移動(dòng)支架造橋機(jī)在黃河鐵路橋上的應(yīng)用

移動(dòng)支架造橋機(jī)在黃河鐵路橋上的應(yīng)用

1張拉及初始分形包西鐵路通道的黃河大橋是一條全長(zhǎng)48.2米、全長(zhǎng)50.2米、重1300噸的兩條鐵路箱梁。這是中國第一條條約鐵路梁的最古老的。針對(duì)該橋48m雙線箱梁節(jié)段拼裝法施工設(shè)計(jì)了SPZ1300/48型移動(dòng)支架造橋機(jī),該機(jī)的基本原理是工廠化預(yù)制梁段,分別吊運(yùn)至造橋機(jī)體內(nèi),調(diào)整梁段高程后,澆筑混凝土濕接縫,預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后落架,即可完成一孔梁的制造。張拉過程中,梁體在預(yù)加應(yīng)力后將產(chǎn)生上拱度,為使梁體最終上拱度不至于太大而影響行車安全性和舒適性,在張拉前梁底設(shè)置初始反拱線形,以部分抵消梁體上拱。張拉過程中梁體從不受力狀態(tài)變化為簡(jiǎn)支體系,轉(zhuǎn)換過程存在若干中間狀態(tài),體系轉(zhuǎn)換分階段完成?？紤]初始線形設(shè)置時(shí)可僅考慮初末兩狀態(tài),應(yīng)用疊加原理得出。單獨(dú)考慮簡(jiǎn)支條件下梁體張拉,可得到自重和預(yù)應(yīng)力共同作用下的梁體上拱值,根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)梁體最終上拱要求,將兩者作差即可得到梁體于機(jī)內(nèi)張拉前的線形;將該線形撓度值和未作初始線形設(shè)置時(shí)梁段自重作用下造橋機(jī)系統(tǒng)的下?lián)现底霾?反算出的撓度值即為初始反拱線形設(shè)置值。2等截面橋梁移動(dòng)支架法不影響橋下交通,支架、模板等設(shè)備利用率高,特別適合多跨中等跨度等截面橋梁。在國內(nèi),該法自1993年首次成功應(yīng)用于鐵路橋梁以來,先后修建了許多鐵路簡(jiǎn)支梁橋,單線鐵路橋跨度有32m、48m、56m及64m,雙線鐵路橋有32m和40m,可以說是一種發(fā)展較快的施工技術(shù)。2.1墩旁支架系統(tǒng)SPZ1300/48造橋機(jī)主要利用“八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁”制式器材拼組而成,包括主桁系統(tǒng)、下托梁系統(tǒng)、墩旁支架系統(tǒng)、喂梁系統(tǒng)和運(yùn)梁系統(tǒng)等幾部分,總體布置如圖1所示。主桁系統(tǒng)包括主桁、導(dǎo)梁、上平聯(lián)和下平聯(lián)。主桁尾部無下平聯(lián),主桁的前部是導(dǎo)梁。導(dǎo)梁為單層梁拼組,主桁采用3層梁拼組。墩旁支架系統(tǒng)與承臺(tái)頂單側(cè)(前進(jìn)方向)預(yù)埋精軋螺紋鋼筋聯(lián)結(jié),在支架縱梁上設(shè)置聚四氟乙烯滑板;同時(shí)支架橫梁上設(shè)置兩個(gè)調(diào)位裝置,以安放梁端節(jié)段。移行系統(tǒng)由移行支架和牽引卷揚(yáng)機(jī)組成,移行支架是由大橫梁放置在運(yùn)梁平車上構(gòu)成,用作造橋機(jī)向前移行的后支點(diǎn),在前導(dǎo)梁下平聯(lián)的兩側(cè)安裝2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī),作為造橋機(jī)前移的動(dòng)力裝置。喂梁系統(tǒng)位于主桁內(nèi)部,在上橫梁和主桁架上安裝L型梁,設(shè)2條運(yùn)行軌道,在軌道上設(shè)有4臺(tái)60t的起重小車。運(yùn)梁系統(tǒng)由運(yùn)梁平車和柴油發(fā)電機(jī)組成,負(fù)責(zé)將梁段自預(yù)制梁場(chǎng)運(yùn)至造橋機(jī)尾部。