900 t纜載起重機設計*

梁 輝

中鐵九橋工程有限公司 九江 332004

0 引言

自20世紀90年代以來，隨著廣東汕頭海灣大橋的開工建設，拉開了我國現代化懸索橋建設的序幕，我國成功建成了廣東虎門大橋、廣州珠江黃埔大橋、廈門海滄大橋、潤揚長江大橋、武漢鸚鵡洲長江大橋等大跨度懸索橋，纜載起重機作為懸索橋主梁安裝施工的專用設備，其應用也日益廣泛。近年來，我國啟動了武漢楊泗港長江大橋、連鎮鐵路五峰山長江大橋這2座千米級特大懸索橋的建設，對纜載起重機的額定起重量和工作效率提出了更高要求，故需對纜載起重機進行創新設計。

1 工程概況

楊泗港長江大橋為主跨1 700 m 的雙層鋼桁梁公路懸索橋，主纜直徑為1 088 mm，主纜間距為28 m，吊索標準間距為18 m，主橋加勁梁為華倫式桁架全焊結構，桁高為10 m，節間距為9 m，主桁橫向中心距為28 m，鋼梁橫斷面布置如圖1所示。鋼梁采用整體節段制造安裝，標準節段長為36 m，最大質量為1 050 t；特殊節段長為17.57～26.5 m，最大質量為784 t。

圖1 楊泗港長江大橋鋼梁橫斷面

五峰山長江大橋為主跨1 092 m的雙層鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，主纜直徑為1 300 mm，間距為43 m，吊索標準間距為14 m，主橋加勁梁為板桁結合鋼桁梁結構，桁高為16 m，節間距為14 m，主桁橫向中心距為30 m，鋼梁橫斷面布置如圖2所示。鋼梁采用整體節段制造安裝，標準節段長為28 m，最大質量為1 760 t；特殊節段長為11.2～14 m，最大質量為694 t。

圖2 五峰山長江大橋鋼梁橫斷面

2座懸索橋梁段質量較大，所需纜載起重機的起重量與以往設備（此前國內最大的纜載起重機為應用于武漢鸚鵡洲長江大橋的500 t纜載起重機）相比將近翻了一番，量變引起質變，起重量的大幅提升加大了纜載起重機的設計難度，而為了降低成本，2座懸索橋要采用同一套設備施工，故需纜載起重機具備極強的通用性。

2 纜載起重機主要技術要求

1）起重能力 纜載起重機的起重能力，需滿足2座大橋最重達1 760 t的標準節段梁、最重達784 t的特殊節段梁的安裝要求。

2）通用性 該纜載起重機需先后應用于楊泗港長江大橋、五峰山長江大橋，但2座懸索橋的主纜直徑、主纜間距、梁段長度、吊點位置等參數均不相同，為節約改造成本，在設計時應盡可能提升通用性，減少適應2座大橋時的改造量。

3）快速化施工與安全性 2座大橋均為國家重點工程，工期緊張，需提升纜載起重機的自動化水平和工作效率，并采取充分的安全措施確保鋼梁的安裝安全高效。

3 總體方案選擇

3.1 額定起重量的選擇

2座大橋最重標準節段梁達1 760 t，最重特殊節段梁達784 t，若采用單臺纜載起重機吊裝最重的標準節段梁，則纜載起重機額定起重量過大，由此造成的不利影響有：1）會導致起重機結構尺寸及配套設備巨大，整機自重過大，鋼梁提升和空載行走過程中均會對主纜產生較大壓力，主纜局部應力較大；2）纜載起重機提梁作業主要依靠主纜索夾來承受纜載起重機的下滑力，單機下滑力過大則索夾有滑移的風險；3）2座大橋鋼梁節段尺寸（最長36 m）較長，配置的吊具較大，也會增加整機質量。

綜合考慮以上因素，采取雙機安裝標準節段梁、單機安裝單節特殊整節段梁的方式，選擇單機額定起重量為900 t，雙機聯動作業起重能力達1 800 t，即可滿足2橋鋼梁的安裝要求。

3.2 提升方式的選擇

纜載起重機的提升方式有卷揚機提升和液壓千斤頂提升2種。采用卷揚機提升，其提升速度較快，當起重量和起升高度增加時，鋼絲繩直徑和長度增加，卷揚機增大；當卷揚機安裝在纜載起重機內時，纜載起重機主桁架需進一步加大，技術可行性和經濟性降低，故卷揚機提升方式不太適于起重量和起升高度較大的鋼梁安裝。若采用液壓千斤頂提升，其起重量大、提升高度大、同步控制精度較高、結構尺寸較為緊湊，提升速度較慢，最大約為30 m/h，且設備成本相對較高。

