大西客運專線鐵路48 m/1 600 t下承式造橋機研發(fā)

賈東榮

(中鐵上海工程局第一工程有限公司，安徽蕪湖 241000)

1 概述

晉陜黃河特大橋是大西鐵路客運專線全線重點控制工程“三隧一橋”中的“一橋”，也是鐵道部的重點工程，全橋總長9.969 km。引橋共計82孔48 m節(jié)段拼裝雙線簡支梁，每孔11個節(jié)段，其中端部節(jié)段2節(jié)，每節(jié)長3.2 m，其余節(jié)段長度3.9 m，梁高4.628 m，底板寬5.5 m，頂板寬12.0 m，節(jié)段拼裝采用濕接縫法，濕接縫寬0.8 m;單孔C50混凝土方量為535.6 m3，濕接縫混凝土95.72 m3，單孔自重16 160 kN。根據(jù)設(shè)計要求，48 m節(jié)段拼裝簡支箱梁采用造橋機拼裝施工。目前國內(nèi)外造橋機主要有上承式和下承式2種形式，其優(yōu)缺點比較見表1。

晉陜黃河特大橋48 m簡支箱梁節(jié)段拼裝作業(yè)區(qū)域地處黃河灘地，作業(yè)位置墩高均大于50 m，作業(yè)面處于高空、大風(fēng)、嚴寒等惡劣環(huán)境下，施工任務(wù)量大，作業(yè)歷時周期長，在高空條件下采用上承式造橋機作業(yè)存在極高安全風(fēng)險。結(jié)合橋高及總體施工工藝的要求，自主研制出下承式造橋機用于48 m節(jié)段梁拼裝施工作業(yè)。圖1、圖2為下承式造橋機現(xiàn)場施工場景。

表1 上承式、下承式造橋機性能比較

圖1 建設(shè)中的晉陜黃河特大橋

圖2 造橋機節(jié)段吊裝作業(yè)

2 下承式造橋機特點及總體技術(shù)條件

2.1 下承式造橋機特點

晉陜黃河特大橋自主研制的下承式造橋機為保證現(xiàn)場安全作業(yè)需求，主要具有以下特點:

(1)橋機整體重心降低，橋機拼裝、濕接縫作業(yè)及過孔安全風(fēng)險降低;

(2)利用支撐橫聯(lián)作為濕接縫施工平臺，加大濕接縫施工安全系數(shù);

(3)橋機過孔利用縱向油頂頂推全自動過孔，在確保安全的前提下，縮短過孔時間;

(4)節(jié)段拼裝完成后，橋機卸載采用油頂降低主桁架的方式，安全又高效;

(5)天車設(shè)置了360°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，即可直接從地面提梁，也可從橋機尾部喂梁。

2.2 下承式造橋機總體技術(shù)條件

(1)整機及天車工作級別:A4;

(2)架設(shè)跨度:49.6 m(預(yù)留可架32 m跨);

(3)最大工作縱坡:2.5%

(4)最大橋梁橫坡:2%;

(5)最小工作平曲線半徑:2 500 m;

(6)起重天車最大起升高度:55 m;

(7)主起重天車起升速度:0～2 m/min滿載;0～4 m/min空載;

(8)主起重天車縱向移動速度:0～15 m/min;

(9)整機最大橫移速度:1 m/min;

(10)整機縱移速度:0～1 m/min;

(11)吊具自主旋轉(zhuǎn):360°;

(12)起重機橫向調(diào)整最大距離:±0.6 m;

(13)最大懸掛重量/節(jié)段數(shù):1 600 t/11;

(14)喂梁方式:尾部喂梁/橋下喂梁;

(15)成梁速度:49.6 m/10 d。

3 下承式造橋機作業(yè)程序

(1)造橋機的拼裝及預(yù)壓

總結(jié)國內(nèi)其他大型龍門吊安裝的成功經(jīng)驗和教訓(xùn)，結(jié)合施工時允許占用的場地、允許的施工周期、尤其是施工安全等因素，經(jīng)過多次討論和計算，晉陜黃河特大橋TP48造橋機安裝采用中間搭建臨時膺架的安裝工藝和方法。在兩墩正中間搭建1個9.5 m×2.4 m，高度為46 m的臨時膺架。豎好臨時膺架，拉好纜風(fēng)繩。主梁采用在現(xiàn)場地面分組拼接，利用履帶吊吊裝上橋，中間對接的安裝方法安裝。通過該工藝完成整臺造橋機的安裝，相比過去國內(nèi)傳統(tǒng)的利用雙塔架施工的吊裝方法，具有場地占用小、施工周期短和安全性高等優(yōu)點。