下托梁分4個(gè)單元,銷接在主桁下弦節(jié)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)布置形式為縱橫梁交叉式,以保證結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。為了滿足造橋機(jī)移行要求設(shè)計(jì)為沿橫向縱軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu),中間部分有可以啟閉的裝置。在縱梁上設(shè)有支撐梁段的絲杠裝置,其高程在一定范圍內(nèi)可調(diào),因此絲杠為梁段線形控制的關(guān)鍵構(gòu)件。為了敘述方便,以施工方向?yàn)榍?依次定義從后至前的縱向14處絲杠編號(hào)為1#～14#。2.2確定造橋機(jī)及梁體,確定張拉和壓漿過程現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制梁段,將梁段吊到運(yùn)梁平車上,并運(yùn)至造橋機(jī)尾部;然后由喂梁系統(tǒng)將梁段吊至造橋機(jī)內(nèi)的預(yù)定位置;梁段就位完成后,將各梁段位置調(diào)整至設(shè)計(jì)標(biāo)高,澆筑濕接縫混凝土;待濕接縫混凝土達(dá)到張拉強(qiáng)度后,進(jìn)行分批張拉、壓漿,張拉過程中造橋機(jī)分階段落架,梁體自重逐步由自身承擔(dān)。張拉鋼束達(dá)到一定數(shù)目后全部落架,造橋機(jī)與梁體脫離;然后通過移行裝置將造橋機(jī)前移至下一孔進(jìn)行造橋作業(yè)。3兩種梁段撓度結(jié)果分析應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析,分別為造橋機(jī)-梁段系統(tǒng)和簡(jiǎn)支狀態(tài)箱梁系統(tǒng),前者分析計(jì)算可以得到梁段自重作用下造橋機(jī)各絲杠點(diǎn)的撓度值,后者可以得到簡(jiǎn)支狀態(tài)梁體自重及施加預(yù)應(yīng)力后的撓度值。3.1梁體及梁體單元造橋機(jī)主桁立面內(nèi)的再分豎桿和斜桿、類似橋門架的楣桿和斜桿、上下平聯(lián)中的某些小斜桿按三維桿單元處理,其余均按三維梁?jiǎn)卧幚?。下托縱橫梁,喂梁系統(tǒng)中的天車梁為變截面,按折合慣性矩后的等截面梁?jiǎn)卧幚?。其?下托梁處絲杠設(shè)為單項(xiàng)受壓?jiǎn)卧?以模擬實(shí)際支座情形。梁體為實(shí)體單元,力筋為桿單元。系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。3.2混凝土澆筑模型施工中張拉時(shí)濕接縫已澆筑完畢且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,忽略濕接縫段和預(yù)制段的彈性模量的差值,將箱梁視為整體進(jìn)行建模。對(duì)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)的實(shí)現(xiàn),本例中采用獨(dú)立建模的實(shí)體力筋法,采用link單元獨(dú)立建立力筋的模型,與實(shí)際線形相符,再采用solid單元獨(dú)立建立混凝土的模型,然后耦合力筋節(jié)點(diǎn)和最近混凝土節(jié)點(diǎn)。該法可以有效地模擬預(yù)應(yīng)力作用下梁體的總體行為。3.3拉伸過程的模擬3.3.1錨外控制應(yīng)力考慮到分析內(nèi)容為施工狀態(tài),預(yù)應(yīng)力計(jì)算時(shí)僅考慮張拉過程產(chǎn)生的“瞬間”損失,而不計(jì)算隨時(shí)間增長(zhǎng)繼續(xù)發(fā)生的損失。