360 度旋轉(zhuǎn)式大型懸臂提梁機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李鵬程，陳平

（中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131）

1 工程概況

甬江特大橋主橋設(shè)計(jì)為（54+50+50+66+468+66+50+50+54）m雙塔雙索面鋼箱混合梁鐵路斜拉橋，主跨468m跨越甬江，邊跨設(shè)計(jì)為混凝土箱梁作為錨固跨，設(shè)4個(gè)輔助墩，中跨419m為鋼箱梁，混合梁接頭采用鋼混結(jié)合段聯(lián)接過(guò)渡，結(jié)合面在索塔向跨中側(cè)24.5m處。甬江特大橋主橋立面布置圖見圖1。

鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)9m,中跨合攏段長(zhǎng)4.9m。全橋共計(jì)45個(gè)節(jié)段鋼箱梁（含合攏段），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段最大重量約181.2t。如圖2標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼箱梁截面詳圖。

2 工程背景及特點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)背景

甬江主橋江邊存在逾100m的灘涂區(qū)，且橋位臨近碼頭，日夜通航量較大，船舶無(wú)法將鋼箱梁節(jié)段運(yùn)輸至拼裝位置，浮運(yùn)法施工不具備現(xiàn)場(chǎng)條件。甬江主橋跨江區(qū)江寬、流急、浪大，漲落潮流速流向多變，年平均風(fēng)速5.6m/s,屬臺(tái)風(fēng)次重要影響區(qū)，年均1.8次，影響期5～11月，其中8～9月為集中影響期，對(duì)懸臂提梁機(jī)自身結(jié)構(gòu)及提升系統(tǒng)提出了較高要求。甬江主橋主跨468m，鋼梁段結(jié)構(gòu)長(zhǎng)柔，懸臂施工時(shí)，主梁應(yīng)力和變形對(duì)懸臂前端施工荷載非常敏感，要求懸臂提梁機(jī)結(jié)構(gòu)盡可能輕巧。

圖1 甬江特大橋主橋全橋立面布置圖（單位：m）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼箱梁截面詳圖

2.2 HMF-200 懸臂提梁機(jī)特點(diǎn)

HMF-200懸臂提梁機(jī)的設(shè)計(jì)提出了一種新的鋼梁拼裝方法，克服了橋面吊機(jī)起升高度小、適應(yīng)性差、安拆復(fù)雜、行走困難等缺點(diǎn)，有效地解決了鋼箱梁拼裝施工受環(huán)境和水位等條件影響很大、施工周期長(zhǎng)、施工效率低、成本費(fèi)用高的問(wèn)題，提出了鋼箱梁“梁上運(yùn)梁”施工方法，將鋼箱梁節(jié)段通過(guò)橋尾混凝土主梁處提梁門架將節(jié)段鋼箱梁提升至混凝土箱梁梁面，放置在運(yùn)梁小車上，由梁面運(yùn)梁小車運(yùn)輸節(jié)段鋼箱梁至橋面HMF-200懸臂提梁機(jī)中，懸臂提梁機(jī)接梁后前移、旋轉(zhuǎn)、后移、拼裝，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁在已施工梁面上提梁、運(yùn)梁、架梁，避免了跨江作業(yè)占用航道，并降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，為類似橋梁工程施工提供了參考。

3 360°旋轉(zhuǎn)式懸臂提梁機(jī)的設(shè)計(jì)

本工程使用的為自主研發(fā)的HMF-200懸臂提梁機(jī)，HMF-200懸拼提梁機(jī)適用于200t以下節(jié)段鋼箱梁吊裝，整機(jī)總重約142t，主要由主框架結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、縱移系統(tǒng)、可調(diào)支撐、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成，主架體結(jié)構(gòu)呈倒梯形布置，主受力構(gòu)件鋼材材料均為Q345B。HMF-200懸拼提梁機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖3，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 HMF-200 懸拼提梁機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.1 主框架結(jié)構(gòu)

懸臂提梁機(jī)主框架結(jié)構(gòu)是主要承重結(jié)構(gòu)，由主桁架、撐桿、斜桿、主梁、連系梁及平聯(lián)組件構(gòu)成。與一般菱形桁架結(jié)構(gòu)不同，HMF-200懸臂提梁機(jī)主框架結(jié)構(gòu)在菱形桁架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加上三角結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)起升天車的后移行程，并增加懸臂提梁機(jī)整體抗傾覆能力。

為保證懸臂提梁機(jī)的通用性及整體性，提梁機(jī)鋼構(gòu)架之間采用螺栓連接，復(fù)雜的主要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成整體，以保證節(jié)點(diǎn)受力可靠。

