石運慶

(中鐵十六局集團鐵運工程有限公司,河北 高碑店 276200)

新建鐵路路塹地段與既有低等級公路的立體交叉工程,常用的實施方法是中斷既有公路,待鐵路路塹主體工程完工后,修建上跨鐵路路塹公路橋恢復(fù)既有公路工程。上跨在建鐵路深路塹公路橋梁的吊裝由于起重機走行范圍小,吊臂作業(yè)空間受限,作業(yè)半徑和吊裝高度要求高,因此吊裝作業(yè)難度大、安全風(fēng)險高。目前相關(guān)研究未見報道。有部分學(xué)者研究了上跨既有鐵路公路橋梁吊裝技術(shù)。古蘭玉[1]結(jié)合具體工程分別研究了上跨鐵路運營線高架橋梁單機吊裝、雙機吊裝的順序和作業(yè)流程;馬雪梅[2]研究了京滬高速鐵路鋼蓋梁的吊裝施工參數(shù)、各工況起重機負(fù)荷率、施工質(zhì)量控制措施;王雨楠[3]針對跨線高架箱梁橋施工區(qū)域交通復(fù)雜、施工環(huán)境受限等特點,研究了復(fù)雜吊裝條件下跨線高架箱梁橋的起重機選型及吊裝順序。本文結(jié)合工程實例,提出了塹頂、路基面多工位多臺起重機協(xié)同炮車喂梁的架設(shè)方法,實現(xiàn)了大跨度、大重量箱梁的平移吊裝，研究了架設(shè)方案、工藝流程和主要施工參數(shù),進行了吊裝安全性分析。

1 工程概況

橫山區(qū)境內(nèi)張廟梁村東側(cè)既有村道與新建靖神鐵路于DK166+929處交叉。該段鐵路為深路塹地段,路塹邊坡高27.7 m,路塹邊坡分四級,邊坡坡率為1∶1.25。依據(jù)設(shè)計,鐵路路塹主體工程完工后,修建上跨鐵路公路橋恢復(fù)既有公路工程。橋址概況示意圖如圖1所示。

圖1 橋址概況示意圖

上跨公路橋為先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋,橋跨布置為3×40 m,與鐵路交叉角度為90°。橋?qū)? m,每跨橫向布置2片箱梁,梁寬3.1 m,橋墩高度25.7 m。公路橋橋型布置圖如圖2所示。在鐵路DK166+800右側(cè)及DK166+900左側(cè)分別設(shè)2個制梁場,修便道至既有道路,通過既有道路運至橋頭塹頂架設(shè)。

圖2 公路橋橋型布置圖

由于箱梁長度長、重量大,且由塹頂運達,所以箱梁屬于平移吊裝。如使用塹頂起重機吊裝作業(yè)半徑過大,難以實現(xiàn);如使用路基起重機吊裝,由于坡腳距橋臺的橫向距離達43 m、垂直高度達27.7 m,起重機作業(yè)半徑和吊裝高度均過大,難以實現(xiàn)。另外,由于起重機在深路塹內(nèi)作業(yè),且作業(yè)范圍內(nèi)有橋墩,加之多機吊裝過程需要轉(zhuǎn)換吊點,因此吊臂與橋墩、梁之間,以及起重機吊臂之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險高。

2 施工方案研究

2.1 架設(shè)方法

常用的簡支箱梁架設(shè)方法有架橋機法[4]、現(xiàn)澆法[5]和吊裝法[6]。

采用預(yù)制梁的形式上跨鐵路營業(yè)線時,一般采用架橋機或起重機架梁。鐵路管理部門基于對鐵路營業(yè)線安全考慮,在條件允許的前提下,一般優(yōu)先選擇架橋機架梁方式。不具備架橋機架梁條件時,可以考慮采用起重機架梁方式。

