变宽度移动模架设计与受力分析研究

齐云慧

（福建省交通建设工程监理咨询公司，福建福州350000）

0 前言

移动模架造桥机是世界桥梁施工的先进工法，在我国被广泛使用于跨线桥及跨海大桥的等宽截面箱梁施工中[1]。但是，国内外未见有采用移动模架施工截面变宽度箱梁工程的报道[2]。泉州湾跨海大桥工程A5合同段秀涂互通主线桥工程首创变宽度移动模架施工工法，在实践当中取得了良好的效果，经济效益显著。

本文的主要目的就是以泉州湾跨海大桥工程A5合同段秀涂互通主线桥为依托工程介绍变宽度移动模架的设计要点，以及对其主要结构进行受力分析，验证其设计的合理性。

1 工程概述

泉州湾跨海大桥工程A5合同段秀涂互通主线桥处于潮汐区（见图1），且位于江河入海口，沉积大量的泥砂层，考虑施工质量、安全、成本，以及借鉴类似工程经验，决定采用移动模架施工。

图1 泉州湾跨海大桥工程A5合同段秀涂互通主线桥平面布置图

秀涂互通主线桥互通区主线桥横截面有单箱单室箱梁等宽段，以及由单箱双室变为单箱三室或者四室斜腹板的等高变宽箱梁断面形式。混凝土箱梁断面形式复杂多样，既有16.5 m和20.25 m两种等宽的标准断面，又有变宽的渐变断面，最宽断面为31.576 m（右幅B028-B027）。可以看出，秀涂互通主线桥上部箱梁施工难度最大的部分是渐变段施工。由于箱梁断面宽度由16.5 m渐变到31.576 m，墩身宽度也相应加宽了约4 m；并且施工荷载变化较大，最轻施工梁段42 m，混凝土量为476.4 m3，最重施工梁段 58 m（右幅 B028-B027），混凝土量为1 616 m3。

可以看出为了保证秀涂互通主线桥工程施工质量与安全，设计合理、便于施工，同时又能保证安全的变宽度移动模架的就成为工程的关键。

2 变宽度移动模架结构设计要点

2.1 总体结构

变宽度移动模架总体结构仍与传统等宽度移动模架大致相同，由主梁、鼻梁、牛腿、推进平车、横梁、外模板等组成。泉州湾跨海大桥秀涂互通主线桥移动模架全长1 36.4 m，前后鼻梁为箱型桁架结构，长30m。主梁为钢箱梁，长76.4m，高5m，宽2.5 m。每一部分都配有相应的液压或机械系统。主体结构见图2所示。

2.2 主梁

变宽度移动模架由于箱梁荷载吨位大，一般应采用两组受力性能良好的箱形截面[3]，作为模架的骨架承受荷载，对于较大跨径，对其刚度和强度的要求也应相应提高。另外还要考虑模架的纵向行走过孔，因此主梁宜采用空腹钢箱梁，并在纵向适当挖成椭圆洞，以减轻自重并使外形美观。模架钢结构主梁的梁内宜设置斜撑及隔板等，以提高主梁局部承载能力及抗扭刚度。同时在主梁内、系统顶升支点及横梁连接处作局部加强构造。图3为其主梁断面图。

图2 泉州湾跨海大桥变宽度移动模架造桥机总体布置图

2.3 模板横梁

模板横梁通常是通过机械支撑系统进行竖向和横向调整，横梁制造应分为标准模板横梁和加长模板横梁，使其同时适应等宽段和变宽段施工需要。图4为其横梁横断面图。

在渐变段，箱梁断面宽度由16.5 m渐变到31.576 m，墩身宽度也相应加宽了约4 m。因此，移动模架的底模板需要加宽10.43 m，牛腿的支撑距离也要相应地加宽4 m，牛腿横梁与模板横梁均需相应地接长，并加固支点。

2.4 增加模架横向刚度临时结构

该桥属大宽度变宽度箱梁，其最大桥宽为31.64 m，因此，如何解决移动模架横向刚度，使其适应大宽度变宽度移动模架施工是关键。

经反复研究和论证，泉州湾跨海大桥秀凃互通主线桥确定通过在模架主梁两侧布设三角架来解决移动模架结构横向刚度问题。具体为：加宽段施工时，模板横梁接长，将位于加宽段侧主纵梁两侧的三角支架水平旋转展开，其上布设螺旋千顶支撑横梁 (此时加宽侧主纵梁上螺旋千斤顶不受力，用三角支架上的螺旋千斤顶作为支点)，以减小模板横梁挠度，改善其受力。

三脚架大样如图5所示。

图5 主梁三脚架大样图

3 变宽度移动模架受力分析

3.1 计算原则

计算以MSS50-3600设计图纸、技术要点和原始资料为依据，根据《起重机设计规范》（GB3811-83）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）和《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-89）进行。造桥机现行强度计算采用许用应力法，对于用塑性材料制作的零件，其计算应力：考虑零件尺寸、热处理和载荷特性的材料屈服极限；n：塑性材料零件的安全系数（见表1）]。

表1 结构强度计算安全系数一览表

由于造桥机所有材料均为塑性材料Q345系列和Q235系列，根据造桥机的工作条件和使用特点，计算载荷组合类别选用组合Ⅰ（见表2），故上述两种材料的许用应力分别为：230MPa和160MPa。