主梁上設(shè)計(jì)有運(yùn)行軌道，起升天車吊著鋼梁可順軌道前后運(yùn)行，主梁兩端頭設(shè)計(jì)有安全擋頭，當(dāng)天車運(yùn)行到位后，會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。

后錨是懸臂提梁機(jī)受力的關(guān)鍵部位。節(jié)段鋼梁上設(shè)置4組錨固耳板，提梁過(guò)程中作為臨時(shí)吊點(diǎn)，已拼裝梁段兩組前吊耳作為HMF-200懸臂提梁機(jī)后錨點(diǎn)，通過(guò)插銷連接。后錨點(diǎn)主要由耳板、錨座、加勁板、高強(qiáng)度螺栓結(jié)構(gòu)組成，在鋼箱梁橫隔板及頂板上開孔，利用高強(qiáng)螺栓將錨座固定在橫隔板上，然后再利用高強(qiáng)螺栓將錨座與耳板相連。后錨點(diǎn)構(gòu)造圖見圖4。

圖4 HMF-200 懸拼提梁機(jī)后錨點(diǎn)構(gòu)造圖

3.2 起升系統(tǒng)

起升系統(tǒng)主要由吊具、動(dòng)滑輪組、定滑輪組、導(dǎo)向輪、卷?yè)P(yáng)機(jī)等組成。12t機(jī)械卷?yè)P(yáng)機(jī)共2臺(tái)，布置在起升天車的上部。卷?yè)P(yáng)機(jī)額定單繩拉力12t，卷筒直徑700mm，卷筒長(zhǎng)度700mm，容繩量130m，鋼絲繩為18×7多層股（不旋轉(zhuǎn)）鋼絲繩（GB1102-74），直徑28mm，破斷拉力不小于1960N/m2，2層纏繞。吊具上部與動(dòng)滑輪組鉸接，下部與節(jié)段鋼箱梁上的吊耳連接。

吊耳設(shè)置在鋼箱梁每個(gè)節(jié)段的橫隔板處，吊耳在鋼梁提升至混凝土主梁面時(shí)用作臨時(shí)提升吊點(diǎn)，后續(xù)施工時(shí)已拼裝梁段前吊耳兼做懸臂提梁機(jī)后錨點(diǎn)。吊耳平面布置圖如圖5所示。

起升天車能夠縱、橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼梁前移；吊具斜連桿端部長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍是（-150mm，+150mm），可適當(dāng)微調(diào)鋼梁在提升過(guò)程中的橫向坡度，保持鋼梁整體平衡。吊具可調(diào)斜連桿如圖6所示。

懸臂提梁機(jī)主桁架中心間距10m，節(jié)段鋼梁寬度21m，長(zhǎng)9m。運(yùn)梁小車將鋼梁運(yùn)至懸臂提梁機(jī)后端時(shí)，鋼箱整體角度與拼裝角度相差90°。HFM-200懸臂提梁機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)吊具，可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼梁完成90°旋轉(zhuǎn)，完成拼裝。鋼梁轉(zhuǎn)體效果圖如圖7所示。

3.3 縱移系統(tǒng)

HMF-200懸臂提梁機(jī)縱移系統(tǒng)為液壓步進(jìn)式走形系統(tǒng)，縱移系統(tǒng)對(duì)稱布置在鋼梁中心線兩側(cè)，由縱移軌道、油缸及絞支座組成。其中油缸通過(guò)兩端絞支座與主框架的下弦桿及縱移軌道連接，通過(guò)控制油缸伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)前移。HMF-200懸臂提梁機(jī)單側(cè)縱移軌道由12根長(zhǎng)度為1.5m的軌道節(jié)段組成，軌道下方墊設(shè)防滑橡膠墊，軌道節(jié)段之間由法蘭螺栓連接，單節(jié)軌道重127kg，可由人工從提梁機(jī)后端倒運(yùn)至前端重復(fù)使用。縱移系統(tǒng)詳圖如圖8所示。

3.4 可調(diào)支撐及液壓系統(tǒng)

HMF-200懸臂提梁機(jī)每側(cè)桁架下方有2個(gè)可調(diào)支撐，可調(diào)支撐采用液壓系統(tǒng)，當(dāng)需要縱、橫坡調(diào)整時(shí)，通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)整可調(diào)支撐的螺桿長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整整機(jī)水平。HMF-200型懸臂提梁機(jī)在錨固施工階段，可調(diào)支撐落下并支撐在已裝鋼箱梁上，保證懸臂提梁機(jī)吊裝鋼箱梁過(guò)程中的整體穩(wěn)定性；懸臂提梁機(jī)走行過(guò)程中，可調(diào)支撐收回，保證行走順暢。

