大型架桥机在施工中的动态稳定性分析

摘要 大型架桥机在桥梁施工中，会受多种因素的影响，影响其动态稳定性，进而影响桥梁的施工质量。文章以实际工程施工使用的架桥机为例，研究大型架桥机在施工中的动态稳定性。首先，依据该架桥机的型号和结构，采用Midas Civil软件构建了有限元模型；然后，在该模型上施加荷载，分析了吊梁小车的许用应力、架桥机的顶高支腿动稳定性及架桥机的整体动稳定性。结果显示，吊梁小车在不同施工工况下的最大工作应力值为215.5 MPa，低于许用应力结果；顶高支腿应力云图中呈现的应力值较为均匀，不存在集中的应力情况；架桥机的屈曲稳定安全系数值为16.8，整体结构的稳定性满足应用标准。

关键词 大型架桥机；动态稳定性；有限元模型；许用应力；安全系数

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2025）02-0192-03

0 引言

随着国家基础设施建设的快速推进，大型架桥机作为桥梁建设过程中的关键设备，其性能的稳定性和安全性对于保障整个施工过程的顺利进行至关重要。特别是在高速铁路、大型公路等交通基础设施建设中，大型架桥机不仅需要面对复杂的施工环境和多变的作业条件，还需承担大吨位、大跨径的桥梁架设任务[1]，这对架桥机的动态稳定性提出了更高要求。动态稳定性是指大型架桥机在施工过程中，受各种动态载荷、风力、地震等外部因素作用时，能够保持结构稳定、运行平稳的能力[2]。动态稳定性分析是评估大型架桥机性能的重要手段，有助于深入理解架桥机在复杂工况下的受力特性、运动规律及可能存在的失稳风险，为架桥机的设计优化、施工控制及安全保障提供科学依据。然而，由于大型架桥机结构复杂、作业环境多变，其动态稳定性分析仍面临诸多挑战。例如，如何准确模拟和预测架桥机在复杂工况下的动态响应、如何有效评估架桥机结构的强度和刚度等[3]。

基于此，该文以某桥梁工程中使用的架桥机为例展开相关研究，利用有限元软件进行动力学建模，对大型架桥机在施工中的动态稳定性进行实例分析，探讨其在实际应用中的效果和局限性，并提出相应的改进措施和建议。

1 大型架桥机在施工中的动态稳定性分析

1.1 工程概况

为分析大型架桥机在施工中的动态稳定性，该文以某道路桥梁工程施工使用的架桥机为例展开相关研究，该工程全长为77.65 km，双向四车道设计，桥梁上部结构为先简支后连续的预应力混凝土箱梁、T梁、变截面现浇连续梁，使用的混凝土等级为C50，T梁混凝土的单片长度为43 m，重量约为148.5 t。该梁为大跨度梁，在施工时为保证施工质量，采用HJQ120-30A3型架桥机进行施工。该架桥机主要包含主梁、导梁、前支腿、顶高支腿及液压机电气系统等多个部分组成，架桥机的详细参数如表1所示：

该架桥机的核心构造体现在其主梁设计上，其采用独特的双三角桁架梁结构，每根梁的长度精确至75 m，并通过横梁巧妙地连接在一起，形成整机的承重基石。为确保施工过程中的灵活性和高效性，在主梁上方装配两台性能卓越的吊梁小车，每台均具备75 t的额定吊重能力，其主要职责是精准地操控和吊装拟架梁板。而在主梁的下部，则精心布置4个稳固的支腿，这些支腿下方还配备了横移轨道系统，使得整个架桥机能够轻松地将拟架梁板横向移动到预定的施工位置，从而确保工程的顺利进行。

架桥机在施工时，受周期性外力作用时，例如风力、机械振动等，会发生受迫振动等情况，该振动会对架桥机的动稳定性造成影响[4]，因此，需对其施工时的动稳定性进行分析。其中，动稳定性指的就是架桥机在施工时受周期性外力作用的条件下，能够保持自身稳定、不发生受迫振动或有效抑制振动幅度的能力，该能力会影响施工的安全性和效率。

1.2 基于有限元的动稳定性分析

1.2.1 架桥机有限元模型构建

该文为可靠实现大型架桥机在施工中的动态稳定性分析，以Midas Civil软件为主，构建架桥机的有限元模型进行动稳定性分析。Midas Civil软件主要用于桥梁、地下等结构的分析与设计，支持刚构桥、板型桥、箱型暗渠、悬索桥、斜拉桥等多种桥梁类型的建模助手，并且具备动力分析、动力弹塑性分析等多种分析功能，除此之外，还能够进行桥梁结构的优化索力、屈曲分析、移动荷载分析等专项分析；并在个后续的处理过程中，可以根据设计规范自动生成荷载组合，也可以添加和修改荷载组合；同时，可以输出各种应力结果，可找出指定单元发生最大内力（位移等）时，移动荷载作用的位置[5]。