架橋機法適用于跨數(shù)較多的箱梁架設(shè)。本工程跨數(shù)較少,僅為三跨且吊裝現(xiàn)場交通不便,若采用架橋機施工,需要修建施工便道、拼裝平臺;此外,架橋機組裝、拆卸需要大噸位起重機配合,配備較多的專業(yè)人員,工程成本較大?，F(xiàn)澆施工法現(xiàn)場作業(yè)量大,與邊坡防護、排水工程存在交叉作業(yè),也影響后續(xù)工序的開展,難以保證工期。起重機吊裝法現(xiàn)場作業(yè)量小,對在建鐵路工程施工影響小;通過平行作業(yè),可盡早開通公路,對地方交通影響小。因此,本工程采用起重機吊裝方案,起重設(shè)備采用全地面汽車式起重機。

2.2 吊裝順序

箱梁吊裝順序總體上采用先左邊跨后中跨最后右邊跨的吊裝順序,即先吊裝左邊跨箱梁,再吊裝中跨箱梁,后吊裝右邊跨箱梁。對于每一跨,從一側(cè)起依次吊裝。

2.3 吊裝方案

采用塹頂、路基面多工位多臺起重機協(xié)同炮車喂梁的架設(shè)方法。

對于邊跨箱梁,用炮車由橋頭既有道路倒推遞送箱梁,接近塹頂時炮車尾部撤離,由塹頂起重機配合炮車平移箱梁,炮車接近塹頂時,進行吊點轉(zhuǎn)換,炮車撤離,由路基起重機和塹頂起重機多機協(xié)同作業(yè)平移箱梁就位。

對于中跨箱梁,用炮車沿橋頭既有道路及已架設(shè)箱梁倒推遞送箱梁,由位于路基面工位的多臺起重機配合炮車平移箱梁就位。

3 吊裝工藝流程

3.1 邊跨箱梁吊裝工藝流程

邊跨箱梁吊裝采用塹頂、路基面多工位多臺起重機協(xié)同炮車喂梁的架設(shè)方法,以右邊跨箱梁吊裝為例,其工藝原理為:用炮車由橋頭既有道路倒推遞送箱梁,梁左端接近塹頂時塹頂工位上的起重機A鉤吊箱梁左端吊點,炮車尾部撤離;塹頂起重機A配合炮車?yán)^續(xù)平移遞送箱梁;炮車接近塹頂時,路基工位上的起重機B、C通過平衡梁鉤吊箱梁左端吊點,起重機A摘鉤并鉤吊箱梁右端吊點,實現(xiàn)吊點轉(zhuǎn)換后,炮車撤離;由塹頂工位起重機A與路基工位起重機B、C三機協(xié)同操作,平移箱梁就位。吊裝工藝流程如圖3所示。吊裝過程示意圖如圖4所示。

圖3 三機協(xié)同炮車喂梁吊裝工藝流程圖

圖4 邊跨箱梁吊裝過程示意圖

3.2 中跨箱梁吊裝工藝流程

中跨箱梁采用路基工位雙起重機協(xié)同炮車喂梁平移法吊裝,其工藝原理為:用炮車沿橋頭既有道路及已架設(shè)箱梁倒推遞送箱梁,梁左端接近右邊跨箱梁左端時,路基工位上的起重機B鉤吊箱梁左端吊點,炮車尾部撤離;起重機B配合炮車?yán)^續(xù)平移遞送箱梁;炮車接近右邊跨箱梁左端時,路基工位上的起重機C鉤吊箱梁左端吊點,起重機B摘鉤并鉤吊箱梁右端吊點,實現(xiàn)吊點轉(zhuǎn)換后,炮車撤離;由路基工位起重機B、C雙機協(xié)同操作,平移箱梁就位。吊裝工藝流程如圖5所示。吊裝過程示意圖如圖6所示。

圖5 雙機協(xié)同炮車喂梁吊裝工藝流程圖

圖6 中跨箱梁吊裝過程示意圖

4 主要施工參數(shù)研究

預(yù)制箱梁屬于簡支構(gòu)件,為了保證吊裝過程中箱梁的受力點及受力狀態(tài)與其使用時保持一致,采用平行吊裝兩點吊,保證箱梁吊裝過程中吊點處受力均衡以及吊梁和落梁時的穩(wěn)定性。