4 HMF-200 懸臂提梁機(jī)結(jié)構(gòu)分析

4.1 整體結(jié)構(gòu)分析

分析懸臂提梁機(jī)在自重、梁段荷載、風(fēng)荷載、沖擊荷載及其他臨時(shí)荷載的作用下，懸臂提梁機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并確定前支點(diǎn)及后錨點(diǎn)反力，分別用于施工階段永久結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及施工控制計(jì)算。計(jì)算表明，懸臂提梁機(jī)在各工況作用下極限應(yīng)力均小于278MPa，所有桿件的屈曲安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)變形均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥1.5，表明懸臂提梁機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求，可安全投入使用。

4.2 主要節(jié)點(diǎn)局部分析

HMF-200懸臂提梁機(jī)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在整體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)懸臂提梁機(jī)整體節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵受力點(diǎn)進(jìn)行局部應(yīng)力復(fù)核。計(jì)算結(jié)果顯示，在最不利工況作用下，各節(jié)點(diǎn)局部極限應(yīng)力均小于345MPa，表明懸臂提梁機(jī)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

HMF-200 懸拼提梁機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 表1

圖5 鋼梁吊耳平面布置圖

圖6 懸臂提梁機(jī)吊具可調(diào)斜連桿

5 HMF-200 懸臂提梁機(jī)的應(yīng)用

5.1 HMF-200 懸臂提梁機(jī)拼裝

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，甬江特大橋HMF-200懸臂提梁機(jī)總體拼裝工藝流程為：梁面走行軌道鋪設(shè)→底架安裝→立柱安裝→臨時(shí)后錨及固定→橫梁拼裝→天車安裝→電氣與液壓系統(tǒng)安裝→鋼絲繩與旋轉(zhuǎn)吊具安裝→整機(jī)檢查驗(yàn)收。

圖7 懸臂提梁機(jī)旋轉(zhuǎn)吊具實(shí)現(xiàn)鋼梁旋轉(zhuǎn)

圖8 懸臂提梁機(jī)縱移系統(tǒng)示意圖

圖9 懸臂提梁機(jī)縱移系統(tǒng)示意圖

5.2 HMF-200 懸臂提梁機(jī)使用前檢查、試驗(yàn)

懸臂提梁機(jī)正式使用前必須進(jìn)行試吊，試吊前應(yīng)對(duì)提梁機(jī)進(jìn)行全面檢查，并進(jìn)行荷載試驗(yàn)及液密封等試驗(yàn)。

5.2.1 試吊前檢查

懸臂提梁機(jī)正式使用前，必須檢查各聯(lián)結(jié)部位是否聯(lián)結(jié)牢固；檢查電氣接線是否正確；檢查液壓系統(tǒng)各部位是否有漏油現(xiàn)象；檢查各機(jī)械及結(jié)構(gòu)部分是否有卡滯現(xiàn)象；檢查各轉(zhuǎn)動(dòng)部位潤(rùn)滑情況;檢查油箱內(nèi)油是否滿足規(guī)定的要求,并試運(yùn)行液壓系統(tǒng)。

5.2.2 荷載試驗(yàn)

提梁機(jī)在進(jìn)行鋼箱架設(shè)前，必須進(jìn)行試吊荷載試驗(yàn)，按0.5G(G為額定荷載)、1.0G動(dòng)載試驗(yàn)和1.25G靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)荷載采用首節(jié)鋼箱梁節(jié)段+配重的方法，此試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證后錨點(diǎn)的安全性及各部分構(gòu)件使用性能。

5.2.3 液壓密封試驗(yàn)

液壓系統(tǒng)為懸臂提梁機(jī)提供動(dòng)力，在進(jìn)行鋼箱架設(shè)前，必須進(jìn)行液壓密封試驗(yàn)，按1.0倍額定荷載起升，關(guān)閉動(dòng)力系統(tǒng)，檢驗(yàn)千斤頂油缸回縮量，持續(xù)時(shí)間15 min。

通過(guò)上述檢查、試驗(yàn)，HMF-200懸臂提梁機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和液壓密封性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 HMF-200 懸臂提梁機(jī)拼裝鋼梁