该文采用Midas Civil软件进行架桥机模型构建时，主梁的构建选择Q345钢材，模型的单元总数量为1 022，节点数量为425个。在模拟T梁结构时，分别采用通用的截面梁单元模拟T梁的主体部分、桁架单元模拟其腹杆和底架结构。为优化后续分析的效率和复杂度，采取以下方法进行处理：首先，对于架桥机在不同工作条件下的支腿支撑力，通过调整支撑的数量、形式和位置简化描述[6]；其次，桥梁中各连接构件的连接方式被模拟为节点刚性连接，以简化结构间的相互作用；最后，对天车吊设产生的移动荷载进行适当的转换，将其转化为节点荷载，并直接施加在主梁弦上，以进一步降低模型的复杂性和提高分析效率。构建的架桥机有限元模型如图1所示：

1.2.2 荷载施加

模型构建完成后，为分析架桥机施工时的动稳定性，进行不同施工工况的模拟。在进行分析时需考虑吊梁小车（重量65 t）的重量和工作荷载（450 t），模拟吊梁小车施工时在不同施工工况下的荷载施加结果。由于每个小车均有4个受截面，受载面积为5.5 m2，不同工况下的荷载施加情况如表2所示：

2 动稳定性分析结果

2.1 吊梁小车的许用应力分析

依据表2中的荷载施加情况，对架桥机施工过程进行荷载施加模拟，以分析架桥机的动稳定性[7]。在该分析过程中，需考虑的动荷载包含起升质量、小车质量、混凝土箱梁及风荷载。在施工过程中，如果风压为150 Pa，

混凝土箱梁风荷载可等效于集中荷载，并施加在小车上，小车承受的风荷载则以压力的方式施加在有限元模型中，以计算吊梁小车的许用应力（许用应力是机械设计和工程结构设计中的基本数据。它作为一个衡量标准，用于判断零件或构件在受载后的工作应力是否过高或过低，当零件或构件中的最大工作应力ξmax不超过许用应力时，该零件或构件在运转中被认为是安全的；反之，则可能面临不安全的状况）。按照该应力的计算方法进行吊梁小车的动强度计算，ξmax的计算公式为：

式中，ξs——材料的屈服强度；η——安全系数，文中取值为1.5。

依据式（1）分析架桥机在不同施工工况下的许用应力结果，模型中的架桥机的材料为Q345，其值为230 MPa，如图2所示：

对图2试验结果进行分析后可知，在4种施工工况下，架桥机吊梁小车施工时的最大工作应力ξmax结果均低于许用应力，其中ξmax的最大值为215.5 MPa，表明吊梁小车的动强度满足施工需求，能够在较为稳定的情况下完成桥梁施工。

2.2 架桥机的顶高支腿动稳定性分析

以工况4为例，获取该工况下架桥机顶高支腿的稳定性。该稳定性通过应力云图进行描述，分析结果如图3所示：

对图3试验结果进行分析后可知，在工况4下，顶高支腿应力云图中呈现的应力值较为均匀，不存在集中的应力情况且应力值较低，不会影响架桥机施工的稳定性。

2.3 架桥机整体动稳定性分析

为分析架桥机整体的动稳定性，以工况3为例，在最大悬臂状态下，对构建的架桥机模型施加2倍的屈曲荷载，获取该情况下架桥机整体的失稳模态结果，如图4所示：

对图4试验结果进行分析后可知，在架桥机执行取梁作业时，当其处于最大悬臂状态并受到两倍于正常值的屈曲荷载时，观察到的失稳现象主要集中在主梁跨中的桁架杆区域。经过细致分析，该区域的屈曲稳定安全系数被测定为16.8。根据《建筑起重机械安全规程》中规定的标准，确认这一安全系数值远高于要求的最低值4，这充分表明在面临这种极端工况时，架桥机依然保持较高的结构稳定性和安全性。这一结果不仅证明架桥机设计的合理性，也为其在实际工程应用中的可靠性和安全性提供了有力保障。因此，架桥机在施工时，整体结构的稳定性满足应用标准，选择的大型架桥机满足该桥梁的施工需求。

3 结论

在大跨度桥梁施工时，主要选择大型架桥机完成，架桥机施工时受各种外力、内力作用时能否保持平衡，并防止架桥机失稳造成的意外事故，需掌握架桥机的动稳定性。该文为分析大型架桥机在施工时的动态稳定性，以实际桥梁工程施工时使用的大型架桥机为例进行相关分析，评估架桥机在工作状态下的动态特性。通过该分析得出，大型架桥机在施工过程中，能够在不同工况下保证动稳定性，安全地完成桥梁施工。

参考文献

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