張耀輝，趙振宇，鮑存坤

(石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043)

1 概述

紅柳河特大橋是新建蘭新二線高速鐵路的重要工程，位于甘肅和新疆交界處的西北煙墩風(fēng)區(qū)的戈壁灘上，地理和氣候環(huán)境惡劣，該橋是33孔48 m節(jié)段拼裝簡(jiǎn)支箱梁橋，每孔箱梁均由11節(jié)預(yù)制箱梁節(jié)段和10個(gè)濕接縫組裝而成，箱梁的安裝施工采用拼裝式造橋機(jī)進(jìn)行。最大箱梁節(jié)段質(zhì)量155 t，梁寬為12.2 m，整孔梁質(zhì)量1 700 t，最大墩高46 m，最大縱坡18‰。在高空大風(fēng)區(qū)等多項(xiàng)不利因素下，進(jìn)行大噸位、大截面箱梁的安裝作業(yè)及濕接縫施工，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，施工受外界客觀因素干擾大。盡管采用八七梁拼裝式造橋機(jī)進(jìn)行節(jié)段箱梁的施工技術(shù)［1］在一些類似工程施工中已得到應(yīng)用，但是由于本橋的特殊性，由石家莊鐵道大學(xué)國(guó)防交通研究所研制的這臺(tái)大型造橋機(jī)設(shè)備在造橋機(jī)的支腿支撐方式、整機(jī)過(guò)孔方式和特殊結(jié)構(gòu)部位的連接方式等方面均進(jìn)行了大膽的優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得這臺(tái)造橋機(jī)從適用性和安全性等方面很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)要求。

2 造橋機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于紅柳河特大橋的橋墩很高、所在地區(qū)風(fēng)速很大、箱梁寬度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)墩頂寬度，如果采用以往的主桁結(jié)構(gòu)直接在墩頂支撐，或采用墩頂牛腿支撐，或墩旁支架支撐的方式，不僅難以實(shí)現(xiàn)，而且安全施工風(fēng)險(xiǎn)很大，所以，必須對(duì)該型造橋機(jī)在支撐方式、過(guò)孔方式和結(jié)構(gòu)連接等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，才能有效地適應(yīng)該工程的施工條件，從4個(gè)方面來(lái)闡述該造橋機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)。造橋機(jī)的整機(jī)形式見(jiàn)圖1。

2.1 Ω形后支腿支撐方式

由于本橋的橋墩橫向?qū)挾葹?.2 m，而箱梁寬度為12.2 m，那么采用下行式的造橋機(jī)結(jié)構(gòu)形式，其主桁片結(jié)構(gòu)就必須設(shè)在梁寬以外，導(dǎo)致造橋機(jī)尾部桁架無(wú)法直接支撐在墩頂上;又因?yàn)闃蚨仗?，不宜在墩旁設(shè)置墩旁支架或墩頂牛腿支架，所以經(jīng)過(guò)綜合研究分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)箱形截面的Ω形后支腿結(jié)構(gòu)，使其通過(guò)桁式過(guò)渡節(jié)和八七梁主桁架結(jié)構(gòu)相連，Ω形后支腿的兩個(gè)支點(diǎn)直接支在已架箱梁的端部腹板上方。采用這種方法改變了以往的同類型造橋機(jī)主結(jié)構(gòu)直接支承在墩頂?shù)闹畏绞?，適應(yīng)了梁寬墩窄和墩高不宜設(shè)墩旁支架、牛腿的工程情況。Ω形后支腿結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

Ω形后支腿結(jié)構(gòu)采用箱形斷面形式，為了方便運(yùn)輸和安裝，將整個(gè)結(jié)構(gòu)分成了4個(gè)節(jié)段，節(jié)段之間通過(guò)高強(qiáng)度螺栓和拼接板進(jìn)行連接。其加工難點(diǎn)在于支腿上螺栓孔的分布精度控制，保證拼裝好后，能夠順利地和主桁結(jié)構(gòu)進(jìn)行螺栓對(duì)接連接［2］。

圖1 造橋機(jī)正常架梁作業(yè)狀態(tài)總圖

2.2 桁架式中支腿支撐方式

由于造橋機(jī)主桁架結(jié)構(gòu)在墩寬度以外，因此造橋機(jī)中部的主桁架也無(wú)法直接支撐在墩頂上。通過(guò)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在此處設(shè)計(jì)1個(gè)橫向的桁架支腿結(jié)構(gòu)和兩側(cè)的主桁垂直相連，然后通過(guò)桁架支腿的兩個(gè)主立柱直接支撐在墩頂墊石上。由于桁架支腿是一個(gè)薄片式結(jié)構(gòu)，它在墩頂上所占的縱向尺寸較小，這就保證了桁架式中支腿和梁端節(jié)的空間縱向距離，滿足了梁端千斤頂張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的空間要求。主桁架是由八七梁桿件和拼接板拼組而成的結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)桁架式中支腿和主桁相連，需要設(shè)計(jì)特殊的拼接板來(lái)實(shí)現(xiàn)此處的連接。另外，通過(guò)優(yōu)化中支腿桁架的結(jié)構(gòu)形式，使得其桿件之間的空隙能夠不妨礙梁端張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的作業(yè)空間要求。正常架梁時(shí)中支腿的結(jié)構(gòu)形式和支撐方式1見(jiàn)圖3。