HMF-200懸臂提梁機(jī)提出了鋼箱梁“梁上運(yùn)梁”施工方法，將鋼箱梁節(jié)段通過(guò)橋尾混凝土主梁處提梁門架將節(jié)段鋼箱梁提升至混凝土箱梁梁面，放置在運(yùn)梁小車上，由梁面運(yùn)梁小車運(yùn)輸節(jié)段鋼箱梁至橋面HMF-200懸臂提梁機(jī)中，過(guò)程示意簡(jiǎn)圖如圖9所示。

節(jié)段鋼箱梁通過(guò)橋面懸臂提梁機(jī)提梁、前移、旋轉(zhuǎn)及對(duì)位，其具體施工步驟如下。

步驟一：運(yùn)梁小車將節(jié)段鋼箱梁從后方運(yùn)送至懸臂提梁機(jī)內(nèi)，懸臂提梁機(jī)起升小車后移至指定位置，連接提梁機(jī)吊具與鋼箱梁吊耳，準(zhǔn)備提梁。如圖10所示。

圖10 懸臂提梁機(jī)提梁

步驟二：懸拼提梁機(jī)起升小車提升節(jié)段鋼箱梁，梁底高于運(yùn)梁小車后，運(yùn)載鋼箱梁向前走行至最前端，起升小車適當(dāng)下落鋼箱梁，使其滿足旋轉(zhuǎn)空間要求。如圖11所示。

步驟三：驅(qū)動(dòng)懸拼提梁機(jī)旋轉(zhuǎn)吊具帶動(dòng)鋼梁旋轉(zhuǎn)90°，通過(guò)調(diào)整斜連桿可調(diào)絲桿調(diào)整鋼梁姿態(tài)。如圖12所示。

圖12 旋轉(zhuǎn)吊具帶動(dòng)鋼梁轉(zhuǎn)體

步驟四：節(jié)段鋼箱梁緩慢下落，起升天車后移，完成鋼梁對(duì)位，焊接拼裝完成。如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)控制完成鋼梁對(duì)位

至此，節(jié)段鋼箱梁拼裝完成，待鋼箱梁斜拉索張拉完成后，開始下一節(jié)段鋼梁拼裝。

6 結(jié) 語(yǔ)

甬江特大橋主橋鋼箱梁有著結(jié)構(gòu)自重大、定位精度要求嚴(yán)、跨河作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，對(duì)比常規(guī)的節(jié)段鋼梁通過(guò)海上運(yùn)輸、江面船舶上提升鋼梁、懸拼架設(shè)的方法，使用自主研發(fā)的HMF-200懸臂提梁機(jī)，有效規(guī)避了海上運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，方案自主性強(qiáng)，環(huán)境干擾影響小，省去了海上運(yùn)輸、吊裝的船舶以及河中棧橋的投入，大大降低的施工成本。隨著橋梁結(jié)構(gòu)不斷向大跨度方向發(fā)展，HMF-200懸臂提梁機(jī)的成功應(yīng)用，以及HMF-200懸臂提梁機(jī)提出的“梁上運(yùn)梁法”架設(shè)技術(shù)，可為其它類似大型結(jié)構(gòu)物的拼裝提供參考。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院.甬江（左線）特大橋鋼箱混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)施工圖[Z].2012.

[2] 陳開利,余天慶,習(xí)剛.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望[J].橋梁建設(shè).2005(2).

[3] 周孟波.斜拉橋手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社,2004.

[4] 陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2003.

[5] 徐國(guó)平，等.混合梁斜拉橋[M].北京：人民交通出版社,2013.

[6] 高榮雄.混合梁斜拉橋施工控制技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2005.

[7] 徐愛敏，陳衡治，張治成.杭州灣大橋梁上運(yùn)梁過(guò)程仿真分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2005(5).

[8] 馬耕.混凝土寬箱梁橋上運(yùn)梁過(guò)程仿真分析[J].鐵道建筑,2011(1).

[9] 楊培誠(chéng),王磊.鄂東長(zhǎng)江大橋鋼箱梁安裝施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2010(S2).

[10] 黃羚,張勇,仇高山.天津海河開啟橋鋼箱梁架設(shè)與合龍控制技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2011(1).

[11] 劉柱,周世清.大跨度鋼箱梁架設(shè)施工的監(jiān)理控制[J].世界橋梁,2011(5).

[12] 薛江偉,周活球.西陵長(zhǎng)江大橋鋼箱梁架設(shè)技術(shù)[J].廣東科技,2006(10).

[13] 沈欣龍.跨鐵路鋼箱梁架設(shè)施工技術(shù)[J].山西建筑,2009(31).

[14] 戴兵.大跨度鋼箱梁架設(shè)施工組織技術(shù)淺析[J].河南科技,2004(10).