造橋機的預(yù)壓是非常重要的一個環(huán)節(jié)，消除整機非彈性變形，實測彈性變形的數(shù)值，為今后節(jié)段拼裝積累可靠的數(shù)據(jù)，縮短節(jié)段拼裝精調(diào)時間。造橋機型式試驗?zāi)M荷載按施工狀態(tài)下實際工況加載，即2個端部節(jié)段放置于墩頂上，造橋機不受力，橋機實際受力為(2號 ～10號段總重力)+濕接縫重力 =10 520+2 500=13 020 kN。

(2)節(jié)段梁拼裝工藝實施

造橋機姿態(tài)調(diào)整完成后，預(yù)留3個節(jié)段支撐橫聯(lián)處于打開狀態(tài)，供吊裝端部節(jié)段。結(jié)合預(yù)壓得出彈性變形數(shù)值，通過二次拋物線法計算出支撐橫聯(lián)桿頂高程，對橋機各支撐點設(shè)置反拱。利用場內(nèi)200 t龍門吊將待架節(jié)段移至運梁車上，運輸至橋下，起重天車直接從橋下運梁車取梁，按先兩端后中部的順序?qū)㈩A(yù)制節(jié)段布置在造橋機上，支撐在調(diào)節(jié)支撐上;考慮到端部、變截面節(jié)段梁體自重大，采用起重天車在主梁中部提梁，3節(jié)中部標(biāo)準(zhǔn)段在前導(dǎo)梁部位提梁。

(3)濕接縫及預(yù)應(yīng)力施工

節(jié)段梁精調(diào)到位后，進行濕接縫鋼筋綁扎及模板安裝，混凝土澆筑采用56 m的汽車泵，直接從地面將混凝土輸送到梁面上;濕接縫混凝土強度達到設(shè)計強度的90%且彈性模量達到設(shè)計值后，按照張拉順序及相應(yīng)各鋼束的張拉噸位進行張拉，張拉采用雙控，以張拉力控制為主，張拉伸長量進行校核;張拉結(jié)束后24 h內(nèi)完成壓漿工作。

(4)下承式造橋機過孔

第一步:橋機整體卸載后，打開節(jié)段支撐橫聯(lián)，利用縱移油缸將橋機縱移20 m，前導(dǎo)梁輔助支腿支撐在超前墩上，后導(dǎo)梁輔助支腿支撐在后中支墩上面，將已經(jīng)過前主支墩的節(jié)段橫聯(lián)及后導(dǎo)梁輔助橫聯(lián)連接起來，確保橋機的整體穩(wěn)定性。

第二步:前后輔助支腿支撐穩(wěn)定后，利用天車上的小卷揚機導(dǎo)出后主支腿上的墩旁托架，直接運至超前墩上進行安裝。

第三步:墩旁托架在超前墩安裝完成后，打開后導(dǎo)梁輔助橫聯(lián)，利用縱移油缸頂推橋機縱移，直至主桁到達超前墩位置。

第四步:橋機縱移到位后，根據(jù)放樣中線調(diào)整橋機姿態(tài)，連接剩余支撐橫聯(lián)，復(fù)核支撐橫聯(lián)高程，經(jīng)調(diào)整無誤后，開始進行節(jié)段箱梁的拼裝。

4 下承式造橋機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 下承式造橋機總體組成

晉陜黃河特大橋48 m節(jié)段拼裝造橋機主要由主結(jié)構(gòu)(包括主框架、前導(dǎo)梁及橫聯(lián)和后導(dǎo)梁)、主支承(包括前、后支腿，中支承和后支腿)、托架臺車倒運機構(gòu)、節(jié)段支撐橫梁、起重系統(tǒng)(包括起重天車、天車吊具及輔件)、濕接縫外模板、運梁車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，能夠進行48/32 m跨節(jié)段拼裝簡支箱梁的施工，全長108 m，總重8 100 kN，其中主框架總重約4 600 kN，兩幅主框架中心距為9.5 m。前后導(dǎo)梁上面各設(shè)置輔助支腿，主桁下面設(shè)置4個相同的墩旁托架，另外配置1 800 kN起重天車和運梁車各1臺。下承式造橋機總體構(gòu)造見圖3、圖4。

4.2 下承式造橋機的結(jié)構(gòu)特點

(1)為解決造橋機自身懸空拼裝的難度，選擇下承式造橋機，造橋機拼裝采用膺架式拼裝方法。

(2)在墩頂設(shè)計墩旁托架，造橋機主桁與墩頂托架接觸位置設(shè)計8 000 kN油頂，節(jié)段拼裝時，油頂將梁體重力及橋機自重傳至立柱墩頂承擔(dān)，同時利用8 000 kN油頂在拼裝完成之后進行體系轉(zhuǎn)換。

