抗傾覆穩(wěn)定性

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計規(guī)范，結(jié)合某型高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用力矩法建立高空作業(yè)平臺抗傾覆穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，并在3 種工況下對某一支腿布置方案穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，得出單、雙人負(fù)載時高空作業(yè)平臺穩(wěn)定性系數(shù)范圍，結(jié)果表明高空作業(yè)平臺在其作業(yè)范圍內(nèi)可達(dá)到整體穩(wěn)定。

抗傾覆穩(wěn)定性高空作業(yè)平臺組成及工況分析

1 組成：

某型高空作業(yè)平臺總重約為 3 800 kg，上回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可繞底座旋轉(zhuǎn)360°，整體三維模型，包括支腿、回轉(zhuǎn)支承及車體、伸縮臂、飛臂和吊籃等部分。最大工作高度為 23 m，單人負(fù)載水平工作半徑為 12 m，雙人負(fù)載水平工作半徑為 9 m。

2 工況分析：

工況1： 伸縮臂全伸，伸縮臂與飛臂中心線重合，伸縮臂與水平夾角α 在單人負(fù)載、雙人負(fù)載時為 60° ～ 86°。

工況2： 伸縮臂與水平夾角保持不變，即雙人負(fù)載α 為 66°，單人負(fù)載α 為 60°，飛臂與水平夾角β 在0 ～ α 之間變化。

工況3： 伸縮臂與水平夾角α 變化范圍為雙人負(fù)載為 0 ～ 66°，單人負(fù)載為 0 ～ 60°，飛臂保持水平。

對3 種工況進(jìn)行力學(xué)分析，從而確定高空作業(yè)平臺的抗傾覆性能。

抗傾覆穩(wěn)定性建立抗傾覆穩(wěn)定性模型及求解

1 模型的建立：

借鑒已有起重機(jī)整體抗傾覆穩(wěn)定性的計算方法，采用力矩法分別求出穩(wěn)定力矩和傾覆力矩。吊籃、負(fù)載及飛臂重量為傾覆載荷，伸縮臂自重分為 2 部分，一部分自重認(rèn)為作用在伸縮臂根部 G_b ，可等效為穩(wěn)定力矩；另一部分自重 G_h 作用在伸縮臂端部，等效為傾覆力矩。

2 抗傾覆穩(wěn)定性模型求解

利用 Matlab 軟件對工作范圍曲線上穩(wěn)定性系數(shù)K 進(jìn)行分析計算，分別得出3 種工況下，支腿位于縱向距離l = 2 700 mm，橫向距離B = 5 485mm 布置方案且臂架回轉(zhuǎn)面在縱向距離l 位置情況下的穩(wěn)定性系數(shù)K 與伸縮臂、飛臂與水平線夾角α、β 的關(guān)系曲線。

1)工況1 時，在雙人負(fù)載和單人負(fù)載情況下，當(dāng)α 在60° ～ 86°范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)定性系數(shù)K 隨著 α 的增加而增加。

2)工況2 時，在雙人負(fù)載和單人負(fù)載情況下，當(dāng)β 分別在0 ～ 66°和 0 ～ 60°范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)定性系數(shù)K 隨β 的增加而增加。

3)工況3 時，在雙人負(fù)載和單人負(fù)載情況下，當(dāng)α 分別在0 ～ 66°和 0 ～ 60°范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)定性系數(shù)K 隨α 的增加而減小。

分析計算得出與工況對應(yīng)的 K 值?？芍诵吞柛呖兆鳂I(yè)平臺在極限工作狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K 大于1，由此可根據(jù)規(guī)范判定其達(dá)到整體抗傾覆穩(wěn)定性。

鋼箱梁橋具有抗扭剛度大、受力性能好、結(jié)構(gòu)自重輕、加工方便、施工期短等優(yōu)點(diǎn)，在城市高架橋中得到了廣泛的運(yùn)用，尤其在跨線等特殊場合下應(yīng)用非常方便。

在城市高架橋橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為減少占用橋下空間、增加視野和橋形美觀，橋墩往往采用獨(dú)柱支承方式。這種形式的鋼箱梁橋受力狀態(tài)較為復(fù)雜，對橫向抗傾覆穩(wěn)定非常不利。