中支腿的2個(gè)主支撐立柱采用箱形斷面的結(jié)構(gòu)形式，其余斜桿采用背對(duì)背2組槽鋼組成的工字形截面的形式，所有桿件之間均采用螺栓連接。當(dāng)造橋機(jī)架設(shè)最后一孔梁時(shí)，中支腿需支撐在橋臺(tái)的胸墻上，此時(shí)需將支腿的下部桿件拆除，然后再將立柱支撐在橋臺(tái)上。此時(shí)中支腿的結(jié)構(gòu)形式和支撐方式2見(jiàn)圖4。

2.3 帶行走和液壓升降系統(tǒng)的前支腿結(jié)構(gòu)形式

造橋機(jī)的前導(dǎo)梁支撐在前支腿上。前支腿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由主橫梁、托輪系統(tǒng)、掛輪系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)和可伸縮支撐立柱等組成，結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖5。前支腿的液壓升降系統(tǒng)由4個(gè)2 000 kN的液壓缸等組成［3］，可通過(guò)頂升前支腿主橫梁來(lái)實(shí)現(xiàn)造橋機(jī)的升降作業(yè)和整機(jī)的坡度調(diào)節(jié)作業(yè);前支腿可通過(guò)自帶的掛輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其沿造橋機(jī)整個(gè)導(dǎo)梁的縱向移動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)造橋機(jī)過(guò)孔作業(yè)中前支腿的前行需要;托輪系統(tǒng)直接支撐導(dǎo)梁的下滑道，使得導(dǎo)梁在拖輪上滾動(dòng)摩擦前行，阻力很小，有利于降低整個(gè)造橋機(jī)前行時(shí)的阻力;可伸縮支撐立柱是兩個(gè)具有內(nèi)外套和銷軸連接的結(jié)構(gòu)，前支腿頂升到位后，通過(guò)銷軸固定內(nèi)外套，起到前支腿的豎向支撐保護(hù)作用。采用此種前支腿方案，既滿足了造橋機(jī)的升降調(diào)節(jié)要求，又滿足了前支腿的過(guò)孔需要，同時(shí)顯著降低了造橋機(jī)前行阻力。造橋機(jī)前導(dǎo)梁在前支腿上的支撐方式見(jiàn)圖6。

圖2 后支腿結(jié)構(gòu)形式

圖3 中支腿結(jié)構(gòu)形式和支撐方式1

圖4 中支腿結(jié)構(gòu)形式和支撐方式2

圖5 前支腿結(jié)構(gòu)形式和支撐方式

圖6 造橋機(jī)前導(dǎo)梁在前支腿上的支撐方式

2.4 造橋機(jī)的過(guò)孔方式

造橋機(jī)過(guò)孔時(shí)，專用的輪軌式托運(yùn)臺(tái)車支撐住造橋機(jī)的尾部牛腿，前支腿液壓缸頂升造橋機(jī)致使中支腿鉸座離開(kāi)墩頂，然后通過(guò)設(shè)置在托運(yùn)臺(tái)車上的卷?yè)P(yáng)機(jī)和滑輪組，用鋼絲繩和設(shè)置在梁端的定滑輪組相連，用卷?yè)P(yáng)機(jī)拖拉牽引驅(qū)動(dòng)。因?yàn)橥羞\(yùn)臺(tái)車是輪軌走行方式，前導(dǎo)梁下滑道在前支腿的滾動(dòng)托輪上滑動(dòng)，所以整個(gè)造橋機(jī)的前行阻力主要是18‰的橋梁坡道阻力和造橋機(jī)的滾動(dòng)摩擦阻力。這樣一來(lái)，就比以往靠造橋機(jī)下弦滑道在固定滑板支墩上的滑動(dòng)摩擦阻力小了很多，前行動(dòng)力僅僅250 kN左右。造橋機(jī)邊前行，下托梁邊分組打開(kāi)，待該組下托梁過(guò)墩后，即可恢復(fù)成閉合狀態(tài)，依次類推。

