徐燁

(中鐵大橋局股份有限公司設計分公司，湖北武漢 430050)

0 引言

武西高速公路桃花峪黃河大橋位于鄭州市西北，鄭州與焦作跨黃河交界處，北接線連接河南省干線公路鄭新高速公路，南接線連接國道主干線連霍高速公路，是繼京廣鐵路黃河大橋、鄭州黃河公路大橋、劉江黃河大橋(京珠高速黃河大橋)、新鄭黃河大橋(公鐵兩用黃河大橋)之后又一跨越黃河天塹、溝通黃河兩岸的重要通道。架橋機是將預制好的梁段吊裝到橋墩上的大型施工設備，而主導梁是架橋機的重要構件，本文以桃花峪黃河大橋HZP130節(jié)段拼裝架橋機設計為例，闡述架橋機主導梁設計中的關鍵要素，為以后的同種類型的架橋機設計提供借鑒。

1 設計概況

1.1 結構概況

HZP130節(jié)段拼裝架橋機由中部主梁和兩端導梁組成，結構總成見圖1，主梁長60 m，導梁長30 m，架橋機全長120 m。

圖1 HZP130節(jié)段拼裝架橋機結構總成

主梁為箱形截面，采用雙箱結構形式，主梁截面如圖2所示，主梁箱形截面高5.0 m，寬2.0 m，雙箱中心距6.9 m，主梁上下層之間采用螺栓連接。

導梁采用雙主桁結構形式，導梁截面如圖3所示，單組桁由兩片桁組成，桁高5.0 m，桁寬1.9 m，桁間距為6.9 m。

圖2 主梁截面（單位：mm）

圖3 導梁截面（單位：mm）

1.2 材料許用應力

按照GB 3811-2008起重機設計規(guī)范、GB/T 1591-2008低合金高強度結構鋼和GB/T 700-2006碳素結構鋼規(guī)定。許用應力見表1，表2。

表1 許用應力表(無風工作狀態(tài))

表2 許用應力表(有風工作狀態(tài))

1.3 架橋機允許撓度

根據(jù)TSG Q7002橋式起重機型式試驗細則及GB 3811-2008起重機設計規(guī)范，對主梁和懸臂導梁的撓度有以下要求：

1)主梁跨中的垂直靜撓度不大于S/500，單臂且隧道口架梁的架橋機主梁跨中的垂直靜撓度不大于S/250(S為架橋機跨度);

2)過孔試驗時，過孔處于極限位置(前支腿落于橋墩上之前)，懸臂下?lián)喜淮笥赟/100或設計規(guī)定值;對用下導梁過孔方式的架橋機，下導梁跨中撓度不大于S/600。

1.4 工況分析

箱梁節(jié)段全部吊掛于架橋機下弦時，主梁受力最為不利，在此工況下，對主梁進行分析研究。一孔箱梁全部膠拼完成后張拉體內預應力束，架橋機走形進入下一孔梁。走形過程中，提取導梁最不利受力情況，對導梁結構進行分析。

2 主導梁設計關鍵要素

2.1 整體穩(wěn)定設計

我們在進行架橋機結構的計算與分析時，往往比較注重結構的強度與剛度分析，對板系結構的整體穩(wěn)定研究較少，但實際架橋機的破壞往往由結構失穩(wěn)引起。

現(xiàn)階段一般用通用有限元軟件提供的屈曲分析模塊采用非線性計算方法計算結構的穩(wěn)定情況。

2.2 主梁頂?shù)装逶O計

箱梁節(jié)段全部吊掛于HZP130節(jié)段拼裝架橋機主梁下弦時，主梁受力最為不利，此時主梁跨中彎矩最大，兩端彎矩較小，主梁的強度由跨中頂?shù)装鍛刂疲虼嗽O計架橋機應在滿足各項設計指標時，加大架橋機主梁中部的頂?shù)装搴穸龋瑴p小端部的頂?shù)装搴穸?。在滿足強度設計的同時，還應按照《鋼結構設計規(guī)范》對頂?shù)装宓木植糠€(wěn)定做一個驗算，檢算頂?shù)装宓募觿爬吲渲檬欠駶M足要求。

