大跨度軌道交通U形梁單T構懸臂拼裝架橋機結構設計*

孫九春，薛武強，曹 虹

(騰達建設集團股份有限公司，上海 201204)

在上海軌道交通10號線跨6號線的三跨混凝土連續梁橋施工中，受獨特的工程環境限制，傳統的懸臂拼裝工藝和設備均無法實施，有必要研制一種新型架橋機來滿足工況需要。

1 工程概況

上海軌道交通10號線上跨地鐵6號線出入場線的節點橋設計為(40+75+40)m三跨變截面混凝土連續梁，主梁采用U形+箱形結構。全橋共劃分40個塊段，除了0號塊和合龍段采用現澆外，其余塊均為預制節段(見圖1)。工程建設場地被軌道交通6號線劃分為東、西兩側，場地周邊環境較復雜(見圖2)。由于西側結構受管線搬遷影響滯后于東側，為滿足工程需要提出大跨度連續梁橋單T構懸臂拼裝工藝。該工藝利用已拼U形梁作為架橋機支點，節段梁從邊跨起吊，天車運至中跨上方懸臂安裝，每拼裝2個節段，架橋機支點和主桁架向前移動1次。一側T構施工完成后，通過天車配重、支腿轉換與桁架縱移，實現超大懸臂狀態下的架橋機整體過孔。再反向按相同辦法施工西側T構，最后將2個T構通過澆筑濕接頭連接成一體。

圖1 全橋梁段示意

圖2 周邊環境

2 基于施工工藝的架橋機設計原則

由于該工藝利用已拼裝的橋梁結構作為架橋機的支撐點，在T構受力一定的工況下必須減小架橋機規模，架橋機設計必須在小型化和輕量化的前提下，滿足特殊工況的受力要求；同時，該橋橫斷面為U形梁，需設計適應此斷面的新型支腿結構。

因此，架橋機的設計應遵循以下原則：①架橋機主梁應為節段拼裝式，方便施工過程中拆卸與運輸；②主梁應采用桁架梁的結構形式，并采用Q345鋼，以減小架橋機結構自重及風阻；③架橋機結構功能應前后對稱，以實現架梁時具有雙向施工能力；④架橋機應具有調整前后高度及實現平轉能力，以此適應線路中設置的平豎曲線；⑤架橋機支腿4點位置均應作用于U形梁腹板正上方，保證頂板不會因承受架橋機自重而開裂；⑥施工中預制塊段需實現精確對位拼裝，吊具應具備一定的三維位置調節功能。

3 架橋機結構及組成

本架橋機設計吊重120t，其主要結構包括主梁、支腿、天車、輔助支腿及監控系統、電器系統等，并根據工程環境特點與施工需要進行專門設計(見圖3)。

圖3 架橋機

3.1 主桁梁

主桁梁(見圖4)為架橋機主要受力結構，考慮整體穩定性，采用雙主梁結構。梁總高3m，每個節段長12m，共14個節段。主梁節段端頭設置開孔法蘭端板，用高強度螺栓進行節段間連接。主桁梁兩端頭設置平聯，增加架橋機的側向穩定性。

圖4 主桁梁結構示意

綜合考慮抗風特性、主梁的側向穩定性、部件運輸和主梁拆裝方便性，采用勁性三弦桿與多腹桿組成的三角桁架體系，并根據輕量化需求采用Q345鋼材制作。上弦桿采用HW594×302-14/23 H型鋼，下弦桿采用HW440×300-11/18 H型鋼，開口兩側用10mm厚鋼板焊接，使截面呈箱形；腹桿采用對扣的[16，節間長1.6m；在2根主桁梁兩端各設1道端頭橫聯，保證整體結構剛性；下弦平聯采用對扣14號鋼，平聯桿下方采用[22背靠背結構形式，作為主桁梁頂推行走的軌道，行走縱梁上可錨固反力卡扣作為受力點。

