大噸位橋面吊機模塊化設計思想及其應用

金東華

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海預制拼裝橋梁建造產業技術創新戰略聯盟 上海 200433

1 問題的提出

隨著全國高速公路網及鐵路網的發展和不斷完善，在越江跨海工程中，大跨度橋梁越來越多，且跨徑越來越大、橋面越來越寬、安裝精度要求越來越高，這為橋面提升設備的設計及選擇帶來了很大的困難。

大跨度橋梁橋面主梁結構形式通常采用鋼箱梁或鋼桁架梁，橋面吊機結構應能適應不同主梁結構形式。通常對于鋼箱梁來說，吊機的支錨結構形式及錨固點的設計限制相對寬松些，但對于鋼桁架梁來說，支錨結構必須與桁架節點相一致。此時，設計出一種既能滿足鋼箱梁，也能滿足鋼桁架梁吊裝的通用性較強的橋面吊機結構形式顯得尤為重要，也是模塊化設計問題提出的內在需求[1-3]。

2 大噸位橋面吊機設計方法研究

2.1 確定設計參數

大噸位橋面吊機的設計首先取決于設計參數的確定。先要確定吊段的參數，因此需要對橋面梁進行合理分段。分段吊重決定了設備的額定荷載能力；分段縱向長度，決定了設備結構的懸臂長度；分段寬度大小，決定了設備的橫向跨距。然后，應對主梁吊裝環境進行分析，如對航道的封航時間決定了提升速度；對于不同主梁結構形式，吊機應滿足不同的縱橫向調整要求；主梁節段間的連接方式也決定了吊機調整的精度要求。

2.2 橋面吊機模塊化設計思想及其方法

在確定了設計參數以后，需要確定提升設備結構形式的總體技術路線。這部分內容包括橋面吊機總體結構形式的確定、動力系統的形式及配置設想、控制系統的設計及配備原則等。模塊化設計思想首先要求把橋面吊機分成相對獨立的幾大系統。主要包括主承載結構體系、動力及控制系統、定位支錨結構系統、走行系統、其他輔助系統（包括精確調整裝置，平臺走道結構等）等5大系統。

模塊化設計思想要求，主承載結構與支錨結構分離設計，以達到適應不同主梁結構形式的目的。主承載結構與動力控制系統可采用通用化設計，根據額定荷載以及適用的主梁節段長度，通過結構分析，采用自動化液壓控制系統，設計合理的受力體系，可根據主梁設計限界進行獨立設計，如采用低重心的桁架結構形式或者菱形支架結構形式。支錨結構可根據橋面主梁結構形式，采用墊梁和錨梁連接吊機主承載結構與橋面主梁，考慮拆裝方便，支錨結構與吊機主承載結構的連接通常采用高強螺栓或銷軸，支點與橋面主梁通過承載千斤頂或者鋼墩墊實，錨點采用螺桿與橋面吊點連接。

3 模塊化設計思想在某大橋主跨橋面吊機設計中的應用實踐

3.1 大橋主梁結構形式分析

上海市黃浦江某雙層公路跨江大橋，全長1 212 m，主跨跨徑為708 m，一跨過江。大橋主跨橋面結構為鋼桁架結構，正交異性橋面板和鋼桁梁結合的組合結構，通過邊中邊跨鋼梁結合段與邊跨鋼混結構相連。鋼桁梁采用N形桁架結構，其中，結合段節段長10.9 m，標準段節段長15.1 m，合龍段節段長26.5 m。上橋面總寬43.6 m，為8車道高速公路，下橋面寬28 m，為6車道地方道路，主桁橫向間距27 m，主梁總高11.7 m（圖1、圖2）。

圖1 橋面主梁節段立面示意

圖2 橋面主梁節段斷面示意

根據總體安裝技術路線，本橋橋面主梁采用專門設計加工的橋面吊機水上垂直提升安裝。且由于吊裝作業面位于黃浦江上，對黃浦江航道有一定影響。水上作業時，駁船位于黃浦江航道上，需要對黃浦江航道實施局部封航，同時，根據海事及航道部門的要求，整個吊裝作業必須在3～4 h完成，并解除封航，所以，對橋面吊機垂直提升速度提出了很高的要求。

另外，雙層桁架梁節段體量大，質量重，標準段最重達540 t，合龍段重達720 t。且由于結構為桁架體系，提升設備支錨點位置必須設置在主桁梁上，局限性較大。同時，在施工控制方面，由于本橋斜拉索錨固在邊弦桿上，橋面吊機錨固在主弦桿上，當節段質量從橋面吊機卸載，轉移至斜拉索過程中，前后節段將產生相對變形，不利于焊接間隙的調整。為此，必須盡量減輕橋面吊機結構自身的質量，降低不利影響。

3.2 橋面吊機設計參數確定

基于上述分析，根據安裝節段的結構參數以及不同工況要求，橋面吊機的設計參數確定如下：

1）吊機設計額定起重量400 t，單點額定起重量200 t。吊裝標準段時，實際荷載大小分配大致為：前頂最大起重量為175 t，后頂最大起重量為120 t。

2）吊機最大提升高度50 m。

3）吊機提升速度15～20 m/h，每個節段的提升應在3～4 h完成。

4）構件位置調整：最大縱向移動距離400 mm，最大角度調整3°。

5）吊機單次行走距離15.1 m。

3.3 橋面吊機設計要點

基于橋面吊機模塊化設計理念，將橋面吊機系統主要分為主承載結構、動力及控制系統、定位錨固系統、行走系統、輔助系統等5大部分。其中，主承載結構、動力及控制系統可以實施通用化設計，對于一臺設備而言，這兩部分是核心部件，實施通用化設計可大大節約設計及施工成本。其余3大系統應與橋面結構相匹配，進行專門設計。