抗傾覆穩(wěn)定性工程實例

1有限元模型的建立：

采用 Midas 建立連續(xù)鋼箱梁的有限元模型。箱梁頂寬 12.5 m，箱梁底寬 8.5 m，中心梁高 1.6 m。上部結(jié)構(gòu)共離散為 49個節(jié)點(diǎn)，48 個單元，單元最大長度為 2 m。

連續(xù)鋼箱梁橋荷載取值如下：主梁自重由程序自動計算，考慮到模型中未包含橫隔板等構(gòu)件重量，自重系數(shù)取 1.15；二期恒載包括防撞護(hù)欄與橋面鋪裝，以均布荷載計入；汽車荷載為公路 I 級，3 車道，利用 Midas 的車道偏載功能考慮 1~3 車道的偏載情況，取最不利的情況；溫度作用包括整體升、降溫與梯度溫度，參照規(guī)范選?。恢ё两悼紤]各墩不均勻沉降 1 cm。

2計算結(jié)果：

為了防止橋梁的橫向傾覆，設(shè)計中采用保證每一個支座都不出現(xiàn)負(fù)反力，即均不脫空的方式來進(jìn)行控制。

用 Midas 進(jìn)行建模計算，對結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大負(fù)反力的原因為汽車的偏載。

選取結(jié)構(gòu)的兩種典型工況進(jìn)行分析：

工況一：自重 二期恒載 汽車偏載最不利 支座沉降最不利；

工況二：自重 二期恒載 汽車偏載最不利 支座沉降最不利 整體升溫 梯度降溫。

兩種工況下，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)各種荷載組合下，端支座會出現(xiàn)負(fù)反力，即原設(shè)計存在橫向傾覆問題。

抗傾覆穩(wěn)定性結(jié)果分析

當(dāng)中墩支座不變，蓋梁上的支座間距由 6m 變?yōu)?6.8 m、7.2 m 時，結(jié)構(gòu)在工況三下的支座反力：端支座的間距越大，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)下的負(fù)反力值越小，結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性越好。

當(dāng)端支座不變，中墩由單支座變?yōu)殡p支座時（支座間距也為 6 m），結(jié)構(gòu)在工況三下的支座反力：中墩設(shè)置雙支座以后，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)下不出現(xiàn)負(fù)反力，有利于結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定。

當(dāng)所有支座不變，在鋼箱梁兩端 5 m 的范圍內(nèi)灌注一半梁高的混凝土?xí)r，結(jié)構(gòu)在工況三下的支座反力：在設(shè)置一定的混凝土壓重的情況下，鋼箱梁橋在成橋狀態(tài)下不出現(xiàn)負(fù)反力，結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性比原設(shè)計情況好。

以上三種方法如根據(jù)具體情況結(jié)合使用，也可以達(dá)到使結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)負(fù)反力，且優(yōu)化設(shè)計目的。

保證起重機(jī)具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性，是起重機(jī)設(shè)計中最基本的要求之一。國內(nèi)外對起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的校核主要有三種方法：力矩法、穩(wěn)定系數(shù)法和按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量。

抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆計算的力矩法

這是我國《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》所采用的方法，歐洲各國和日本等也廣泛使用。

力矩法校核抗傾覆穩(wěn)定性的基本原則是：作用于起重機(jī)上包括自重在內(nèi)的各項載荷對危險傾覆邊的力矩代數(shù)和必須大于或至少等于0，即∑M≥0

抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆計算的穩(wěn)定系數(shù)法

這是以往我國沿用前蘇聯(lián)的一種方法，獨(dú)聯(lián)體國家仍然在使用。

穩(wěn)定系數(shù)定義為起重機(jī)所受的各種外力對傾覆邊產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩與傾覆力矩的比值，穩(wěn)定系數(shù)作為起重機(jī)抗傾覆能力的判據(jù)，不能小于規(guī)定值。穩(wěn)定系數(shù)有三種規(guī)定值：工作狀態(tài)考慮附加載荷的載重穩(wěn)定系數(shù)為1.15；工作狀態(tài)不考慮附加的載重穩(wěn)定系數(shù)為1.4；自重穩(wěn)定系數(shù)為1.15。

抗傾覆穩(wěn)定性按臨界傾覆載荷標(biāo)定額定起重量

這是西方國家許多起重機(jī)制造公司常用的方法。

這種方法是通過實驗或計算，得出起重機(jī)在不同幅度下達(dá)到傾覆臨界狀態(tài)時的起升載荷，稱為“臨界傾覆載荷”，將其打折（乘以小于或等于1的系數(shù)）后，作為額定起升載荷。折扣的大小代表起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的安全裕度。折扣越大或所乘系數(shù)越小，則抗傾覆穩(wěn)定性裕度越大。