有必要說明的是實(shí)體力筋法模擬預(yù)應(yīng)力張拉可以有效地模擬混凝土的彈性壓縮損失,因此不在計(jì)算之列。給定錨外控制應(yīng)力σcon=1302MPa,力筋縱向投影長(zhǎng)度l為48800mm,Es=195GPa。(1)張拉端錨具回縮量每端取6mm,則預(yù)應(yīng)力損失σl1=alEs=48.0MPaσl1=alEs=48.0ΜΡa(2)鋼束與孔道壁之間的摩阻系數(shù)k取0.55,管道偏差系數(shù)μ取0.0015,錨圈口摩阻損失和錨下喇叭口損失之和按錨外控制應(yīng)力的6%計(jì)算,則預(yù)應(yīng)力損失σl2=σcon(1?1ekx+μθ)+6%×σcon=273.4MPaσl2=σcon(1-1ekx+μθ)+6%×σcon=273.4ΜΡa有效預(yù)應(yīng)力σe=σcon-σl1-σl2=980.6MPa。3.3.2力筋梁體同步受力張拉時(shí)力筋兩端受拉而產(chǎn)生拉應(yīng)變,在有限元模型中對(duì)力筋降溫,亦可達(dá)到拉應(yīng)變狀態(tài)。由于相關(guān)節(jié)點(diǎn)已耦合,因此降溫過程還實(shí)現(xiàn)了力筋梁體同步受力,與實(shí)際情形相符。取有效預(yù)應(yīng)力σe作為張拉應(yīng)力的代表值,降溫法其基本原理如下:ε=σeE?εT=△T×α?σT=?EεT?σT=σeε=σeE?εΤ=△Τ×α?σΤ=-EεΤ?σΤ=σe。得△T=?σeEα△Τ=-σeEα式中,α為力筋的溫度膨脹系數(shù),將求得的△T施加在力筋單元上即得到與σe等效的應(yīng)力狀態(tài)。4非線性方程偏移計(jì)算4.1重荷載作用下發(fā)生撓曲預(yù)應(yīng)力筋僅與混凝土粘結(jié)無張拉應(yīng)力時(shí),梁體在自重荷載作用下發(fā)生撓曲,此時(shí)預(yù)應(yīng)力筋雖無初始應(yīng)力,卻能約束梁體的變形,起到普通受拉筋的作用。計(jì)算得梁底與絲杠預(yù)接觸處點(diǎn)撓度如圖3所示。4.2健全張拉前梁體與絲杠接觸的上拱度分析表明,張拉過程中梁體各部分均處于彈性工作狀態(tài),因此,可忽略二階效應(yīng),認(rèn)為張拉全部力筋所引起的上拱值與張拉前梁體線形無關(guān)。單獨(dú)對(duì)梁體進(jìn)行分析,不考慮自重,得到全部張拉后梁體與絲杠接觸的各點(diǎn)的上拱度。具體值如圖4所示。4.3拉后跨中上拱限值根據(jù)規(guī)范的要求,本設(shè)計(jì)中給出了張拉后跨中上拱限值,近似認(rèn)為梁體最終撓度曲線為拋物線,對(duì)各相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行二次插值,得到各點(diǎn)上拱限值(圖5)。4.4fgz-fs橋梁系統(tǒng)濕接縫澆筑完畢,力筋張拉之前,梁體重量全部由造橋機(jī)承載,計(jì)算得此時(shí)各絲杠頂點(diǎn)撓度值fGZ,如圖6所示。4.5第一個(gè)反弧線性配置(1)梁段撓度驗(yàn)算為了滿足張拉后設(shè)計(jì)對(duì)反拱度要求,須設(shè)置絲杠初始線形,設(shè)初始線形條件下梁段自重作用下的各絲杠點(diǎn)撓度為f′0,對(duì)各撓度值進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算可求得:f′0=fd-(fσ+fG0)。其值如圖7所示。(2)f0依據(jù)疊加原理,得各點(diǎn)初始設(shè)置值計(jì)算公式:f0=f′0-fGZ。計(jì)算得其值如圖8所示。5初始線形設(shè)置初始線形設(shè)置的計(jì)算以設(shè)計(jì)最終要求上拱度為出發(fā)點(diǎn),以張拉引起的上拱量和自重?fù)隙葹橛?jì)算主體,梁段自重作用下造橋機(jī)兩個(gè)線形為中間狀態(tài),