谷纪魁
北京万桥兴业机械有限公司北京101118
摘要 经济的发展带动桥梁技术的不断创新，架桥设备的完善和革新成为重点。本文通过实际案例对桁架式架桥机主梁的整体结构特性和结构材料的选择进行分析，并对于桁架式主梁的结构稳定性进行计算对比，最后根据桁架式主梁的特点确定应用及前景。
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关键词 桁架式主梁；风载荷；上弦梁；下弦梁
随着社会经济飞速发展，动车、高铁的新兴，桥梁的宽度、承载力也在不断的扩大，随之而来的是桥梁架设设备在体积上的不断增大和起吊重量的不断提高，预制梁小则十几吨大则几百吨甚至上千吨[1]。对于架设设备本身，机构的可靠性和自身的重量是提高架桥起吊重量的先决条件，而占架桥机主要重量的主梁是重中之“重”。本文以港珠澳大桥120 吨桁架式架桥机主梁为例进行说明。
对于架桥机主梁形式不外乎三种，型钢梁式、箱形梁式、桁架式。对于型钢梁式主梁一般用在起重量小的小型架设施工中。箱形结构主梁是广泛应用的一种结构形式，其具有制造工艺简单、组装方便、通用性强、便于自动焊接、抗扭刚度好等优点。但缺点是自重很大，跨距很大时，主梁易下挠，架桥机整体水平刚度较差，而且箱形内部进行焊接时，施焊的条件很差，上翼缘板与腹板之间的连接焊缝寿命低，上翼缘板与横向劲肋之间的焊缝容易开裂。而对于桁架式主梁的架桥机来说，桁架式的自重较箱形结构轻，结构形式紧凑、焊接条件良好、维修和维护方便。通过对比分析，桁架式架桥机在设计和生产上都具有一定的优越性[2]。
本文举例的架桥机用于香港TMCK（西北新区与香港珠海—澳门之间的直接线路）连接线南连接桥架设中。两个架设跨度———80m和50m，桥梁的架设方式为两端对称式节段拼。在主梁的后端加了一延长段———尾梁，尾梁桁架较窄且高度也较低，与桥面的距离较大，可通过较高的节段梁，达到两个吊梁小车的起吊点。特别是架设曲线时，主梁相对于卡车供货方向的角度位置时，尾梁是必须的。为适应两端架设要求，主梁两端均安装尾梁。图1 所示为此桁架式主梁的外形。
主梁总长200.76m，下弦长度166.7m，由两个相同的三角形桁架组成，总高度为7.23m，桁架下弦中心距离为2.2m。此项目大部分时间是在海上作业，受风载荷PW 严重。风载值按不同的类型起重机及其工作地区选取。计算风载分为工作状态风载和非工作状态风载。
淤对于箱型梁侧面的受风面积A 等于主梁腹板的高度H 和长度L 的积；而桁架式主梁在占同样体积下受风面积A 却非常小。于对于箱形主梁和桁架式主梁风力系数C 值的选取也不同。本设计主梁采取箱形C=1.55 结构，采用桁架结构C=0.80（参考起重机设计手册风力系数取值）。
根据上式和本项目主梁尺寸计算桁架主梁工作状态最大风载和非工作状态的风载分别为：
通过渍值可以明显看出，桁架主梁受风面积仅占箱形主梁面积的五分之一。大大提高了架桥机的整体稳定性和安全性。图2 为桁架式主梁的一般截面，由三部分组成：上弦梁、腹杆连接杆和下弦梁。通过软件对惯性矩进行求解，得到主梁截面的基本属性如图2 右侧。在正常工况下，主梁在竖直方向上挠度变形大，所以要保证竖直方向抗弯截面系数W（W=I/e）要大，以抵抗主梁挠度变形。
上弦梁由上下盖板和左右腹板焊接成“A”形，形成小的箱形结构，且上弦左右的两腹板与下盖板下端焊接的耳板对齐，这种结构形式能够较好的将力进行传递（如图3）。腹杆采用耳板和圆管焊接而成，腹杆不论是在主梁的纵向和横向都存在一定的角度，这样连接上下弦的连接杆就要求在任何方向上都有非常好的截面属性以保证主梁上下弦的连接和各方向的力的传递。本项目采用空心圆管作为主梁上下弦连接，空心圆管在各个方向都有很好的截面惯性矩且各个方向都相等，适合不确定方向的受力。腹杆在与上下弦梁连接时采用销轴连接，当腹杆受到与耳板平行方向的力或弯矩时，能够减少腹杆自身的弯曲变形，增强主梁的安全性，采用销轴连接也提高了腹杆的安装位置，增加主梁结构连接的稳定性。
下弦梁由两端焊接成“工”字形，中间用工字钢间隔连接，根据受力分析，主梁的下弦梁受弯矩最大且仅在竖直向下的方向，这就要求下弦梁在竖直方向有好的抗弯能力，对于截面的选择要从多方面因素进行考虑，普遍的截面有圆形、方形、“工”字形、“C”形等。考虑下弦梁实际受力情况，分析各个型材截面的截面惯性矩、重量、尺寸等，“工”字形截面既能保证要求的竖直方向的抗弯强度，又能够保证上端面与腹杆、下端面与支腿轨道的连接，还有较好的经济性。如表1 所示型材基本属性。
尾梁亦采用与基本主梁相同的结构形式。上弦梁焊接成”A”形，中间直接使用圆管开槽焊接到上弦梁下端耳板上，由于尾梁的下弦梁宽度较其余梁下弦宽度窄，即尾梁受力方向与竖直方向成一定的角度，所以下弦采用圆管连接，中间使用工字钢间隔连接。如图4 所示尾梁截面及截面属性。
对于双主梁之间的连接，本主梁在端头位置将两个桁架主梁连接。连接采用圆管如图5。对接采用法兰、螺栓，便于拆卸、运输，圆管形成的每个截面都是稳定的三角形，保证两根主梁之间的连接稳定性。
根据分析此桁架式主梁结构特点，其形式可以提高架桥机整体的架设要求。满足大跨度、大起重量和大坡度的实际应用，提高架桥机整体的工作能力。
桁架式架桥机主梁由于其结构紧凑性好、重量轻、受风面积小等优点，应用越来越广，虽然结构和工艺等要求比较严格，但随着经济及技术的不断完善和创新，这些问题会迎刃而解[4]。笔者认为桁架式架桥机在今后的架桥设备的发展中必将成为每个设计者和使用者的首选，桁架式架桥机也会在将来展示出更多的优点。
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参考文献:
[1]刘亚滨.BRUNO MOGNON 大型混凝土预制梁桥机械化施工新技术[J].中国公路建设指南，2002:178-185.
[2]张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[3]成大先.机械设计手册[M].北京；化学工业出版社，2007.
[4]李安宁.目前大型混凝土预制梁架桥机设计制造若干问题初探[J].中国公路建设指南，2005(4).
作者简介 谷纪魁（1986-），男，辽宁葫芦岛人，汉，机械设计技术员，助理工程师，机械设计制造及自动化。