抗傾覆穩(wěn)定性起重機(jī)的分組

在校核抗傾覆穩(wěn)定性時，根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特征、工作條件和對抗傾覆穩(wěn)定性的要求，將起重機(jī)分為四組。

抗傾覆穩(wěn)定性驗算工況

起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性按下表工況進(jìn)行校核。

抗傾覆穩(wěn)定性危險傾覆邊的確定

傾覆邊指起重機(jī)發(fā)生傾覆時繞其翻轉(zhuǎn)的軸線。

現(xiàn)澆箱梁獨(dú)柱墩彎橋具有整體性能好、抗扭剛度大以及視覺通透、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)又決定了其抗傾覆穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)的安全性能存在極大影響。通過對某獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁彎橋結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，分析其原因，為消除相應(yīng)橋型的安全隱患提供了依據(jù)。

抗傾覆穩(wěn)定性抗傾覆驗算分析

箱梁橋傾覆是在汽車荷載的作用下，單向受壓支座依次脫空，邊界條件失效而失去平衡的過程。結(jié)構(gòu)傾覆時，事前并無明顯表征，其危害性極大。

在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合 （汽車荷載考慮沖擊作用） 下，單向受壓支座不應(yīng)處于脫空狀態(tài)。

（1） 對于正交橋梁、斜交角 30°以內(nèi)的斜交橋梁，傾覆軸線為位于箱梁橋中心線同側(cè)的橋臺支座連線。

（2） 對于彎橋，當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線內(nèi)側(cè)時，傾覆軸線為橋臺外側(cè)支座連線；當(dāng)跨中橋墩全部支座位于橋臺外側(cè)支座連線外側(cè)時，傾覆軸線取為一橋臺外側(cè)支座和跨中橋墩支座連線。

分析箱梁橋的傾覆過程，橋臺側(cè)支座容易脫空，這是傾覆過程的開始，此時結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，因此，在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合 （汽車荷載考慮沖擊作用） 下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空。

橋梁傾覆的前提條件是支座要脫空，通過檢查支座在汽車荷載下是否脫空，來判斷橋梁是否會傾覆。如果支座均未脫空，并且有很大富余量，則認(rèn)為此橋不會傾覆。

抗傾覆穩(wěn)定性結(jié)論

根據(jù)恒載和汽車荷載的計算結(jié)果，該橋支座在工況一和工況二均未產(chǎn)生負(fù)反力，不會發(fā)生支座脫空的現(xiàn)象。但在工況三的作用下，兩個橋臺部分支座在汽車荷載作用下出現(xiàn)負(fù)反力，應(yīng)盡量避免該工況發(fā)生；支座承載力基本滿足設(shè)計要求；出現(xiàn)負(fù)反力后，經(jīng)過傾覆系數(shù)計算，傾覆系數(shù)均大于 2.5。通過對三個工況橋梁抗傾覆穩(wěn)定性的驗算可見，橋梁雖然能夠滿足抗傾覆穩(wěn)定性的要求，但在超載重車的作用下則會出現(xiàn)支座脫空，給正常運(yùn)營的獨(dú)柱墩橋梁的安全性帶來很大隱患。應(yīng)加強(qiáng)正在運(yùn)營的獨(dú)柱墩橋梁的檢測和動態(tài)觀察，制定有效的檢測措施，確保其安全運(yùn)營。

抗傾覆穩(wěn)定性是獨(dú)柱墩橋梁，尤其是獨(dú)柱墩彎橋的一個重要技術(shù)指標(biāo)，對其進(jìn)行抗傾覆驗算是必要的。當(dāng)前無相關(guān)規(guī)范對橋梁的抗傾覆安全性進(jìn)行評價，在獨(dú)柱墩橋梁建設(shè)的實際工作中，應(yīng)該對橋梁建設(shè)進(jìn)行全方位、多角度的考慮，提高結(jié)構(gòu)的可靠度，保證橋梁安全，為車輛的安全通行創(chuàng)造良好條件。對于已修建好的橋梁，應(yīng)加強(qiáng)對交通的組織和管理，考慮車輛通行對橋梁可能帶來的不利影響，避免過度超載的車輛在橋上行駛，保證車輛的安全通行，保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全。 2100433B