2.3 主梁腹板設計

腹板的強度與穩(wěn)定由支座處的應力與穩(wěn)定控制，一般支點處的應力最大，往外側導梁方向急劇減小，往內側跨中方向是一個逐漸減小的過程，支點底部應力最大，往上應力逐漸減小。主梁腹板強度設計應在滿足各項設計指標時，應為全梁選取一個較小的板厚，在支座往跨中方向一定范圍內的中下部貼板加強。為了滿足腹板的局部穩(wěn)定，應對支座處的橫隔板進行局部加密。

2.4 主梁上下層連接螺栓設計

HZP130節(jié)段拼裝架橋機主梁由上下兩個半箱組成，上下層通過螺栓連接。

主梁受載彎曲時，主梁上下層的連接螺栓承受水平方向的剪力。剪力在跨中最小，理論上趨近于零，往兩端逐漸增大，在支座上方達到最大。

支座上方的最大剪力可由公式計算：

其中，Q'為上下層連接單位長度所受剪力;Q為支座所受豎向剪力;Sz為分層處以上橫截面積對中性軸的靜矩;Iz為整個截面對中性軸的慣性矩。

根據(jù)單個螺栓的抗剪承載力和孔壁承壓承載力確定單個螺栓的最大承載力Nb，單位長度內的螺栓個數(shù)為n，如Q'≤nNb，則主梁上下層連接螺栓滿足要求，反之則不滿足要求。

上下層連接螺栓單位長度所受剪力也可以從模型結果中查出，如果箱梁兩腹板受力一樣，電算結果與手算結果吻合，但實際操作中往往偏載，致使箱梁一側腹板較均值大，一側腹板較均值小。建議從電算模型中查出腹板上下層連接最不利區(qū)域單位長度所受剪力，再跟此區(qū)域內螺栓最大承載力進行比較。

2.5 導梁節(jié)點焊縫設計

在架橋機導梁結構設計中，往往比較重視桿件的強度和穩(wěn)定性計算，忽略了導梁節(jié)點焊縫的細部分析，節(jié)點連接是導梁結構的一個薄弱點，結構破壞往往從連接節(jié)點處發(fā)生。

如圖4所示，在導梁走形工況中提取受力最不利節(jié)點，節(jié)點處各桿件軸力為Ni，則節(jié)點水平剪力，豎向力T=。

節(jié)點焊縫連接長度為L，焊縫高度hf，有效連接長度Le=L-12hf，節(jié)點板正應力 σ=T/(0.7Lehf)，節(jié)點板剪應力 τ= V/ (0.7Lehf)，許用正應力為［σ］，許用剪應力為［τ］，如果τ＜［τ］，并且復合應力，則節(jié)點焊縫連接滿足要求，反之則不滿足要求。

圖4 導梁節(jié)點受力示意圖

2.6 預應力張拉時的吊桿設計

箱梁所有節(jié)段拼裝完成后就開始進行體內預應力的張拉，并在適當?shù)臅r候逐步拆除吊桿。

當所有體內預應力張拉完成后，將支腿的頂升千斤頂下落，再進行吊桿的拆除，此時箱梁節(jié)段為反拱狀態(tài)，吊桿的拉力分布為從跨中到端部逐漸增大，此時需用有限元軟件對箱梁主體結構進行檢算，確保箱梁上緣不會出現(xiàn)拉應力。如果經(jīng)計算箱梁上緣會出現(xiàn)拉應力，則需確定合適的方案，邊張拉體內預應力邊拆除吊桿。

［1］ GB/T 3811-2008，起重機設計規(guī)范［S］.

［2］ GB/T 1591-2008，低合金高強度結構鋼［S］.

［3］ TSG Q7002，橋式起重機型式試驗細則［S］.

［4］ 張質文，虞和謙.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［5］ GB/T 700-2006，碳素結構鋼［S］.