考慮到同步控制精度和結構尺寸緊湊的優勢，故選擇液壓千斤頂提升方式，并對提升系統增加空載快速下放功能，以提高施工速度。

3.3 牽引方式的選擇

纜載起重機的牽引方式有卷揚機牽引和液壓千斤頂牽引2種。若采用卷揚機牽引，其牽引速度較快，且鋼絲繩收放操作簡單，人工輔助工作較少。若采用液壓千斤頂牽引，其牽引速度較慢，鋼絞線收放時人工輔助工作較多。為了提升纜載起重機的行走效率，選擇卷揚機牽引方式。

4 主要技術參數

單臺纜載起重機的額定起重量為900 t，雙機聯合作業時額定起重量可達1 800 t，可滿足楊泗港長江大橋和五峰山長江大橋鋼梁安裝施工需求，單臺纜載起重機適應主纜中心距為28 m、43 m，適應主纜直徑為1 088 mm、1 300 mm，適應主纜最大坡度為30°，載重提升速度為30 m/h，空載動力下放速度為80 m/h，鋼絞線卷線盤容量為250 m，起升高度為75 m，整機自重為330 t。

5 主要結構組成

如圖3所示，單臺900 t纜載起重機由1個主桁架、2套提升機構、2套行走機構、2套牽引系統、2個吊具、液壓系統、電氣控制系統等組成。

圖3 900t纜載起重機總體布置

5.1 主桁架結構

如圖4所示，主桁架分為承重梁和中間桁架2部分，兩端的承重梁上安裝液壓提升千斤頂，為主要承重結構。中間桁架對主桁架整體起剛性支撐作用，桁架內安裝鋼絞線收放裝置、液壓泵站、主控臺、駕駛室等，并為施工操作提供工作平臺。承重梁與中間桁架的連接、中間桁架各節段之間的連接均采用銷軸連接，其他部件之間的連接多為螺栓連接。

圖4 主桁架結構

5.2 提升機構

如圖5所示，單臺900 t纜載起重機設有2套提升機構，單套提升機構由1臺600 t提升千斤頂、1個鋼絞線導向裝置、1個鋼絞線卷線盤、1束鋼絞線等組成。

圖5 提升機構示意圖

提升千斤頂由主液壓缸、上下錨具液壓缸、安全錨具液壓缸、鋼絞線導向管、支撐立柱等組成。主液壓缸為穿心式液壓缸，最大工作壓力為31.5 MPa，行程為400 mm，額定推力為600 t。為了防止鋼絞線在液壓缸內部折斷或損壞，在液壓缸內部設置有鋼絞線導向管。提升千斤頂設有安全錨具液壓缸，工作時處于常開狀態，非工作狀態或意外狀態自動夾緊鋼絞線，能更好地提高提升作業及更換夾片時的安全性。

鋼絞線卷線盤的容量為250 m，由液壓馬達驅動，通過電液比例調速技術既能適應提升工況的慢速轉動，又能實現纜載起重機空載快速下放吊具，下放速度可達80 m/h。鋼絞線直徑為17.8 mm，每束鋼絞線為40根，左旋、右旋交錯布置。

5.3 行走機構

如圖6所示，行走機構由行走端梁、行走輪、行走輪升降液壓缸、承壓塊及抱箍、下滑力傳遞抱箍、防走偏裝置等組成。行走輪升降液壓缸和行走輪裝于行走端梁內，行走輪可在升降液壓缸作用下沿端梁內的導向裝置做伸縮動作。行走輪采用MC尼龍材料，以避免損傷主纜鋼絲。

圖6 行走機構示意圖

承壓塊將纜載起重機提梁作業時整機的壓力和下滑力分別傳遞至主纜和索夾，是起重機的重要受力部件。單個行走機構設有3個承壓塊，中間承壓塊較大，工作時作為主支撐，承受大部分壓力荷載；兩端承壓塊為輔助支撐，此方式可避免端梁承受較大的彎曲荷載。3個承壓塊均可獨立傳遞提梁工況時的整機下滑力，極大增強了纜載起重機在主纜上站位的靈活性。

該機構的基本工作原理：在鋼梁吊裝工況下，行走輪縮回，承壓塊支撐于主纜上，并緊靠臨近的索夾，同時抱箍抱緊主纜，所有壓力荷載通過承壓塊傳遞至主纜，下滑力則傳遞至索夾。在行走工況下，抱箍張開，行走輪伸出支撐于主纜上，使行走機構整體抬高，承壓塊脫離主纜，牽引系統工作帶動整機行走，通過行走輪的伸縮動作依次邁過索夾。

