金東華

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海預(yù)制拼裝橋梁建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 上海 200433

1 問題的提出

隨著全國高速公路網(wǎng)及鐵路網(wǎng)的發(fā)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(shè)備的設(shè)計(jì)及選擇帶來了很大的困難。

大跨度橋梁橋面主梁結(jié)構(gòu)形式通常采用鋼箱梁或鋼桁架梁，橋面吊機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)不同主梁結(jié)構(gòu)形式。通常對(duì)于鋼箱梁來說，吊機(jī)的支錨結(jié)構(gòu)形式及錨固點(diǎn)的設(shè)計(jì)限制相對(duì)寬松些，但對(duì)于鋼桁架梁來說，支錨結(jié)構(gòu)必須與桁架節(jié)點(diǎn)相一致。此時(shí)，設(shè)計(jì)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(qiáng)的橋面吊機(jī)結(jié)構(gòu)形式顯得尤為重要，也是模塊化設(shè)計(jì)問題提出的內(nèi)在需求[1-3]。

2 大噸位橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)方法研究

2.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)

大噸位橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)首先取決于設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。先要確定吊段的參數(shù)，因此需要對(duì)橋面梁進(jìn)行合理分段。分段吊重決定了設(shè)備的額定荷載能力；分段縱向長度，決定了設(shè)備結(jié)構(gòu)的懸臂長度；分段寬度大小，決定了設(shè)備的橫向跨距。然后，應(yīng)對(duì)主梁吊裝環(huán)境進(jìn)行分析，如對(duì)航道的封航時(shí)間決定了提升速度；對(duì)于不同主梁結(jié)構(gòu)形式，吊機(jī)應(yīng)滿足不同的縱橫向調(diào)整要求；主梁節(jié)段間的連接方式也決定了吊機(jī)調(diào)整的精度要求。

2.2 橋面吊機(jī)模塊化設(shè)計(jì)思想及其方法

在確定了設(shè)計(jì)參數(shù)以后，需要確定提升設(shè)備結(jié)構(gòu)形式的總體技術(shù)路線。這部分內(nèi)容包括橋面吊機(jī)總體結(jié)構(gòu)形式的確定、動(dòng)力系統(tǒng)的形式及配置設(shè)想、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及配備原則等。模塊化設(shè)計(jì)思想首先要求把橋面吊機(jī)分成相對(duì)獨(dú)立的幾大系統(tǒng)。主要包括主承載結(jié)構(gòu)體系、動(dòng)力及控制系統(tǒng)、定位支錨結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、其他輔助系統(tǒng)（包括精確調(diào)整裝置，平臺(tái)走道結(jié)構(gòu)等）等5大系統(tǒng)。

模塊化設(shè)計(jì)思想要求，主承載結(jié)構(gòu)與支錨結(jié)構(gòu)分離設(shè)計(jì)，以達(dá)到適應(yīng)不同主梁結(jié)構(gòu)形式的目的。主承載結(jié)構(gòu)與動(dòng)力控制系統(tǒng)可采用通用化設(shè)計(jì)，根據(jù)額定荷載以及適用的主梁節(jié)段長度，通過結(jié)構(gòu)分析，采用自動(dòng)化液壓控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理的受力體系，可根據(jù)主梁設(shè)計(jì)限界進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，如采用低重心的桁架結(jié)構(gòu)形式或者菱形支架結(jié)構(gòu)形式。支錨結(jié)構(gòu)可根據(jù)橋面主梁結(jié)構(gòu)形式，采用墊梁和錨梁連接吊機(jī)主承載結(jié)構(gòu)與橋面主梁，考慮拆裝方便，支錨結(jié)構(gòu)與吊機(jī)主承載結(jié)構(gòu)的連接通常采用高強(qiáng)螺栓或銷軸，支點(diǎn)與橋面主梁通過承載千斤頂或者鋼墩墊實(shí)，錨點(diǎn)采用螺桿與橋面吊點(diǎn)連接。

3 模塊化設(shè)計(jì)思想在某大橋主跨橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 大橋主梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為鋼桁架結(jié)構(gòu)，正交異性橋面板和鋼桁梁結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)，通過邊中邊跨鋼梁結(jié)合段與邊跨鋼混結(jié)構(gòu)相連。鋼桁梁采用N形桁架結(jié)構(gòu)，其中，結(jié)合段節(jié)段長10.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)段長15.1 m，合龍段節(jié)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(jié)段立面示意

