高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機(運架一體機)創(chuàng)新設(shè)計

何建華

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

目前，我國高速鐵路“四縱四橫”路網(wǎng)也已建成，“八縱八橫”路網(wǎng)建設(shè)正在快速推進中，開通及在建里程都雄居世界第一。其中橋梁長度占已建成運營的高鐵線路總長的50%以上，主要為標準跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋。2019年以前，以跨度32 m簡支箱梁橋為主，部分采用跨度24 m、20 m簡支箱梁橋。2018年，我國基于運架裝備技術(shù)架設(shè)的40 m標準跨度高鐵預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁成功研發(fā)，2019年在鄭濟高鐵利用1 000 t級運架分體式架橋機實現(xiàn)40 m簡支箱梁首架，2020年在福廈高鐵利用1 000 t級運架一體式架橋機實現(xiàn)40 m簡支箱梁首架，標志著我國高鐵橋梁建設(shè)進入40 m跨標準簡支箱梁時代。

高速鐵路簡支箱梁運架裝備，有兩大類:一類是提梁、運梁、架梁功能分開的，是運架分體式架橋機；另一類是集提梁、運梁、架梁功能于一體的，是運架一體式架橋機。運架一體式架橋機，最大能架32 m梁的，目前使用的代表型機子有:秦皇島通聯(lián)公司研制TTYJ900型[1－2]導(dǎo)梁式運架一體機(雙主梁)，北京萬橋公司研制WE-SC900H型[3]導(dǎo)梁式運架一體機(單主梁)，石家莊鐵道大學(xué)國防所研發(fā)SLJ900/32型[4－5]無導(dǎo)梁式運架一體機，鄭州新大方公司生產(chǎn)的DYJ900型[6－8]無導(dǎo)梁式運架一體機。運架一體式架橋機，能架40 m梁的，目前使用的機子僅有中鐵五院與中鐵十一局聯(lián)合研制的世界首臺高鐵1 000 t級40 m梁運架一體機(定名“昆侖號架橋機”)[9－11]。由于高速鐵路40 m標準跨度的雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁是我國自主創(chuàng)新研制的，世界上其他囯家還沒有，其集提、運、架功能于一體的昆侖號架橋機的成功研發(fā)更具意義。本文對高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機的組成、技術(shù)參數(shù)、架梁流程進行了介紹，對設(shè)計方面的創(chuàng)新進行了梳理、分析，以供同行參考。

2 昆侖號架橋機簡介

昆侖號架橋機屬于無導(dǎo)梁式運架一體機，能直接吊運高鐵1 000 t級40 m箱梁通過隧道，能在隧道內(nèi)及隧道進出口、大于2 000 m的曲線線路、小于30‰的縱坡線路上架梁，能架24～40 m預(yù)制簡支箱梁，是一種“全能型”架橋機。

2.1 設(shè)備組成

昆侖號架橋機，由主梁、后車、前車、中支腿、主支腿、起升系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 昆侖號架橋機

