大西客運專線鐵路48 m/1 600 t下承式造橋機研發

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節段拼裝雙線簡支梁，每孔11個節段，其中端部節段2節，每節長3.2 m，其余節段長度3.9 m，梁高4.628 m，底板寬5.5 m，頂板寬12.0 m，節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。根據設計要求，48 m節段拼裝簡支箱梁采用造橋機拼裝施工。目前國內外造橋機主要有上承式和下承式2種形式，其優缺點比較見表1。

晉陜黃河特大橋48 m簡支箱梁節段拼裝作業區域地處黃河灘地，作業位置墩高均大于50 m，作業面處于高空、大風、嚴寒等惡劣環境下，施工任務量大，作業歷時周期長，在高空條件下采用上承式造橋機作業存在極高安全風險。結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節段梁拼裝施工作業。圖1、圖2為下承式造橋機現場施工場景。

表1 上承式、下承式造橋機性能比較

圖1 建設中的晉陜黃河特大橋

圖2 造橋機節段吊裝作業

2 下承式造橋機特點及總體技術條件

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場安全作業需求，主要具有以下特點:

(1)橋機整體重心降低，橋機拼裝、濕接縫作業及過孔安全風險降低;

(2)利用支撐橫聯作為濕接縫施工平臺，加大濕接縫施工安全系數;

(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)天車設置了360°旋轉系統，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條件

(1)整機及天車工作級別:A4;

(2)架設跨度:49.6 m(預留可架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:360°;

(12)起重機橫向調整最大距離:±0.6 m;

(13)最大懸掛重量/節段數: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 下承式造橋機作業程序

(1)造橋機的拼裝及預壓

總結國內其他大型龍門吊安裝的成功經驗和教訓，結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，拉好纜風繩。主梁采用在現場地面分組拼接，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，相比過去國內傳統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點。

造橋機的預壓是非常重要的一個環節，消除整機非彈性變形，實測彈性變形的數值，為今后節段拼裝積累可靠的數據，縮短節段拼裝精調時間。造橋機型式試驗模擬荷載按施工狀態下實際工況加載，即2個端部節段放置于墩頂上，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)節段梁拼裝工藝實施

造橋機姿態調整完成后，預留3個節段支撐橫聯處于打開狀態，供吊裝端部節段。結合預壓得出彈性變形數值，通過二次拋物線法計算出支撐橫聯桿頂高程，對橋機各支撐點設置反拱。利用場內200 t龍門吊將待架節段移至運梁車上，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將預制節段布置在造橋機上，支撐在調節支撐上;考慮到端部、變截面節段梁體自重大，采用起重天車在主梁中部提梁，3節中部標準段在前導梁部位提梁。

(3)濕接縫及預應力施工

節段梁精調到位后，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計強度的90%且彈性模量達到設計值后，按照張拉順序及相應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;張拉結束后24 h內完成壓漿工作。

(4)下承式造橋機過孔

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

第二步:前后輔助支腿支撐穩定后，利用天車上的小卷揚機導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，打開后導梁輔助橫聯，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，根據放樣中線調整橋機姿態，連接剩余支撐橫聯，復核支撐橫聯高程，經調整無誤后，開始進行節段箱梁的拼裝。

4 下承式造橋機的結構設計

4.1 下承式造橋機總體組成

晉陜黃河特大橋48 m節段拼裝造橋機主要由主結構(包括主框架、前導梁及橫聯和后導梁)、主支承(包括前、后支腿，中支承和后支腿)、托架臺車倒運機構、節段支撐橫梁、起重系統(包括起重天車、天車吊具及輔件)、濕接縫外模板、運梁車系統、液壓系統、電氣系統等組成，能夠進行48/32 m跨節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。前后導梁上面各設置輔助支腿，主桁下面設置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造見圖3、圖4。

4.2 下承式造橋機的結構特點

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

(3)造橋機設計10道全自動液壓翼式支撐橫聯，既可支撐預制節段，又作為濕接縫施工作業平臺，另外可連接兩側主桁，確保造橋機過孔時的整體穩定性。如圖5所示。

(4)造橋機過孔設計了全液壓自動頂推系統，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)在起重天車上設置360°自動旋轉系統，解決節段提升通過主桁問題。

