]。这些事故的本质是对架桥机使用过程中的安全管理不足，从而造成严重的损失，因此对架桥机的安全验算尤为重要[2]。本文以某高架桥线路中采用双导梁架桥机吊装预制T 梁为工程案例，对施工过程中的架桥机与桥墩结构的安全进行复核计算，分析架桥机施工中的风险点。

1 工程概况

某高架桥线路全长4.481km，桥跨结构采用先简支后连续结构体系，需要架设30m 单片T 梁，边梁最大重量约83t，拟采用的公路架桥机为双导轨体系，由尾支腿、中支腿、主梁、起重小车、纵行桁车、前支腿、临时支腿、上横梁、辅助支腿、控制系统等组成，如图1 所示。

图1 架桥机构造图

同时，为研究架桥机施工过程中，对支撑盖梁与桥墩的影响，选取线路架中的典型桥墩进行受力分析，典型桥墩为Y 形墩，尺寸如图2 所示。

图2 验算桥墩示意图

2 有限元模拟

依据相关图纸建立架桥机与桥墩结构的空间有限元模型如图3 所示，对架桥机吊梁落梁过程的复核计算，验算架桥机与盖梁的强度。架桥机主梁与主桁采用Q345 钢材，设计强度310MPa，主梁底桁采用Q235 钢材，设计强度215MPa；盖梁采用C50 混凝土，抗拉强度设计值为1.89MPa，抗压设计值23.1MPa，本文主要验算依据为《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015[3]。

图3 有限元模型示意图

采用有限元软件Midas Civil 2019 建立架桥机模型进行计算分析。架桥机杆件均采用梁单元模拟，如图3(a)所示。架桥机主桁通过刚性连接与各支腿相连，同时通过各支腿简支或连续支承于盖梁或已架设梁段，起重小车和纵移桁车分别通过弹性连接简支于主桁上弦，上横梁与主桁上弦刚性连接，模拟真实的架桥机边界条件。

采用有限元软件ANSYS19.0 建立桥墩与盖梁模型进行计算分析。桥墩与盖梁均采用实体单元Solid45 单元模拟，预应力筋采用杆单元Link8 单元模拟。模型如图3(b)所示。桥墩底面约束所有自由度进行固结，并根据设计资料调整桥墩的预应力张拉，使用节点约束法模拟预应力与混凝土之间的协同作用，并通过降温法模拟钢束的张拉力。

3 计算工况

3.1 施工方法

本案例架桥机施工方法采用水平斜吊，施工的步骤主要分为4 步如图4 所示，分别为：

⑴梁体起吊（步骤1）：首先由运梁车运载T 梁至吊梁位置，提升梁体悬空并撤离运梁车；

⑵梁体单端水平移动（步骤2）：单端起重小车水平平移，调整梁体位置变为平面斜31 度，两端小车同步提升梁体超过桥墩的支座垫石；

⑶梁体水平移动（步骤3）：起重小车同步往架桥机中间移动，使得梁体居中；

⑷主梁纵移到桥跨(步骤4）：主梁整体位移到达梁拟定放置位置，进行下放。

3.2 架桥机的安全分析

依据上述的施工方法，对架桥机的安全进行验算。架桥机在吊梁落梁的过程中，横梁与吊重小车位置并不恒定，为全面验算施工过程中的架桥机安全，需要对每个步骤进行分析验算，图5 为步骤1 梁体起吊工况的受力分析情况。

由计算结果可知，两片桁架中支腿反力分别为846kN、343kN 及207kN、172kN。主桁应力介于-278MPa（压应力）～237MPa（拉应力）之间。均低于架桥机Q345钢材的设计强度310MPa，满足要求。

同时注意到，当架桥机吊起边梁时，稳定性最差，《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）第1.2.12 条规定，桥跨结构在施工架设时期应保证倾覆稳定性，稳定系数不应小于1.3[4]。架桥机“水平斜吊”步骤1 结构第一阶失稳模态如图5(d)，其中结构自重及T梁重量均设置为变量，对应的屈曲临界系数为12.4，满足要求。

图5 吊梁落梁工况一中架桥机的受力分析

限于篇幅，剩余吊装施工的工况验算情况在表1 列出，由表可知主桁应力均在290MPa 以内，低于主桁Q345 钢材的设计强度310MPa，满足安全要求。

表1 水平斜吊施工步骤中架桥机的受力

3.3 桥墩盖梁安全性验算与评价

取上小节架桥机计算分析中支腿反力最大的工况，将支座反力以节点荷载的方式加载到ANSYS 模型上面，并考虑盖梁已经架设一侧预制T 梁进行验算。取架桥机“水平斜吊”的步骤1 支座反力846kN、343kN，已架设T梁按自重荷载分配在支座位置加载，加载面积按两个临时支座底面考虑。施工工序如图6(a)所示，其中最危险的工序是当架桥机架设完毕1 到9 号梁后，吊起10 号梁时，此时盖梁悬臂端受荷载最大。按以上的受力状态建立的计算模型如图6(b)所示。

图6 有限元模型受力示意图

分析该工况下引起的盖梁受力，应力分析如图7(a)所示。可以看到桥墩整体的拉应力都在1.89MPa 以内，1.89MPa 是盖梁C50 混凝土的抗拉强度设计值，说明盖梁的抗裂都能满足要求。盖梁的压应力都在8MPa以内，这都远低于盖梁混凝土标号的抗压强度设计值。因此可以认为架桥机架梁过程中盖梁仍然是安全的且满足使用性要求。

分析该工况引起的桥墩受力，结构的应力分析如图7(b)所示。可以看到桥墩在架桥机的另一侧的墩柱面在架桥机的偏压作用下，根部出现拉应力超过1.71MPa 的区域，1.71MPa 是墩柱C40 混凝土的抗拉强度设计值，说明桥墩抗裂不满足要求。

图7 桥墩与盖梁应力图

3.4 分析结论

对某高架桥线路的预应力混凝土T 梁桥架桥机施工安全进行了全面复核。分别对架桥机体系和桥墩及盖梁在施工全过程的安全性进行了计算，建立了架桥机的整体杆系有限元模型和盖梁及墩柱的实体有限元模型，分析了各种施工工况作用下的架桥机及盖梁受力状况。主要研究结论如下：

分析了架桥机吊梁落梁施工全过程的架桥机受力性能，重点分析了架桥机斜吊T 梁过程的受力性能，分析发现主桁应力均在290MPa 以内，低于主桁Q345 钢材的设计强度310MPa；同时对吊梁过程中的主桁横向稳定进行了分析，计算发现主桁的稳定系数在12 以上，表明架桥机横向稳定性较好，满足安全要求。

分析了架桥机吊梁落梁施工全过程的盖梁与墩柱受力性能，提取最不利架桥过程中的支撑反力进行加载，分析发现盖梁在自重、预应力和架桥机反力作用下结构整体的拉应力均低于盖梁的抗拉强度设计值，压应力普遍低于8MPa，整体说明架桥机架梁过程中，盖梁结构仍然是安全的且满足使用性要求。

但架桥机吊梁落梁施工过程中，因为架桥机的偏压作用，桥墩在另外一侧的墩柱面根部出现拉应力，数值超过桥墩C40 混凝土的抗拉强度设计值，桥墩抗裂不满足要求,这需要在施工过程中引起重视并采取其它方法进行混凝土防裂措施。