造橋機(jī)過(guò)孔狀態(tài)中，造橋機(jī)共處于3個(gè)主要受力狀態(tài):(1)專用輪軌式馱運(yùn)后車支撐起造橋機(jī)尾部，前支腿通過(guò)頂升液壓缸頂升導(dǎo)梁，當(dāng)造橋機(jī)中支腿的支座脫離開(kāi)墩頂，此時(shí)整個(gè)造橋機(jī)的自重全部支撐在后車和前支腿上，呈跨度為110 m的大簡(jiǎn)支狀態(tài);(2)牽引機(jī)構(gòu)牽引造橋機(jī)馱運(yùn)后車前行，前支腿在墩頂固定不動(dòng)，前導(dǎo)梁在前支腿上的托輪上滾動(dòng)摩擦前行;(3)待中支腿到達(dá)前方橋墩墩頂上，臨時(shí)支撐，然后前支腿通過(guò)自帶的掛輪行走系統(tǒng)，沿前導(dǎo)梁的滑道自行至下一橋墩墩頂，此時(shí)，造橋機(jī)的兩個(gè)支點(diǎn)是后車和中支腿，前導(dǎo)梁呈大懸臂狀態(tài)，前支腿懸吊在大懸臂的前端，此時(shí)是最不利的懸臂狀態(tài)。3種狀態(tài)分別見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 造橋機(jī)最大簡(jiǎn)支過(guò)孔狀態(tài)

3 造橋機(jī)的主要安全防護(hù)措施［4-12］

由于該橋的橋墩很高，且橋址處于西北的風(fēng)區(qū)，風(fēng)速很大，所以經(jīng)常在處于大風(fēng)天氣的高空中施工作業(yè)，無(wú)論對(duì)人員還是對(duì)施工設(shè)備，其安全措施尤為重要。

圖8 造橋機(jī)過(guò)孔前行中的狀態(tài)

圖9 造橋機(jī)過(guò)孔的最大懸臂狀態(tài)

(1)造橋機(jī)支腿在墩頂?shù)腻^固措施。為了保證造橋機(jī)在施工中的縱橫向穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)造橋機(jī)支腿的時(shí)候，就考慮了在墩頂進(jìn)行錨固的方案。所以，在橋墩施工時(shí)，按照造橋機(jī)的設(shè)計(jì)要求，事先在墩頂預(yù)埋了錨固用的精軋螺紋鋼，用于和造橋機(jī)的支腿進(jìn)行錨固，保證了造橋機(jī)在正常架梁施工和過(guò)孔時(shí)的支腿穩(wěn)定性。

(2)造橋機(jī)的大風(fēng)防范措施。當(dāng)遇到超過(guò)正常允許作業(yè)風(fēng)力的大風(fēng)天氣時(shí)，可通過(guò)纜風(fēng)繩在造橋機(jī)的前、中、后3個(gè)部位，將造橋機(jī)的上弦節(jié)點(diǎn)和預(yù)埋在墩頂上預(yù)埋槽鋼牛腿之間進(jìn)行連接捆綁固定。

(3)造橋機(jī)風(fēng)速報(bào)警裝置。在造橋機(jī)上設(shè)風(fēng)速報(bào)警裝置，用來(lái)監(jiān)控風(fēng)速的大小，為及時(shí)采取措施，提供提前預(yù)報(bào)。

(4)造橋機(jī)施工平臺(tái)。在高空進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，人員的安全防護(hù)至關(guān)重要。為此在造橋機(jī)下托梁下面設(shè)置了工作面很寬的工作平臺(tái)，在下托梁平面的兩側(cè)設(shè)置了2個(gè)2 m寬的走行通道，其外面用安全網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

(5)施工操作注意事項(xiàng)。為了安全進(jìn)行操作施工，除了對(duì)施工人員進(jìn)行專門的技術(shù)操作培訓(xùn)，還編制了造橋機(jī)詳細(xì)的操作規(guī)程。

4 造橋機(jī)的施工工藝流程和主要參數(shù)

造橋機(jī)施工工藝流程見(jiàn)圖10。

圖10 造橋機(jī)施工工藝流程

主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:起重小車額定起重1 550 kN;吊機(jī)輪廓尺寸117 m×16.8 m×17.2 m;主桁有效內(nèi)部?jī)艨?4 m×13 m×14 m;整機(jī)質(zhì)量750 t;整機(jī)過(guò)孔驅(qū)動(dòng)方式為卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引;起重小車走行控制方式為變頻調(diào)速控制;起重小車走行速度0～3 m/min;起重小車起升速度0～1 m/min;動(dòng)力條件380 V，50 Hz;起升總功率45 kW;最大作業(yè)縱坡18‰;工作狀態(tài)最大風(fēng)力6級(jí);非工作狀態(tài)最大風(fēng)力11級(jí);施工周期3孔梁/月;梁節(jié)運(yùn)輸方式為輪軌式運(yùn)梁車。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)紅柳河特大橋的具體情況，在總結(jié)以往類似造橋機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用，很好地滿足了節(jié)段箱梁拼裝架設(shè)的需要，保證了該橋的順利施工，解決了高速鐵路梁寬、高墩、大坡度、風(fēng)速大和高空作業(yè)難的特殊環(huán)境施工難題。目前，該造橋機(jī)已順利完成了20孔48 m節(jié)段箱梁的拼裝施工，性能穩(wěn)定，安全可靠，在這種特殊環(huán)境下，最快造橋速度達(dá)7 d/孔。該新型造橋機(jī)的成功研制與應(yīng)用，將為今后類似環(huán)境下的工程施工提供較好的參考價(jià)值。

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