圖2 橋面主梁節(jié)段斷面示意

根據(jù)總體安裝技術(shù)路線，本橋橋面主梁采用專門設(shè)計(jì)加工的橋面吊機(jī)水上垂直提升安裝。且由于吊裝作業(yè)面位于黃浦江上，對(duì)黃浦江航道有一定影響。水上作業(yè)時(shí)，駁船位于黃浦江航道上，需要對(duì)黃浦江航道實(shí)施局部封航，同時(shí)，根據(jù)海事及航道部門的要求，整個(gè)吊裝作業(yè)必須在3～4 h完成，并解除封航，所以，對(duì)橋面吊機(jī)垂直提升速度提出了很高的要求。

另外，雙層桁架梁節(jié)段體量大，質(zhì)量重，標(biāo)準(zhǔn)段最重達(dá)540 t，合龍段重達(dá)720 t。且由于結(jié)構(gòu)為桁架體系，提升設(shè)備支錨點(diǎn)位置必須設(shè)置在主桁梁上，局限性較大。同時(shí)，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(jī)錨固在主弦桿上，當(dāng)節(jié)段質(zhì)量從橋面吊機(jī)卸載，轉(zhuǎn)移至斜拉索過程中，前后節(jié)段將產(chǎn)生相對(duì)變形，不利于焊接間隙的調(diào)整。為此，必須盡量減輕橋面吊機(jī)結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量，降低不利影響。

3.2 橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

基于上述分析，根據(jù)安裝節(jié)段的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同工況要求，橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)確定如下：

1）吊機(jī)設(shè)計(jì)額定起重量400 t，單點(diǎn)額定起重量200 t。吊裝標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)，實(shí)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(jī)最大提升高度50 m。

3）吊機(jī)提升速度15～20 m/h，每個(gè)節(jié)段的提升應(yīng)在3～4 h完成。

4）構(gòu)件位置調(diào)整：最大縱向移動(dòng)距離400 mm，最大角度調(diào)整3°。

5）吊機(jī)單次行走距離15.1 m。

3.3 橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基于橋面吊機(jī)模塊化設(shè)計(jì)理念，將橋面吊機(jī)系統(tǒng)主要分為主承載結(jié)構(gòu)、動(dòng)力及控制系統(tǒng)、定位錨固系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等5大部分。其中，主承載結(jié)構(gòu)、動(dòng)力及控制系統(tǒng)可以實(shí)施通用化設(shè)計(jì)，對(duì)于一臺(tái)設(shè)備而言，這兩部分是核心部件，實(shí)施通用化設(shè)計(jì)可大大節(jié)約設(shè)計(jì)及施工成本。其余3大系統(tǒng)應(yīng)與橋面結(jié)構(gòu)相匹配，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

3.3.1 主承載結(jié)構(gòu)形式

本橋橋面吊機(jī)主承載結(jié)構(gòu)可采用通用化設(shè)計(jì)，桁架結(jié)構(gòu)可采用定長裝配式，設(shè)計(jì)定尺定長桁架，通過不同組合形式，采用銷軸連接，適應(yīng)不同大橋主梁分節(jié)長度及不同結(jié)構(gòu)形式。格構(gòu)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(diào)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(shè)備考慮采用上下游分離式；考慮設(shè)備的自重要求，以及提升設(shè)備結(jié)構(gòu)前端懸臂較長，確定主體結(jié)構(gòu)采用桁架體系；為解決橫向穩(wěn)定問題，考慮采用低重心的形式；為進(jìn)一步減少設(shè)備結(jié)構(gòu)用鋼量，主要承重結(jié)構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)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(gòu)式，頂部設(shè)置鋼錨梁，斜拉索采用平行鋼絲成品索。斜拉索應(yīng)預(yù)張拉一定程度，使主縱梁產(chǎn)生反向變形（相對(duì)吊重后的主梁變形），提高其豎向承載力，同時(shí)降低用鋼量和吊機(jī)質(zhì)量（圖3、圖4）。

3.3.2 動(dòng)力及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在橋面吊機(jī)各系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中，動(dòng)力及控制系統(tǒng)的配置仍應(yīng)結(jié)合主承載系統(tǒng)設(shè)計(jì)而配置，也就是說，動(dòng)力系統(tǒng)可與主承載系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)和裝配。

圖3 橋面吊機(jī)布置

圖4 橋面吊機(jī)承載結(jié)構(gòu)

一般而言，橋面吊機(jī)提升動(dòng)力系統(tǒng)有卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)和液壓提升系統(tǒng)2種方式。卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)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(tǒng)構(gòu)造簡單、經(jīng)濟(jì)，無論提升還是下放均較為方便，但隨著鋼絲繩道數(shù)與滑輪組的增加，提升速度降低，另外，采用鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，調(diào)整精度較低。液壓千斤頂提升系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行同步或單獨(dú)控制每一臺(tái)千斤頂，且液壓千斤頂提升速度相對(duì)穩(wěn)定，適應(yīng)本工程吊段質(zhì)量重但封航時(shí)間較高的目標(biāo)要求；結(jié)構(gòu)工地連接采用全焊接，焊接過程有一定時(shí)間，因此在節(jié)段吊裝過程中，對(duì)吊段的精確調(diào)整以及對(duì)提升到位的吊段進(jìn)行臨時(shí)鎖定的要求較高。