3.2 支腿

支腿(見圖5)主要起到支承主桁梁的作用。為保證架橋機雙向施工能力，3個支腿采用相同的結構設計，使用中可相互替換。

圖5 支腿結構示意

為適應U形+箱形梁斷面，支腿整體呈H形，總體可分為1根橫梁和2根立柱。立柱的下支撐點正好位于U形+箱形梁腹板的正上方，橫梁可保證支腿的整體側向穩定性，橫梁上方空間可滿足天車吊運梁塊穿過。2根立柱頂部各設置1根上橫梁，上橫梁頂面中間設置1臺作為主桁梁縱移動力機構的縱向頂推油缸，位置在主桁梁的行走縱梁正下方；上橫梁頂面左、右兩側各設置1根墊梁，墊梁上布置聚四氟乙烯滑板作為主桁梁行走時的支撐滑移面。立柱下部設置1臺豎向伸縮液壓套筒，總行程為1 200mm， 可改變支腿高度以適應橋梁豎曲線。每個立柱底部設置2臺橫向千斤頂，總行程為1 000mm， 在前、中、后3個支腿下施加不同伸縮量，架橋機即可實現平轉功能。

3.3 天車及吊具

天車起重能力為1 200kN，天車主梁通過走行機構支承在主桁梁上方，其頂面設置了1臺調節量為±500mm橫向千斤頂。千斤頂伸縮端連接橫移平臺，橫移平臺上設置2臺卷揚機及1個定滑輪組，通過調節橫向千斤頂伸縮量來彌補梁塊吊裝對位時橫向調節范圍有限的不足。

天車下方通過鋼絲繩連接吊具。由于梁塊橫向寬度大于支腿兩立柱間距，故在吊具上方設置旋轉軸，吊具吊起梁塊后轉動90°，梁塊便可從支腿立柱間穿過，到達指定位置后再逆向旋轉90°進行拼裝。

吊具包括1根橫梁和2根小縱梁。橫梁頂面設有1臺橫向千斤頂，可實現梁塊的橫向位置精確調整；小縱梁上各設有1臺縱向千斤頂，可實現梁塊的縱向位置精確調整(見圖6)。

圖6 天車及吊具結構示意

3.4 輔助支腿

圖7 輔助支腿結構示意

豎向承力柱為H型鋼，豎立在1根水平H型鋼上，其后方各設1根斜撐桿，并且水平H型鋼的尾端設置固定措施，保證支腿不會因受到主桁梁前移的摩擦力而傾倒。承力柱間設A，B 2道固定式橫梁和1道活動橫梁，橫梁A上左、右各放置1臺豎向千斤頂，千斤頂上方與活動橫梁相連，可通過調節千斤頂伸縮量以適應橋梁的豎曲線；活動橫梁與主桁梁接觸位置放置聚四氟乙烯滑板，減小主桁梁頂推時的摩擦力。為適應復雜工況需要，輔助支腿各構件可拆卸、可調節高度、可整體移動、可局部拆解后過梁、可分解成3部分通過支腿間的狹窄空間重新拼裝成整體。

3.5 架橋機壓力監測系統

架橋機壓力監測系統主要監測架橋機支腿下壓力，由壓力傳感器和軟件系統組成，壓力傳感器將監測數據實時傳回到中央控制系統，本工程在架橋機前支腿設置了壓力傳感器，壓力監測系統及測點布置如圖8所示。

圖8 架橋機壓力監測系統

架橋機作業時，根據懸臂施工T構整體穩定性及主梁頂板受力需求設置壓力警戒值和紅線，到達警戒值后中控系統開始示警。若壓力繼續增長到達紅線且無人為干預時，中控系統將使架橋機強制停車，保障施工安全；此后需人為重啟方可繼續運行。

3.6 架橋機主要參數

經過上述設計，架橋機結構的主要參數為：整機工作級別為A3，額定起重量為2×120t，最大懸臂長度11.2m(有效懸臂8m)，天車起升速度0～1m/min(重)與0～2m/min(空)，支腿液壓行走速度0～1m/min，支腿液壓千斤頂橫向調節量±500mm，架設梁型為U形+箱形梁，最大跨度(40+40)m，最大起升高度30m，天車行走速度0～5m/min，支腿液壓頂升速度0～0.5m/min，天車橫向調節量±500mm。節段的最大起重量為120t，最大起升高度為30m，工作狀態下架橋機的最大懸臂長度為8m。由參數數據可見，架橋機架設能力可滿足工程需求。

4 結構分析

架橋機作為一種超大型起重、吊裝、懸空移動式施工裝備，它的每個動作都會引起自身結構受力的重大變化。因此，本文根據架橋機通用技術條件及工程需求，運用數值分析軟件建立計算模型對架橋機的各工況進行了驗算，各工況結果均符合要求，模型如圖9所示。