每個行走端梁上還設有4個防走偏裝置，防走偏裝置下部設有接近開關。當行走機構走偏時，接近開關就會發出警報并停止行走。防走偏裝置同時還具有防止纜載起重機墜落的安全保護功能。

5.4 牽引系統

如圖7所示，牽引系統由正向牽引卷揚機、錨定抱箍、定滑輪組、動滑輪組、反向牽引卷揚機、反向錨定抱箍、鋼絲繩等組成，正向牽引卷揚機和反向牽引卷揚機均采用液壓驅動。當纜載起重機牽引行走時，錨定抱箍緊靠索夾并抱緊主纜，定滑輪組安裝在錨定抱箍上，正向牽引卷揚機收放鋼絲繩可實現纜載起重機的爬坡或下放行走。纜載起重機下放行走至跨中平坡區域時，其自重產生的下滑力不足以克服行走輪的摩擦力，此時反向牽引卷揚機可提供一個反向牽引力，帶動纜載起重機下行。

圖7 牽引系統示意圖

如圖8所示，當2臺纜載起重機聯機作業時，其間距較小，下方的1臺纜載起重機錨定抱箍無法安裝，此時可直接將定滑輪組安裝在前方纜載起重機的行走端梁尾部。

圖8 雙機聯機作業牽引系統示意圖

5.5 吊具

如圖9所示，吊具由扁擔梁、錨頭、C形框、吊具液壓缸、分配梁、鋼絲繩等組成。在吊梁工況下，可通過吊具液壓缸推動C形框，調整C形框與扁擔梁的相對位置以適應不同鋼梁的重心位置變化。吊具與鋼梁吊點之間采用環形鋼絲繩軟連接，可適應鋼梁吊點局部位置偏差，使吊具與鋼梁的連接更加方便快捷。

圖9 吊具示意圖

5.6 液壓系統

單臺纜載起重機含有2個主液壓泵站、2個吊具液壓泵站。每個主液壓泵站驅動1套600 t提升千斤頂、4個行走輪伸縮液壓缸、1個收線盤馬達、1個牽引卷揚機馬達以及1個反向牽引卷揚機馬達，主液壓泵站用柴油機直接驅動多個串接在一起的液壓泵。每個吊具泵站驅動1個吊具液壓缸。主泵站液壓系統采用負載敏感液壓系統，其特點是液壓泵提供的壓力和流量始終與執行元件的需求一致，系統無溢流，節能效果好，且能實現高精度同步控制。

5.7 電氣系統

電氣系統采用分布式計算機網絡控制系統，由主控臺、泵站啟動箱、現場控制箱、控制盒、傳感器等組成，所有檢測信號經過數據線傳送到主控臺，主控臺根據各傳感器采集到的壓力、位置信號按照控制程序和算法決定液壓缸的動作順序，完成多個液壓缸的協同工作，同時控制比例閥的開口大小，驅動液壓缸以規定的速度動作，從而實現各液壓缸的同步控制。2臺纜載起重機聯合作業時，可確定1臺作為主控，1臺控制系統將被鎖定。

6 關鍵技術與創新設計

6.1 同步提升控制技術

在雙機聯合提梁工況下，2臺纜載起重機共用1套控制系統，實現4套提升系統協同工作。其控制策略位為位移同步、載荷監控，通過位移傳感器、比例閥的反饋控制實現多個千斤頂的提升同步精度在5 mm以內，同時監控并限制單個千斤頂的壓力，可避免單個吊點超載。以初始調平狀態各吊點的位置和荷載為基準，當吊點位移偏差達到50 mm或荷載偏差達到10%時，系統自動報警，此時需手動調節至同步、均載后，才能繼續提升。

6.2 同步牽引控制技術

正向牽引卷揚機為液壓卷揚機，在每個正向牽引卷揚機上設置旋轉編碼器，旋轉編碼器發出信號至主控系統。當旋轉編碼器不同步時，主控系統通過計算后輸出信號控制比例多路閥的開度，從而改變正向牽引液壓卷揚機的速度，實現左右2個正向牽引卷揚機的同步。另外，還在每個行走端梁的前后端各設置1個接近開關，每當接近開關經過1個索夾時均發出信號，對同步信號進行歸零校準，可避免累積誤差。

6.3 變倍率快速行走技術

懸索橋主纜呈近似懸鏈線形狀，其越靠近跨中的位置坡度越小，纜載起重機行走時所需的牽引力也越來越小。利用這一特點，將牽引系統設計為倍率可變的結構，其滑輪組可選擇16倍、12倍、8倍、4倍等多種倍率模式。