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

整機尺寸(長×寬×高):116 m×9.8 m×9.2 m

額定起重量:1 000 t

適應(yīng)梁型:高鐵24～40 m跨度雙線整孔箱梁

適應(yīng)坡度:30‰

適應(yīng)最小曲線:2 000 m

運行最小轉(zhuǎn)彎半徑:100 m

重載行走速度:0～5 km/h

空載行走速度:0～10 km/h

重載起升速度:0～0.5 m/min

空載起升速度:0～1.5 m/min

適應(yīng)海拔高度:≤3 000 m

環(huán)境工作溫度:－20～50℃

非工作狀態(tài)最大風(fēng)力:11級

工作狀態(tài)最大風(fēng)力:7級

機構(gòu)工作級別:M4

整機工作級別:A3

整機重量:997 t

2.3 架梁流程

(1)從梁場提吊簡支梁運至架梁工位。

(2)前車頂升，安裝主支腿至橋墩。

(3)前車懸掛收起，完成體系轉(zhuǎn)換，架橋機由后車和主支腿支撐(見圖2a)。

(4)由后車推送，使前車越過主支腿(第一次喂梁，見圖2b)。

(5)中支腿就位，臨時落梁(見圖2c)。

(6)中支腿頂升，主支腿倒運至下一橋墩上。

(7)安裝主支腿，中支腿收縮，完成體系轉(zhuǎn)換。進行第二次喂梁(見圖2d)。

(8)喂梁結(jié)束，精確對位，準備落梁(見圖2e)。

(9)落梁結(jié)束，架橋機準備回撤(見圖2f)。

(10)架橋機回撤到位，主支腿回收，準備返回梁場去運梁(見圖2g)。

圖2 昆侖號架橋機一般工況架梁流程

3 昆侖號架橋機主要創(chuàng)新設(shè)計

昆侖號架橋機與最大架設(shè)32 m梁的SLJ900/32型、DYJ900型一樣，都屬于無導(dǎo)梁式運架一體機，只是它為能適應(yīng)最大吊運40 m梁順利通過高鐵隧道等工況進行架設(shè)，采取了如下主要創(chuàng)新設(shè)計。

3.1 新材料GT785D高強鋼的應(yīng)用

40 m跨標準簡支箱梁，比32 m箱梁重100 t多，達1 000 t級，跨度增加8 m，梁高增加200 mm，而高速鐵路隧道斷面尺寸并未增加，為滿足架橋機過隧架梁凈空要求，就無法選用目前市面上32 m梁架橋機多數(shù)采用的Q460、Q355鋼材，架橋機主梁必需采用強度更高的鋼材。為此，昆侖號架橋機主梁采用新研制的GT785D高強鋼，其屈服強度達685 MPa。這也是GT785D高強鋼在高速鐵路架橋裝備設(shè)計制造中，首次使用。GT785D高強鋼力學(xué)性能及成分如表1、表2所示[12]。

表1 GT785D高強鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 GT785D高強鋼力學(xué)性能

3.2 主梁輕量化設(shè)計

昆侖號架橋機的主梁采用箱形截面，總長為104.3 mm，為減輕重量，主要采取了以下措施:

(1)從原材料上來減輕重量，主梁材料選擇新研制的GT785D高強度結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強度高達685 MPa。

(2)主梁共由9個節(jié)段拼接而成[13]，通過計算后在第2～5節(jié)段、第7～8節(jié)段的腹板位置進行開孔，孔洞整體形狀為長方形，四周為圓角，孔洞四周焊有包邊(見圖1)。腹板進行開孔，可顯著節(jié)約材料，降低主梁自身的重量。

3.3 主梁方便運輸設(shè)計

昆侖號架橋機的主梁截面為箱形，高為4.8 m，為方便運輸，采取了以下措施:

(1)主梁長度方向上分節(jié)(9節(jié))，高度方向上分層(上下兩層)，如圖1、圖3所示。

圖3 主梁結(jié)構(gòu)斷面

(2)組成主梁的上下兩層梁采用疊置，為防止吊裝或運輸時主梁腹板變形，增加結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，主梁腹板在疊置部位設(shè)計為T形，用豎向高強螺栓連接即可(見圖3)。這與一般主梁腹板另加鋼板用水平向高強螺栓連接的，明顯不同，是一創(chuàng)新。

3.4 研制了大推力關(guān)節(jié)軸承

新研制的子母套免維護大推力關(guān)節(jié)軸承，主要由座圈、軸圈、內(nèi)圈、外圈、密封圈、連接螺栓、螺母、金屬襯墊、沉頭螺栓等組成(見圖4)，是用來連接昆侖號架橋機主梁與后車的。通過該關(guān)節(jié)軸承連接，使昆侖號架橋機在架梁過孔或馱梁運輸過程中，形成“四點接觸、三點平衡”體系，免除了架橋機由于支點不平而受到附加扭矩，也增加了架橋機的曲線通過性。