圖9 數值分析模型

4.1 架梁工況

將吊梁拼裝過程中各工況下架橋機受力變形結果列于表1，可知整個吊裝過程中，架橋機的應力與變形均可滿足規范要求。

表1 架梁過程中架橋機受力變形

4.2 過孔工況

過孔過程中主桁梁最不利工況(主梁懸臂最大43m)時的計算結果如圖10所示。有限元模型計算結果顯示，架橋機主桁梁最大豎向撓度為350mm，出現在主桁梁懸臂端頭，但仍可保證架橋機主桁梁完成過孔，符合GB/T 26470—2011《架橋機通用技術條件》中5.2.18節 b)條“過孔時架橋機懸臂端撓度應使架橋機在規定的支承跨度和縱向坡度條件下順利過孔”的要求。下弦最大壓應力為128MPa，上弦最大拉應力為139MPa，均出現在懸臂根部支腿上方位置的主梁內，且數值都處在[σ]=315/1.7=185MPa的安全許用應力范圍內。綜上所述，最不利工況下架橋機在剛度和強度方面均符合安全要求。

圖10 最不利工況示意

5 工作原理

5.1 架設梁段

1)步驟1 0號塊現澆完畢達到結構強度后，用汽車式起重機將2個支腿分別吊運至0號塊兩側頂部，再將1個支腿吊運至邊墩頂部。將架橋機主桁梁吊至支腿上方拼接，安裝天車及電氣系統后，架橋機組裝完成(見圖11a)。

圖11 架梁流程示意

2)步驟2 左側天車從邊跨提升中跨1號塊，吊具橫梁旋轉90°后停在0號塊上方，右側天車提升邊跨1號塊至安裝位置后靜止(見圖11b)。

3)步驟3 左側天車繼續向左前行，吊具橫梁反向旋轉90°后將中跨1號塊吊運至安裝位置(見圖11c)。

4)步驟4 精確調整梁塊的方位，使2個梁塊與0號塊對位安裝(見圖11d)。

后續梁段吊裝與上述步驟相同，且由于架橋機采用前后對稱設計，故過孔后的施工無須掉頭，直接反方向施工即可。

5.2 整體前移

1)步驟1 將前支腿(1號支腿)收起，前移至預定位置，調節前支腿豎向伸縮套筒高度，保證主桁梁水平后固定前支腿，中(2號)、后(3號)支腿前移方式與此相同。

2)步驟2 頂推3個支腿頂部縱向千斤頂，使主桁梁前移至指定位置后與支腿固定。

3)步驟3 前進到位后，測量架橋機軸線與橋梁軸線夾角，計算得到架橋機3個支腿處的橫向偏移量，頂推支腿底部橫向千斤頂，實現架橋機平轉到位。

5.3 過孔

1)步驟1 架設完成部分梁段的架橋機過孔前姿態如圖12a所示，在對岸墩頂架設好輔助支腿后，通過支腿頂部縱向千斤頂向前頂推架橋機主桁梁。

圖12 過孔流程示意

2)步驟2 架橋機主桁梁前端支承在輔助支腿頂部后，拆除架橋機最后方的3號支腿，用起重機吊運至輔助支腿前方，如圖12b所示。

3)步驟3 繼續頂推主桁梁，直至主桁梁前端支承在3號支腿上方后，將輔助支腿吊運至1，2號支腿間，充當架橋機后支點，如圖12c所示。

4)步驟4 拆除2號支腿到對岸邊跨墩頂，頂推主桁梁越過輔助支腿后，將輔助支腿移動至懸臂端1號支腿后方繼續充當架橋機后支點，通過天車吊運1號支腿到對岸懸臂端頭后，繼續頂推主桁梁完成過孔，最后拆除輔助支腿，如圖12d所示。

6 結語

現場實際施工驗證表明，該架橋機具有操作簡單、安全可靠、安裝高效等特點，整體施工性能優異。該架橋機不僅體積上能適應較局促的施工現場條件，功能上也能高效而安全地完成該橋梁特殊的架設與過孔工況，該架橋機的成功研發開創了架橋機利用已建結構架設施工的先例，為架橋機適應更多復雜工況提供了新思路，為類似工程的架橋機設計提供了寶貴經驗。