正向牽引液壓卷揚機額定拉力為10 t，出繩速度為0～10 m/min，鋼絲繩長度為600 m，在最大倍率16倍工況下，纜載起重機最大行走速度為37.5 m/h，倒換一次錨定抱箍可行走36 m；在最小倍率4倍工況下，纜載起重機最大行走速度為150 m/h，倒換一次錨定抱箍可行走144 m。在提升行走速度的同時，也減少了倒換錨定抱箍的次數，行走效率大幅提升。

6.4 2橋通用性設計

1）主梁通用性設計

如圖10所示，主桁架采用模塊化設計，應用于楊泗港長江大橋架梁作業時，其橫橋向間距為28 m，吊點間距為22 m；應用于五峰山長江大橋架梁作業時，其橫橋向間距為43 m，吊點間距為30 m。只需在兩端承重梁各增加1段3.5 m的橫梁替換掉斜拉桿，再在中間桁架增加1個8 m節段，即可滿足五峰山長江大橋的施工要求。

圖10 主桁架通用性設計示意圖

2）行走機構通用性設計

如圖11所示，行走機構需對與主纜接觸的承壓塊、抱箍、行走輪考慮通用性設計。承壓塊需適應2橋不同的主纜直徑，設計1個內徑為1 088 mm、外徑為1 300 mm的弧形墊梁。當應用于楊泗港長江大橋時，將弧形墊梁與承壓抗焊接連接；當應用于五峰山長江大橋時，將弧形墊梁去除，即可適應2橋的主纜直徑。另外，2橋承壓塊的抱箍需新制。行走輪需適應2橋不同的主纜直徑，楊泗港長江大橋應用完成以后，對行走輪與主纜接觸的弧面進行加工，即可適應五峰山長江大橋的主纜直徑。

圖11 承壓塊通用性設計示意圖

3）吊具通用性設計

如圖12所示，當吊具應用于2橋時，需適應鋼梁吊點縱橫向間距的變化。上分配梁與吊具扁擔梁為螺栓連接，縱向移動上分配梁即可適應2吊點縱向間距變化。吊點橫向間距的適應需對上下分配梁結構進行兼容性設計，當應用于楊泗港長江大橋時，下扁擔梁A采用整體式結構，以適應較小的耳板橫向間距；當應用于五峰山長江大橋時，采用分體式下扁擔梁B，可適應較大的耳板橫向間距。上分配梁無需改造，只需預留鋼絲繩掛點位置即可。

圖12 吊具通用性設計示意圖

6.5 承壓塊快速移動、對位技術

受主纜坡度、線型、鋼梁吊點位置等因素的影響，承壓塊需要多次移位，故需設置為可拆裝式。以往的纜載起重機承壓塊均采用全螺栓連接方式，且螺栓孔精度要求很高，每次移動承壓塊時均需安拆多個螺栓，操作繁瑣。該纜載起重機承壓塊（見圖13）創新采用銷軸與螺栓混合連接方式，其中抗剪銷軸與承壓塊焊接固定在一起，主要用于傳遞下滑力，少量螺栓則用于將承壓塊固定在行走端梁上。當承壓塊需要移動時，拆除固定螺栓，行走輪伸出，抗剪銷軸即可自行脫出端梁，反鉤掛于端梁底板翼緣上。承壓塊移動到位后行走輪縮回，行走端梁下降，利用錐形抗剪銷軸的導向作用，使銷軸與端梁底板上的銷軸孔自動對位。相較于傳統的全螺栓連接方式，混合連接方式所需螺栓數量大幅減少，拆裝效率高、安全性好，大幅簡化了承壓塊的移位工作。

圖13 承壓塊示意圖

7 結語

900 t纜載起重機已成功應用于楊泗港長江大橋、五峰山長江大橋，并順利完成全部鋼梁安裝任務，該起重機是目前起重量最大的纜載起重機，具備雙機聯合提梁功能，其多吊點均衡同步提升控制系統，實現了雙機四吊點提升的同步、均載控制，解決了大跨徑懸索橋千噸級鋼梁節段安裝的難題。采用液壓卷揚機變倍率快速同步牽引技術實現了纜載起重機的同步、快速行走，大幅提升了纜載起重機行走工作效率。整機采用模塊化設計，使纜載起重機可適應不同的懸索橋施工，經濟效益好。900 t纜載起重機自動化程度高，工作效率高，安全性好，能很好地滿足現場鋼梁安裝各工況的使用要求，對我國懸索橋施工技術的提升起到了良好的促進作用。