主提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)滿足安裝與調(diào)整提升千斤頂?shù)牡跫堋⒌蹙吆涂v向調(diào)整滑車、滑軌等結(jié)構(gòu)。動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)與安裝主要包括主提升千斤頂、位置調(diào)整系統(tǒng)、泵站供油系統(tǒng)等一整套滿足吊裝工況的設(shè)備及裝置的設(shè)計(jì)與安裝。每臺(tái)泵站配置1個(gè)現(xiàn)場控制器，每個(gè)現(xiàn)場控制器控制若干臺(tái)提升千斤頂。

3.3.3 定位錨固系統(tǒng)的研究

在吊機(jī)模塊化設(shè)計(jì)中，墊梁與錨桿系統(tǒng)可根據(jù)吊機(jī)主承載結(jié)構(gòu)與橋面主梁結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，個(gè)性化設(shè)計(jì)，以滿足吊機(jī)工作穩(wěn)定以及橋面主梁的受力要求。

定位錨固系統(tǒng)連接橋面主梁與吊機(jī)承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吊機(jī)精確調(diào)整定位以及吊機(jī)的自錨固。根據(jù)本橋桁架梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，橋面吊機(jī)支錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)置在橋面上弦桿上。結(jié)合行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到前支點(diǎn)反力的擴(kuò)散，前支點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(diǎn)以及后錨點(diǎn)的反力，后錨點(diǎn)錨固長度為一個(gè)半節(jié)間，且使用節(jié)段吊裝吊點(diǎn)進(jìn)行錨固，在工廠內(nèi)完成安裝。

吊機(jī)前支點(diǎn)墊梁采用變截面箱形梁，設(shè)置3個(gè)鋼墩，主要受力鋼墩為位于橋面結(jié)構(gòu)主桁上的中間位置鋼墩，兩邊位于小縱梁位置的為穩(wěn)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(shè)置1臺(tái)200 t自鎖式千斤頂，千斤頂下部為穩(wěn)定鋼墩。在墊梁主要受力鋼墩與穩(wěn)定鋼墩之間布置吊機(jī)行走系統(tǒng)。墊梁上通過1根斜撐對(duì)桁架做橫向穩(wěn)定支撐，斜撐上端與吊機(jī)主縱梁桁架相連。吊機(jī)后錨點(diǎn)錨固系統(tǒng)吊機(jī)主縱梁桁架下弦桿最后兩個(gè)結(jié)間各設(shè)置1根箱形錨梁，再用2根高強(qiáng)度螺桿與橋面吊耳連接（圖6）。

圖5 前支點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖6 后錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3.3.4 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋面吊機(jī)作為一套完整的吊裝設(shè)備，除了上述3大系統(tǒng)，還應(yīng)具備自行走能力，同時(shí)，應(yīng)設(shè)置完善的操作平臺(tái)及通道系統(tǒng)，進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)。

行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)根據(jù)吊裝設(shè)備的重心位置，在結(jié)構(gòu)縱向合適的位置設(shè)置前后2個(gè)支點(diǎn)，前支點(diǎn)采用墊梁裝置，墊梁下部兩側(cè)對(duì)稱于主結(jié)構(gòu)的適當(dāng)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(dòng)力裝置安裝在前支點(diǎn)，通過千斤頂伸縮實(shí)現(xiàn)設(shè)備與軌道交替前進(jìn)（圖7），后支腿采用多排尼龍滾輪作為從動(dòng)，在前移過程中，可保證設(shè)備直線移動(dòng)（圖8）。本裝置操作簡便，移動(dòng)速度快。

圖7 行走動(dòng)力系統(tǒng)

圖8 行走從動(dòng)輪

4 結(jié)語

本次橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用表明，專門設(shè)計(jì)加工的橋面吊機(jī)能滿足鋼混結(jié)合段、標(biāo)準(zhǔn)段、合龍段不同工況下的吊裝作業(yè)。通過模塊化設(shè)計(jì)與加工，各模塊系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作，整體穩(wěn)定可靠，吊機(jī)適用性強(qiáng)，可通過不同墊梁及錨梁的設(shè)計(jì)，來適應(yīng)不同橋面主梁結(jié)構(gòu)形式。