(6)橋機設計抗風等級:6級及以下風力可以架梁，非工作狀態時7級風無須采取防御措施。

圖5 自動液壓翼式支撐橫聯

圖6 全液壓自動頂推系統

4.3 下承式造橋機主要受力分析及設計參數

(1)結構模型的建立

設計荷載包括橋機主梁、導梁自重，天車重1 000 kN，托架重300 kN，梁塊重17 000 kN及風荷載。造橋機作業主要有以下4種工況:

①滿跨加載狀態;

②導梁最大前懸臂狀態;

③倒運支腿狀態;

④過孔工況，造橋機整機縱移過孔;

其中①、②工況為作業過程中的危險工況，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。考慮整個橋機的結構以及各個工況中荷載的對稱性，建模時除工況二的橫向風荷載計算中取整體結構進行計算，其余工況均取結構的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，絕大部分網格為形狀規則的4節點四邊形單元，局部使用退化的4節點三角形過渡單元;

②桿件采用beam189單元離散，并根據結構實際尺寸定義梁截面，同時建立參考點控制面的方向。

經過網格劃分，橋機1/2結構有限元模型共有197 896個節點，191 166個單元，整體有限元模型共有384 732個節點，372 694個單元。

(3)計算結果

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節點上，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力集中部位出現在主梁端部第二、三孔周圍，最大MISES等效應力為368 MPa。造橋機在該位置材料使用雙層Q345C鋼板，容許應力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，導梁根部上翹152 mm。按照《鋼結構設計規范》(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力分布

圖9 造橋機滿跨加載狀況Y向位移分布

②導梁最大前懸臂狀態

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

圖10 導梁最大懸臂狀況荷載分布

由圖11可知，造橋機導梁處于最大懸臂工況下造橋機的最大Mises等效應力位于主梁根部的油缸鉸座處，最大應力為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 導梁最大前懸臂狀況Mises應力分布

圖12 導梁最大懸臂狀況Y向位移分布

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

5 提升站組成

晉陜黃河特大橋48 m節段拼裝簡支箱梁兩端均為大跨徑連續梁，連續梁梁部完工時間較晚，同時節段梁部分上跨國家濕地森林公園，地面土質濕軟，不具備用運梁車進行節段梁運輸的條件，考慮到梁場緊鄰首孔梁拼裝位置，結合墩身及梁部構造，特在梁場位置墩旁設計垂直提升站，將節段提升至已架設橋面上，然后由梁頂上的運梁車運輸至架設位置。利用提升站將節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，節約了項目施工成本，同時梁頂平整度為節段梁運輸提供了良好的道路環境。

提升站主要由主結構、起升機構、小車及電氣系統等4部分組成(圖13)。

(1)主結構由墩旁托架、橋架、空間門架和拉桿組成起重機主要承力結構。

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。主要結構件由鋼板拼焊成箱形結構，材質為Q345C。

圖13 墩旁垂直提升站構造

②橋架:采用偏軌箱形雙梁結構，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側腹板上方，橋架與拉桿的連接點及橋架與門架的連接點均設在兩箱梁外側腹板處。

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構，材料Q345C，門架中部留有足夠空間用于節段梁片的通過。

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

(2)起升機構

起升機構選擇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。

起升機構由變頻電動機驅動，經齒輪聯軸器帶動減速器，減速器低速軸帶動繞有鋼絲繩的卷筒，控制電動機正、反轉，就可實現吊鉤的上升和下降。起升速度為0～3 m/min。

(3)安全報警裝置

電氣系統設有總過流保護，各機構極限保護、超載保護、失壓保護，過電壓和欠電壓以及過電流保護由PLC裝置實現各自控制，斷電保護。

(4)防風裝置

提升站工作風壓按300 N/m2設計，非工作狀態計算風壓為1 500 N/m2，提升站上部小車設計有防風反鉤，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，有效地增加了防風安全性。墩旁垂直提升站施工現場圖片見圖14、圖15。

圖14 墩旁垂直提升站

圖15 墩旁垂直提升站作業

6 結語

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

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