(3)造橋機設(shè)計10道全自動液壓翼式支撐橫聯(lián)，既可支撐預(yù)制節(jié)段，又作為濕接縫施工作業(yè)平臺，另外可連接兩側(cè)主桁，確保造橋機過孔時的整體穩(wěn)定性。如圖5所示。

(4)造橋機過孔設(shè)計了全液壓自動頂推系統(tǒng)，利用縱移油頂頂推主桁，確保過孔安全，縮短過孔時間。如圖6所示。

(5)在起重天車上設(shè)置360°自動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，解決節(jié)段提升通過主桁問題。

(6)橋機設(shè)計抗風(fēng)等級:6級及以下風(fēng)力可以架梁，非工作狀態(tài)時7級風(fēng)無須采取防御措施。

圖5 自動液壓翼式支撐橫聯(lián)

圖6 全液壓自動頂推系統(tǒng)

4.3 下承式造橋機主要受力分析及設(shè)計參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)模型的建立

設(shè)計荷載包括橋機主梁、導(dǎo)梁自重，天車重1 000 kN，托架重300 kN，梁塊重17 000 kN及風(fēng)荷載。造橋機作業(yè)主要有以下4種工況:

①滿跨加載狀態(tài);

②導(dǎo)梁最大前懸臂狀態(tài);

③倒運支腿狀態(tài);

④過孔工況，造橋機整機縱移過孔;

其中①、②工況為作業(yè)過程中的危險工況，③、④工況造橋機未承受外部荷載，在此僅對①、②進行受力計算，③、④工況主要為造橋機的自身工作狀況，保證安全運行即可，不再進行受力計算。

(2)計算由大型有限元軟件ANSYS完成。考慮整個橋機的結(jié)構(gòu)以及各個工況中荷載的對稱性，建模時除工況二的橫向風(fēng)荷載計算中取整體結(jié)構(gòu)進行計算，其余工況均取結(jié)構(gòu)的1/2進行計算，造橋機的有限元模型采用3種單元類型:

①板采用shell43單元、shell181單元離散，其中，絕大部分網(wǎng)格為形狀規(guī)則的4節(jié)點四邊形單元，局部使用退化的4節(jié)點三角形過渡單元;

②桿件采用beam189單元離散，并根據(jù)結(jié)構(gòu)實際尺寸定義梁截面，同時建立參考點控制面的方向。

經(jīng)過網(wǎng)格劃分，橋機1/2結(jié)構(gòu)有限元模型共有197 896個節(jié)點，191 166個單元，整體有限元模型共有384 732個節(jié)點，372 694個單元。

(3)計算結(jié)果

①滿跨加載狀況

此工況主要考慮的荷載包括天車自重1 000 kN，梁塊重力17 000 kN以及造橋機自重，其中，梁塊的重力按其實際的位置加載到支撐橫梁的對應(yīng)節(jié)點上，荷載分布見圖7。

由圖8可知，造橋機滿跨加載工況下橋機應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在主梁端部第二、三孔周圍，最大MISES等效應(yīng)力為368 MPa。造橋機在該位置材料使用雙層Q345C鋼板，容許應(yīng)力690 MPa，滿足受力需求。由圖9可知，造橋機滿跨加載工況下主梁中部最大下沉126 mm，導(dǎo)梁根部上翹152 mm。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)，容許撓度為 l/150=320 mm，滿足使用需求。

圖7 造橋機滿跨加載狀況荷載分布

圖8 造橋機滿跨加載狀況應(yīng)力分布

圖9 造橋機滿跨加載狀況Y向位移分布

②導(dǎo)梁最大前懸臂狀態(tài)

該工況主要考慮的荷載有天車自重1 000 kN和造橋機自重，導(dǎo)梁最大懸臂狀態(tài)工況荷載分布如圖10所示。

圖10 導(dǎo)梁最大懸臂狀況荷載分布

由圖11可知，造橋機導(dǎo)梁處于最大懸臂工況下造橋機的最大Mises等效應(yīng)力位于主梁根部的油缸鉸座處，最大應(yīng)力為324 MPa＜345 MPa。由圖12可知，懸臂尾部最大下沉為273 mm＜320 mm，受力及撓度均滿足要求。

