富龍西江特大橋小箱梁U形流水線移動臺座優化

欒志雄，商小平

（中交路橋華南工程有限公司，廣東中山528400）

1 引言

就預制箱梁而言， 傳統的施工工藝流程存在固定臺座利用率低、臺座數量多、臺座占地面積大等諸多弊端。 為了解決這些問題，目前已有大量學者對其展開研究。 陳禮彪和陳榮剛提出了一種自行式臺座工廠化流水線施工[1]，這種施工工藝減少了臺座的使用數量，提高了預制箱梁的生產效率，并有效降低了施工成本，增強了經濟效益。 宋春雨則先對鋼臺座和混凝土臺座造價和使用性能進行了分析對比[2]，隨后確定利用鋼材制作移動臺座， 發現這種材質的移動臺座在保證施工進度的同時，可以重復周轉利用，降低了施工成本，并有效加快了模板和臺座的周轉周期。 王海峰則對傳統生產線和基于移動臺座的智能化流水線進行了分析對比[3]，從成本、質量、工期、作業環境等方面均表現出基于移動臺座的智能化流水線具有高效性和實用性。

2 工程概況

富龍西江特大橋工程既是廣東省 “十三五” 重點建設項目，也是佛山市推動粵港澳大灣區建設交通先行的重點項目。項目路線全長5.81 km，設主橋1 座、樞紐互通立交2 處。 互通立交上部結構采用30 m 預制小箱梁的結構形式，其智慧梁場位于項目標尾，占地面積34 140 m2，采用新型流水線形式，分為鋼筋加工區、箱梁成型區、橫移區、霧化養生區、張拉區、存放區6 個區域，承擔項目1 260 片30 m 預制小箱梁施工。

結合場地特點，項目首創一種U 形流水線施工方式布置，以移動臺座+ 固定液壓模板為核心， 使梁體預制生產中以固有節拍移動，對各工序施工區域進行工位匹配，使操作工人在固定區域、固定的時間進行專業化作業，提升施工標準化水平和生產效率。 同時集合運用信息化、自動化、智能化等技術，對主要設備進行研發及技術升級迭代， 推進預制小箱梁施工工業化升級。

根據預制小箱梁施工工藝， 梳理出預制小箱梁流水線包括底腹頂板鋼筋綁扎、波紋管安裝、模板安裝、混凝土澆筑、恒溫恒濕養護等共17 道施工工序。

在整個預制小箱梁生產過程中，通過移動臺座的縱、橫向移動及回流，有效串聯各功能區，實現了預制小箱梁制造過程中功能區域間的軌道精確對位連接、相互銜接，并形成循環生產，形成U 形流水線作業。合理設計的移動臺座確保了預制小箱梁在各種外部環境下都能保持足夠的穩定性， 提高了結構的安全性。

3 移動臺座設計

3.1 縱向移動臺座設計

縱向移動臺座是指可以在縱向方向上進行調整或移動的支撐結構，通常用于調整結構的高度或位置。這種臺座的調整方向通常是垂直于地面或結構的縱軸方向。 縱向移動臺座共10 跨，邊跨懸挑1.3 m，中跨均為3.8 m，總長33 m，主梁采用12 mm 厚鋼板焊接形成矩形鋼箱。 臺座梁高424 mm，寬795 mm，縱向間隔設置加勁肋。 設計9 組輪箱組成行走系統，主從動輪箱間隔布置。

3.2 橫向移動臺座設計

橫向移動臺座是指可以在橫向方向上進行調整或移動的支撐結構， 通常用于調整結構在平面內的位置或水平位置的調整。 橫向移動臺座共7 跨，邊跨懸挑1.4 m，中跨均為6.2 m，主梁采用兩道H588 mm×300 mm 型鋼，上下粘貼2 cm 厚鋼板形成。 沿主梁縱向每隔1 m 設置一道H500 mm×200 mm 鋼橫向聯系梁，縱向設置6 道支腿。

4 驗算結果及分析

采用Midas Civil Designer 建立計算模型， 針對預制小箱梁U 形流水線施工過程中臺座、小箱梁所受恒載、可變荷載、偶然荷載等荷載組合及分析，計算結果如下。

4.1 縱向移動臺座驗算

4.1.1 結構驗算

縱向移動臺座考慮結構自重、小箱梁荷載、地基沉降等荷載工況，分別進行荷載組合驗算，詳見表1。

表1 各部件計算一覽表

4.1.2 支座脫空的極端不利情況驗算

考慮施工過程中9 組輪箱不平衡，對任一輪箱脫空的不利工況進行組合驗算，共計5 組驗算，驗算結果顯示1#輪箱脫空即最外側輪箱脫空時為最不利工況，其驗算結果如表2 所示。

表2 最不利工況驗算結果一覽表

4.1.3 驅動力設計

移動臺車設計為框架式鋼結構，主梁為箱形截面。采用轉速為690r/min 的三向異步電動機作為驅動電機， 其功率為2.2kW，行走輪直徑24.5cm，行走速度4m/min。