3.2 变宽度移动模架主梁强度、刚度和稳定性计算

采用数值计算方法[4]来分析变宽度移动模架主梁强度、刚度和稳定性。有限元计算模型的标准载荷为：混凝土自重、内外模板自重、螺旋顶自重、人行道及辅助设备的重量。取秀凃互通主线桥荷载跨进行计算，其中该跨混凝土总方量为1 517.5 m3,浇注混凝土全长为50 m+8 m，混凝土重量3 600 t（已扣除62号、63号墩顶226m3混凝土），内外模板重400 t。主梁用板壳元来模拟，将鼻梁、模板横梁均采用空间梁单元来模拟。

表2 计算载荷的组合一览表

有限元计算结果如下：

（1）上部支架在设备自重和浇注混凝土共同作用下的总变形云图见图6所示，仅在浇注混凝土作用下的静变形云图见图6（a）所示。外侧主梁总挠度为：110.89mm，内侧主梁最大静挠度为：102.8 mm，均小于规范规定的主梁挠度L/500(L为主梁支撑跨度)，故主梁刚度满足要求。

（2）主梁在设备自重和混凝土共同作用下的Von Mises应力云图见图6（b）所示。主梁最大应力为：σmax=196 MPa且最大应力点位于主梁前支点的支点腹板上。由于主梁采用Q345B焊接而成，其材料的许用应力：[σ]=230 MPa，故主梁满足强度要求。

图6 变宽度移动模架主梁静力计算结果图

（3）主梁整体稳定性计算,将外模自重和混凝土作为集中外载荷加在螺旋顶上，通过计算得主梁一阶失稳变形，见图7所示，一阶失稳处于主梁后支点内腹板上，一阶屈曲特征值为：2.06，满足稳定性要求[5、6]。

图7 度移动模架横梁强度、刚度和稳定性计算

采用数值计算方法来分析变宽度移动模架横梁强度、刚度和稳定性。移动模架在浇注变宽度箱梁过程中，位于墩顶附近的横梁受力最大，此时横梁所承担的所有载荷共3 000 kN。计算结果如下：

（1）横梁垂向变形云图见图8(a)所示，竖向最大总变形为9.544 mm，故横梁刚度满足要求。

（2）横梁Von Mises应力云图见图8(b)所示，最大应力为：σmax=190MPa，位于横梁腹板支点部位，属挤压应力。由于腹板用Q345B焊接而成，[σ]=190MPa，故满足强度要求。

（3）通过计算得横梁失稳变形见图9所示，一阶失稳变形位置位于靠近内侧螺旋千斤顶处的腹板上，一阶特征值为：4.818，满足稳定性要求。

3.4 变宽度移动模架造桥机开模行走横向稳定性计算

移动模架采取模板、横梁分段打开的方式实现纵移过孔，用合模状态的模板、横梁平衡已打开的模板、横梁，移动模架过孔过程中至少保证8组横梁处于合拢状态。取移动模架造桥机正常跨开模纵移为计算工况，采用理论分析法来分析变宽度移动模架造桥机开模行走横向稳定性，计算简图见图10所示。

作用载荷：

（1）设备单侧主梁、鼻梁重 G1=267.7 t，力臂L1=1.22 m。

（2）设备单侧已开模横梁重G2=120 t，力臂L2=6.55 m。

（3）设备单侧已开模模板重 G3=27 t，力臂L3=15.6 m。

图8 泉州湾跨海大桥变宽度移动模架横梁应力云图

（4）单侧三角支撑架重G4=20 t，力臂L4=1.63m。

（5）未拆除横梁可提供抗倾覆力矩M=30×10×8=2 400（t·m）。

（6）主梁、模板等效风载：F1=∑CKhPS=23.1 t；力矩：L5/2=4.81 m。

其中：C—— 风载体型系数，取1.4；

Kh——风压高度变化系数，取1；

P——风压值，取0.026 8 t/m2（8级风风压值）；

S—— 迎风面积为：615.68 m2。

（7）鼻梁等效风载：F2=φECKhPS=4.09 t;力矩L6/2=1.75m。

其中：φ——充满系数，取0.3；

C——风载体型系数，取1.4；

Kh——风压高度变化系数，取1；

P——风压值，取0.0268 t/m2（8级风风压值）；

S——迎风面积为：364 m2。

各载荷对支点取力矩，则横向抗倾覆系数δ由抗倾覆力矩M1比倾覆力矩M2求得：

故该设备满足起重机规范的横向稳定性要求。

4 结语

泉州湾跨海大桥秀涂互通主线桥采用变宽度移动模架施工箱梁工法，在国内首创，该移动模架的设计与应用，解决了以往移动模架在大宽度变宽度箱梁现浇施工中无法满足现场施工条件的问题，使移动模架的适用范围得到极大扩展，且对类似工程项目施工具有重要参考价值。

本文介绍了变宽度移动模架主要结构的设计要点，并通过理论分析验证了其设计的合理性，同时在施工实践中，泉州湾跨海大桥秀涂互通主线桥采用变宽度移动模架施工箱梁，施工质量良好，安全可控，取得了很好的社会效益及经济效益，为变宽度移动模架的推广运用，起到了很好的示范作用。

[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京；人民交通出版社，1998.

[2]马涛，李军堂，毛伟琦.移动模架造桥机在曲线连续箱梁桥上的应用[J].桥梁建设，2006(增 1)：119-122.

[3]柏华军.移动模架若干问题研究与优化.[D].杭州:浙江大学，2007.

[4]王勖成.有限元单元法.[M].北京:清华大学出版社，2003.

[5]陈绍藩.钢结构稳定性设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[6]陈骥.钢结构稳定性理论与设计.[M].北京:科学出版社，2003.