3.3.1 主承載結構形式

本橋橋面吊機主承載結構可采用通用化設計，桁架結構可采用定長裝配式，設計定尺定長桁架，通過不同組合形式，采用銷軸連接，適應不同大橋主梁分節長度及不同結構形式。格構式鋼塔可選用合理高度，拉索體系可采用定尺定長連接可調拉板解決不同梁長需求。

雙層桁架橋橋面較寬，主桁架橫向間距大，因此，提升設備考慮采用上下游分離式；考慮設備的自重要求，以及提升設備結構前端懸臂較長，確定主體結構采用桁架體系；為解決橫向穩定問題，考慮采用低重心的形式；為進一步減少設備結構用鋼量，主要承重結構擬采用斜拉索自錨固體系。

主要承重體系包括3部分：主梁，鋼塔和斜拉索。整個結構呈三角形，三角形的底邊為主縱梁，另外兩條邊為斜拉索，高是鋼塔。主縱梁采用全焊接桁架形式，鋼塔采用格構式，頂部設置鋼錨梁，斜拉索采用平行鋼絲成品索。斜拉索應預張拉一定程度，使主縱梁產生反向變形（相對吊重后的主梁變形），提高其豎向承載力，同時降低用鋼量和吊機質量（圖3、圖4）。

3.3.2 動力及控制系統的設計

在橋面吊機各系統模塊化設計中，動力及控制系統的配置仍應結合主承載系統設計而配置，也就是說，動力系統可與主承載系統配套設計和裝配。

圖3 橋面吊機布置

圖4 橋面吊機承載結構

一般而言，橋面吊機提升動力系統有卷揚機系統和液壓提升系統2種方式。卷揚機系統通過滑輪組穿多道鋼絲繩提供較大的豎向提升力，提升系統構造簡單、經濟，無論提升還是下放均較為方便，但隨著鋼絲繩道數與滑輪組的增加，提升速度降低，另外，采用鋼絲繩卷揚機系統，調整精度較低。液壓千斤頂提升系統可通過計算機控制進行同步或單獨控制每一臺千斤頂，且液壓千斤頂提升速度相對穩定，適應本工程吊段質量重但封航時間較高的目標要求；結構工地連接采用全焊接，焊接過程有一定時間，因此在節段吊裝過程中，對吊段的精確調整以及對提升到位的吊段進行臨時鎖定的要求較高。

主提升系統結構主要設計滿足安裝與調整提升千斤頂的吊架、吊具和縱向調整滑車、滑軌等結構。動力裝置的設計與安裝主要包括主提升千斤頂、位置調整系統、泵站供油系統等一整套滿足吊裝工況的設備及裝置的設計與安裝。每臺泵站配置1個現場控制器，每個現場控制器控制若干臺提升千斤頂。

3.3.3 定位錨固系統的研究

在吊機模塊化設計中，墊梁與錨桿系統可根據吊機主承載結構與橋面主梁結構體系，進行針對性設計，個性化設計，以滿足吊機工作穩定以及橋面主梁的受力要求。

定位錨固系統連接橋面主梁與吊機承載結構，實現吊機精確調整定位以及吊機的自錨固。根據本橋桁架梁的結構受力特點，橋面吊機支錨點結構設置在橋面上弦桿上。結合行走系統的設計，同時考慮到前支點反力的擴散，前支點結構形式采用墊梁以及千斤頂組支承橋面上；考慮到盡量減小前支點以及后錨點的反力，后錨點錨固長度為一個半節間，且使用節段吊裝吊點進行錨固，在工廠內完成安裝。

吊機前支點墊梁采用變截面箱形梁，設置3個鋼墩，主要受力鋼墩為位于橋面結構主桁上的中間位置鋼墩，兩邊位于小縱梁位置的為穩定鋼墩（圖5）。墊梁頂面與主桁架下弦桿通過螺栓連接，底面與主要受力鋼墩通過螺栓連接，這部分為等截面箱梁，往兩端為截面逐漸減小段，兩端部各設置1臺200 t自鎖式千斤頂，千斤頂下部為穩定鋼墩。在墊梁主要受力鋼墩與穩定鋼墩之間布置吊機行走系統。墊梁上通過1根斜撐對桁架做橫向穩定支撐，斜撐上端與吊機主縱梁桁架相連。吊機后錨點錨固系統吊機主縱梁桁架下弦桿最后兩個結間各設置1根箱形錨梁，再用2根高強度螺桿與橋面吊耳連接（圖6）。

圖5 前支點結構

圖6 后錨點結構

3.3.4 行走系統設計

橋面吊機作為一套完整的吊裝設備，除了上述3大系統，還應具備自行走能力，同時，應設置完善的操作平臺及通道系統，進行人性化設計。

行走系統的設計，首先應根據吊裝設備的重心位置，在結構縱向合適的位置設置前后2個支點，前支點采用墊梁裝置，墊梁下部兩側對稱于主結構的適當位置布置2根滑道，采用大行程液壓千斤頂將滑道與墊梁通過銷軸連接。動力裝置安裝在前支點，通過千斤頂伸縮實現設備與軌道交替前進（圖7），后支腿采用多排尼龍滾輪作為從動，在前移過程中，可保證設備直線移動（圖8）。本裝置操作簡便，移動速度快。

圖7 行走動力系統

圖8 行走從動輪

4 結語

本次橋面吊機的設計與應用表明，專門設計加工的橋面吊機能滿足鋼混結合段、標準段、合龍段不同工況下的吊裝作業。通過模塊化設計與加工，各模塊系統間協調工作，整體穩定可靠，吊機適用性強，可通過不同墊梁及錨梁的設計，來適應不同橋面主梁結構形式。