驅動力需求主要考慮移動臺座承受的預制梁自重（900 kN）、臺車自重及其附件荷載（300 kN），鋼質車輪與鋼軌之間滾動摩擦系數考慮0.005，鋼與鋼之間靜摩擦系數0.15。移動臺座克服摩擦力的驅動力需求F＞193.5 kN； 單個電機及輪組提供扭矩4 kN，轉換輸出力33 kN；經計算，最少須6 臺該型號電機驅動該臺座。設計采用4 組8 臺該類電機驅動臺車。

4.2 橫向移動臺座驗算

4.2.1 結構驗算

橫向移動臺座考慮結構自重、小箱梁移動荷載、地基沉降等荷載工況，分別進行荷載組合驗算，詳見表3。

表3 各部件計算一覽表

4.2.2 支座脫空的極端不利情況驗算

考慮施工過程中6 組輪箱不平衡， 對任一輪箱脫空的不利工況進行組合驗算，共計3 組驗算，驗算結果顯示1#輪箱脫空即最外側輪箱脫空時為最不利工況，其驗算結果見表4。

表4 最不利工況驗算結果一覽表

4.2.3 驅動力設計

采用轉速1 380 r/min 的三向異步電動機作為驅動電機，其功率3 kW；行走輪直徑24.5 cm；行走速度4 m/min；移動臺座克服摩擦力的驅動力需求F滑＞238.5 kN；單個電機及輪組提供扭矩5.5 kN， 轉換輸出力F輸出=45 kN；F滑/F輸出=5.303； 經計算，最少需6 臺該型號電機驅動該臺座。 設計采用6 組該類電機驅動臺車。

4.3 小箱梁驗算

運載的小箱梁由于未張拉預應力鋼筋，故按鋼筋混凝土結構對箱梁自重、臺座變形等工況進行驗算。 臺座變形驗算的目的主要是評估小箱梁在承受荷載時的變形情況。 通過變形計算，可以確保結構在受到外部荷載時，其變形保持在可接受的范圍內， 不會導致結構的功能失效或對周圍環境產生不良影響。 故利用Midas Civil Designer 進行數值模擬，經過驗算得出最大下撓為0.24 mm，符合結構安全設計的要求。 臺座應力驗算的目的是用于評估小箱梁在承受荷載時內部的應力狀態，包括正應力、剪應力等。 應力計算可以確保結構在受到外部荷載時，其內部應力保持在可接受的范圍內，避免超出材料的承載能力， 從而保證結構的安全性和穩定性。 故利用Midas Civil Designer 進行數值模擬， 經過驗算得出最大拉應力0.69 MPa，最大壓應力1.36 MPa，也符合結構安全設計的要求。

在縱向移動臺座過程中易發生輪箱不平衡，可能會導致設備產生振動和噪聲、設備失衡、給相關的支撐結構和基礎帶來額外的載荷等多種問題，為了有效避免這些問題的發生，考慮縱向移動臺座施工過程中9 組輪箱不平衡， 對任一輪箱脫空的不利工況進行組合驗算，共計5 組驗算，驗算結果顯示1#輪箱脫空即最外側輪箱脫空時為最不利工況， 其驗算結果可繪制持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖（γ0S≤R，其中，γ0為結構的重要性系數；S 為承載能力極限狀況下作用組合的效應設計值；R 為結構構件的承載力設計值），最不利位置的彎矩為-179.693 16 kN·m。此外，經過包絡情況發現，在結構的設計壽命內及不同時間點下， 結構截面的抗彎承載能力與應力需求均符合結構抗彎能力的需求， 小箱梁在設計壽命內能夠保持足夠的安全性和穩定性。

5 結語

本研究以富龍西江特大橋為工程案例， 結合有限元軟件Midas Civil Designer 對小箱梁U 形流水線移動臺座優化性能展開計算分析，得出以下結論：

1）富龍西江特大橋小箱梁智能流水線實現了小箱梁精準預制，小箱梁預制的軸線偏位、外輪廓尺寸、高程等理論上可達到“零誤差”。 根據業主、監理和施工單位的聯測數據，預制小箱梁預制完成后其軸線偏位、 外輪廓尺寸、 高程誤差均在5 mm 以內，充分滿足項目高品質要求。

2）富龍項目智慧梁場在預制小箱梁施工中，自主探索、勇于創新，在廣東范圍率先開展了流水線預制梁施工模式，對預制小箱梁采用流水線施工做出了探索， 針對流水線核心設備——移動臺座進行各種計算分析， 并根據施工需求進一步優化移動臺座，實現施工便捷、高效、安全的目標。

3）橫向移動臺座支腿采用的是“弓形”結構，優化了支腿結構受力，降低了橫向剛度影響；行走系統采用銷軸鉸接獨立輪箱，提高臺車對橫向軌道不平整度的自調整適應性；橫向移動臺座設置三向移梁穩定裝置，由軌道對接板、防翹頭裝置、夾軌器組成，橫移軌道與縱移軌道對接時，能提升定位精確、實現平穩制動。