圖11 導(dǎo)梁最大前懸臂狀況Mises應(yīng)力分布

圖12 導(dǎo)梁最大懸臂狀況Y向位移分布

綜上所述，在造橋機滿跨加載及導(dǎo)梁處于最大懸臂狀況下，造橋機構(gòu)成材料均能滿足使用需求，撓度變化在要求范圍之內(nèi)。

5 提升站組成

晉陜黃河特大橋48 m節(jié)段拼裝簡支箱梁兩端均為大跨徑連續(xù)梁，連續(xù)梁梁部完工時間較晚，同時節(jié)段梁部分上跨國家濕地森林公園，地面土質(zhì)濕軟，不具備用運梁車進行節(jié)段梁運輸?shù)臈l件，考慮到梁場緊鄰首孔梁拼裝位置，結(jié)合墩身及梁部構(gòu)造，特在梁場位置墩旁設(shè)計垂直提升站，將節(jié)段提升至已架設(shè)橋面上，然后由梁頂上的運梁車運輸至架設(shè)位置。利用提升站將節(jié)段梁垂直提升至梁頂再進行運輸，不但縮短了地面運梁便道的長度，節(jié)約了項目施工成本，同時梁頂平整度為節(jié)段梁運輸提供了良好的道路環(huán)境。

提升站主要由主結(jié)構(gòu)、起升機構(gòu)、小車及電氣系統(tǒng)等4部分組成(圖13)。

(1)主結(jié)構(gòu)由墩旁托架、橋架、空間門架和拉桿組成起重機主要承力結(jié)構(gòu)。

①墩旁托架類似于架橋機墩旁托架，下部固定于橋墩頂部，上部用于支撐起重機門架，從而成為整個起重機的受力基礎(chǔ)。主要結(jié)構(gòu)件由鋼板拼焊成箱形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345C。

圖13 墩旁垂直提升站構(gòu)造

②橋架:采用偏軌箱形雙梁結(jié)構(gòu)，橋架的前后端均用橫梁連接，形成剛性水平框架。小車軌道布置在其內(nèi)側(cè)腹板上方，橋架與拉桿的連接點及橋架與門架的連接點均設(shè)在兩箱梁外側(cè)腹板處。

③門架:由左右2片門框及中間連桿組成H型門架，門框及中間連桿采用箱形結(jié)構(gòu)，材料Q345C，門架中部留有足夠空間用于節(jié)段梁片的通過。

④拉桿:截面為箱形截面雙拉桿，與前橋架的連接點設(shè)在前橋架有效工作長度前部1/5處。

(2)起升機構(gòu)

起升機構(gòu)選擇2臺JK12卷揚機作為動力，每臺功率為55kW，固定于橋架后端，鋼絲繩從起升卷揚機卷筒出去，繞過小車上的定滑輪及吊具動滑輪返到小車定滑輪，最后固定于橋架前橫梁上。

起升機構(gòu)由變頻電動機驅(qū)動，經(jīng)齒輪聯(lián)軸器帶動減速器，減速器低速軸帶動繞有鋼絲繩的卷筒，控制電動機正、反轉(zhuǎn)，就可實現(xiàn)吊鉤的上升和下降。起升速度為0～3 m/min。

(3)安全報警裝置

電氣系統(tǒng)設(shè)有總過流保護，各機構(gòu)極限保護、超載保護、失壓保護，過電壓和欠電壓以及過電流保護由PLC裝置實現(xiàn)各自控制，斷電保護。

(4)防風(fēng)裝置

提升站工作風(fēng)壓按300 N/m2設(shè)計，非工作狀態(tài)計算風(fēng)壓為1 500 N/m2，提升站上部小車設(shè)計有防風(fēng)反鉤，與門架連成一個整體，從而使整個提升站與橋墩錨接成一個整體，有效地增加了防風(fēng)安全性。墩旁垂直提升站施工現(xiàn)場圖片見圖14、圖15。

圖14 墩旁垂直提升站

圖15 墩旁垂直提升站作業(yè)

6 結(jié)語

晉陜黃河特大橋共計82孔48 m節(jié)段拼裝簡支箱梁，2011年2月10日開始首孔節(jié)段箱梁的拼裝，在保證安全和質(zhì)量的前提下，截止2011年11月10日3臺造橋機已完成53孔節(jié)段拼裝簡支箱梁，在正常作業(yè)環(huán)境下，每臺造橋機均能實現(xiàn)10～12 d/孔的目標(biāo)。在造橋機進行節(jié)段拼裝作業(yè)過程中，節(jié)段支撐橫梁為濕接縫提供了良好的作業(yè)平臺，加快了濕接縫作業(yè)的進度，保證了濕接縫作業(yè)的安全;全自動化的橋機過孔，縮短了造橋機的過孔時間，加快了施工進度;提升站的應(yīng)用減少了造橋機天車的提梁工作量，為其他提升作業(yè)爭取了時間。總之，此下承式造橋機的優(yōu)越性在晉陜黃河特大橋48 m節(jié)段拼裝作業(yè)過程中得到了充分體現(xiàn)，在以后的節(jié)段拼裝作業(yè)中將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

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