圖4 大推力關(guān)節(jié)軸承

原有架橋機主梁與后車連接大都采用球鉸結(jié)構(gòu)(見圖5)，這種球鉸結(jié)構(gòu)往往存在加工精度低、轉(zhuǎn)動不夠靈活、易磨損和銹蝕、需經(jīng)常維護等缺點。昆侖號架橋機主梁與后車連接采用新研制的子母套大推力關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)高度比球鉸結(jié)構(gòu)低200 mm以上，這降低了架橋機整體高度，方便過隧設(shè)計；其采用自潤滑材料組成摩擦副，摩擦系數(shù)更小，轉(zhuǎn)動靈活，可免維護，承載力、壽命及使用功能都有一定的增強和提高[14]。

圖5 實體球鉸結(jié)構(gòu)

3.5 研制了可變位主支腿折疊結(jié)構(gòu)

昆侖號架橋機主支腿設(shè)計成倒三角空間結(jié)構(gòu)(見圖6)，是一種可以免除墩頂錨固的構(gòu)造，通過水平導(dǎo)向輪、反抓輪、托輥輪，可以沿主梁自行來回移動；通過油缸來伸縮、折疊主支腿，滿足在不同高度下支腿回收的需要；主支腿通過墊梁支撐在橋墩上，墊梁與主支腿下橫梁間設(shè)置了3個推力關(guān)節(jié)軸承，兩側(cè)的關(guān)節(jié)軸承下墊有聚四氟乙烯滑塊，使主支腿和下墊梁可相對轉(zhuǎn)動，滿足曲線架梁需要[15]。

圖6 昆侖號架橋機主支腿

3.6 研制了架橋機信息化管理系統(tǒng)

為實時了解昆侖號架橋機自身安全監(jiān)控信息及運架施工信息，方便設(shè)備管理，開發(fā)設(shè)計了架橋機信息化管理系統(tǒng)(見圖7、圖8)。其有3層框架:應(yīng)用層、服務(wù)層、運行數(shù)據(jù)層。有五大核心功能:工程信息管理、設(shè)備信息管理、實時監(jiān)控、統(tǒng)計中心、預(yù)警管理。通過布置各種先進傳感器，監(jiān)測架橋機運架時關(guān)鍵數(shù)據(jù)；并通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實時將數(shù)據(jù)傳送至遠程服務(wù)器，各級用戶可通過網(wǎng)絡(luò)隨時查看現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)；通過北斗導(dǎo)航定位，實時了解目前設(shè)備具體地理位置，等等。這些使生產(chǎn)廠家、設(shè)備用戶對該設(shè)備已架設(shè)哪些橋梁項目、各項目架設(shè)多少孔40 m(或32、24 m)梁、設(shè)備狀態(tài)如何、是否需要保養(yǎng)或維修等信息了然于心，方便設(shè)備管理；也可通過分析歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運架梁各工序哪些可優(yōu)化，進而提高設(shè)備的使用效率，提高工效，節(jié)約成本。昆侖號架橋機信息化管理系統(tǒng)的成功研制，填補了運架高鐵箱梁信息化技術(shù)應(yīng)用的空白，可實現(xiàn)運架設(shè)備狀態(tài)的全壽命周期管理[16]。

圖7 系統(tǒng)框架

圖8 系統(tǒng)拓撲圖

4 結(jié)束語

新研制的昆侖號架橋機于2020年6月開始在福廈鐵路湄洲灣跨海大橋運架1 000 t/40 m簡支箱梁，至今運行良好。通過以上對高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機(運架一體機)的創(chuàng)新設(shè)計分析，有以下體會:

(1)昆侖號架橋機能架40 m、32 m、24 m梁，這覆蓋了目前我國高鐵預(yù)制簡支箱梁所有跨度；能在橋隧相連的山嶺地區(qū)進行大于2 000 m曲線半徑線路、小于30‰縱坡線路、隧道進出口、隧道內(nèi)架梁，是一種“全能型”架橋機。

(2)新材料GT785D高強鋼在昆侖號架橋機上的成功應(yīng)用，可為其他大噸位設(shè)備主梁設(shè)計提供借鑒。

(3)昆侖號架橋機信息化管理系統(tǒng)的成功研制，填補了高速鐵路簡支箱梁運架過程中信息化技術(shù)應(yīng)用的空白，也可為其他架橋機設(shè)計作參考。