0 引言

　　我国现行时速200km(及以下)铁路桥梁为T梁结构，桥梁的架设采用架桥机组施工，为主机架梁、辅机倒运梁片、门式起重机吊装梁片的作业方式^[1]。为了提高施工效率、减少能源消耗、保证主机连续作业，一般要求门式起重机到主机的距离≤2km，经测算>2km后每增加1km主机将待机30min，多耗燃油28kg。正常情况下，门式起重机立在无坡道的平直路基上。随着铁路建设的高速发展和土地资源的合理运用要求，今后铁路建设会更多地采用以桥代路的方法，往往会出现十几公里或几十公里的铁路桥梁，当桥梁长度加大后，要保证架桥施工效率、减少能源消耗，就必须在桥梁上组立门式起重机。由于T梁特殊的结构形式，其翼缘板不能承受较大荷载，门式起重机无法直接立在T梁上^[2]，这为铁路施工带来新课题，为此，根据T梁和门式起重机的结构形式，及吊装T梁时的荷载情况，采取在T梁上加装门式起重机专用底盘，再将门式起重机立在专用底盘上的方式有效解决了这一技术难题。

　　门式起重机专用底盘设计成元宝梁形状，其底部宽度与T梁承载部分的宽度一至，两侧为悬臂状态，门式起重机组立在专用底盘的悬臂梁上，这样可使门式起重机吊装T梁时的荷载传递到已架设桥梁T梁的主体上，从而达到安全施工目的，如图1所示。为保证架桥施工安全，按实际工况对桥梁和专用底盘进行了模拟数值分析，作出安全评估。

　　

　　图1 T梁桥上组立门式起重机 

　　 

　　1 T形桥梁承载仿真分析

　　1.1 最不利工况荷载组合计算

　　桥上立门式起重机最不利工况为门式起重机吊起梁片，辅机进入门式起重机准备装梁^[3]，如图1所示。桥梁上荷载如表1所示。

　　  

　　表1 桥梁承受荷载统计 

　　 

　　 

　　

　　表1 桥梁承受荷载统计

　　门式起重机立在32m跨桥梁上，间距24m，吊梁时专用底盘传递给桥梁的荷载计算如下。

　　单片梁每点荷载计算:

　　

　　 

　　式中:w₁为门式起重机单重;w₂为梁片一端重;w₃为底盘单重;η为安全系数，取1.25;k为受力点数，取4。

　　单片梁受力如图2所示，其中T₁为专用底盘传递给桥梁的荷载，每处300k N(面荷载);T₂为T梁自重1 600k N (均布荷载);T₃为辅机轮压，每处200k N(线荷载)。

　　

　　图2 梁片荷载布置简图  

　　 

　　1.2 材料参数

　　本桥梁采用的材料包括:强度等级为C55的混凝土，公称直径为15.2mm、抗拉强度为1 860MPa钢绞线及HPB300和HRB400钢筋，其具体的材料参数如表2所示。

　　  

　　表2 材料参数 

　　 

　　 

　　

　　表2 材料参数

　　1.3 有限元建模及施加荷载

　　1.3.1 T梁建模

　　T梁的有限元模型采用ABAQUS建立，基于右手坐标系:x方向为顺桥向，y方向为横桥向，z方向为高度方向。以2101型32m边梁为建模对象。

　　梁片混凝土部分采用solid实体六面体C3D8R单元进行模拟，单元大小为100mm×100mm×100mm;其中，桥面板纵向钢筋及预应力钢筋采用T3D2单元进行模拟，单元大小为100mm;整体有限元模型如图3a所示，钢筋的有限元模型如图3b所示。

　　

　　图3 T梁有限元模型  

　　 

　　1.3.2 边界条件确定

　　根据桥梁的工作特性及计算工况，在桥墩支座位置采用简支边界条件，一侧约束x,y,z 3个方向的位移，另一侧约束y,z方向的位移。

　　1.3.3 荷载施加

　　自重荷载:采用在模型上施加重力加速度的形式进行加载。

　　集中荷载:将集中荷载根据其加载的位置及加载位置的支撑形式，同样等效成为面压力，在桥面上以施加均布压力的形式来施加集中荷载。

　　预应力钢筋的预拉力:在预应力钢筋混凝土有限元分析中，钢筋的预应力通常用等效的外荷载来代替，将其施加到结构上。在用ABAQUS对其进行有限元分析时，首先为钢筋单元设定一个初始温度，并且给定一个温降值，使钢筋单元产生一个收缩变形，此初始应变将使钢筋产生预拉作用，这个作用为模型的预应力，钢筋的温降值公式如下:

　　

　　 

　　式中:ΔT为钢筋温降值;E为钢筋弹性模量;α为钢筋线膨胀系数;A钢筋截面积;P为预应力施加值。

　　将式(2)进一步转换为:

　　

　　 

　　根据图纸参数，得到各预应力钢筋的温降计算结果，如表3所示。

　　1.3.4 有限元计算结果

　　计算工况为门式起重机吊起梁片，辅机进入门式起重机准备装梁。混凝土的主拉、主压应力云图如图4所示，预应力钢筋的主拉、主压应力云图如图5所示，桥面板纵向钢筋的主拉、主压应力云图如图6所示，跨中截面处混凝土的主拉应力和主压应力云图如图7所示。

　　

　　图4 混凝土的主拉、主压应力云图  

　　 

　　1.3.5 结论

　　经计算，在门式起重机吊起梁片、辅机进入门式起重机的工况下，梁片结构的应力值均未超过规范强度范围，满足施工安全要求。

　　梁片结构中混凝土、预应力筋、纵向钢筋的主应力值和跨中截面处混凝土的主应力值如表4所示。

　　

　　图5 预应力钢筋的主拉、主压应力云图  

　　 

　　

　　图6 桥面板纵向钢筋的主拉、主压应力云图  

　　 

　　2 门式起重机专用底盘仿真分析

　　2.1 专用底盘建模和加载

　　根据最不利工况荷载组合计算，可知专用底盘上的荷载为280k N。

　　  

　　表3 预应力钢筋温降计算值 

　　 

　　 

　　

　　表3 预应力钢筋温降计算值

　　  

　　表4 计算工况下梁片结构应力 

　　 

　　 

　　MPa

　　

　　表4 计算工况下梁片结构应力

　　

　　图7 跨中截面上混凝土的主拉、主压应力云图  

　　 

　　模型加载如图8所示。

　　

　　图8 专用底盘模型及加载示意  

　　 

　　2.2 专用底盘分析结果与结论

　　专用底盘的有限元计算结果如图9所示。由图9可看出，专用底盘的最大应力为204.2MPa，小于其许用应力[σ]=260MPa(Q345钢)，满足施工安全要求。

　　

　　图9 专用底盘的有限元计算结果  

　　 

　　3结语

　　T梁桥上组立门式起重机技术采用元宝形专用底盘方式，将门式起重机吊梁时的荷载传递到已架T梁的主体上，保证了施工安全，该技术采用以来，先后在连盐铁路、天仙铁路、拉林铁路等项目投入运用，大大提高了施工效率，减少了能源消耗，创造了巨大的经济效益。