吊點距物體兩端的距離以箱梁自身力矩平衡為計算標(biāo)準(zhǔn),即保證吊點處正負(fù)彎矩相等。因此,2個吊點分別設(shè)于距梁端0.2L處，如圖7所示。吊點采用鋼絲繩捆綁兜吊式,本工程各片箱梁重量均為161.2 t,雙機抬吊情況下2個吊點的理論承重量均為80.6 t。

圖7 箱梁吊點示意圖

4.1 起重機選型

起重機選型的目的是根據(jù)吊裝任務(wù)確定起重機具體型號,使起重機的作業(yè)半徑、起升高度、起升重量等參數(shù)滿足作業(yè)工況要求。本工程采用雙機吊裝,起重機應(yīng)盡量選擇相同型號,若兩臺起重機型號不同,則應(yīng)盡可能選擇相近的工作速度,便于協(xié)同操作。

首先確定被吊物的計算荷載Gj:

Gj=K1K2G0

(1)

式中:G0為被吊物的重量、吊耳及索具重之和,t,取82.6 t;K1為動載系數(shù),取1.1;K2為雙機抬吊不均衡系數(shù),取1.2,計算可得Gj=109.0 t。

然后根據(jù)起重機參數(shù)性能表,選擇額定起重量Q≥Gj。在滿足起升重量的前提下,根據(jù)吊裝高度H和場地情況,選擇吊臂長度L和工作半徑R。根據(jù)吊裝工藝,分不同工況計算各起重機的作業(yè)半徑及起升高度。各工況起重機性能參數(shù)見表1。

表1 各工況起重機性能參數(shù)需求表

根據(jù)上述起重機性能參數(shù)的要求,查閱不同噸位起重機性能表進行對比分析,在滿足起升重量要求的前提下考慮經(jīng)濟性因素,起重機A選用QAY200型起重機,起重機B、C選用QAY650型起重機。

4.2 鋼絲繩選型

鋼絲繩選型要同時滿足文獻[8]和文獻[9]相關(guān)要求。

根據(jù)文獻[8],粗直徑鋼絲繩的使用標(biāo)準(zhǔn)為:

(2)

式中:D為吊裝鋼絲繩應(yīng)滿足的最小直徑(mm);Q為起重機承受重量(t);β為載荷分配系數(shù),一般取66%。考慮雙機抬吊不均衡系數(shù)K,一般取1.2,多機抬吊工況下取Q=80.6×1.2=96.7 t,根據(jù)式(2)計算可得Dmin應(yīng)達到60 mm。

根據(jù)文獻[9],單側(cè)單股鋼絲繩受力FN按下式計算:

(3)

式中:1.05為夾角系數(shù);Q為起重機吊索承受重量(t),取97.2 t。計算可得FN=25.4 t。拉力總和

Zn=K×FN

(4)

式中,k為起重吊裝鋼絲繩安全系數(shù),取10。計算可得,拉力總和Zn=2489.2 kN。鋼絲繩為纖維芯,故需要對其破斷拉力進行換算,換算式如下：

(5)

式中：α為換算系數(shù),取1.226,可得鋼絲繩破斷拉力為Z=2 030.3 kN。根據(jù)文獻[8],破斷拉力：

(6)

式中：Z為破斷拉力，kN;FC為鋼絲繩抗拉強度,取1670 kg/mm2,計算可得D=65 mm。

經(jīng)上述分析與計算,鋼絲繩選取Φ65-6×19zs+FC-1 670。

4.3 支腿地基承載力

由吊裝方案可知,起重機A、B承重量相等。單個起重機地基的總承重N按下式計算：

(7)

式中：γG、γQ為靜、動荷載組合系數(shù),分別取1.2、1.4;G0為起重機自重、超起配重、吊索及索具重量之和，kN,對于起重機B、C型號形同,G0=2 855.7 kN;GL為箱梁重量為789.9 kN。計算可得總承重N=3 979.8 kN。

假定起重機四個支腿受力均勻,每個支腿施加于地基的平均壓應(yīng)力為：

(8)

式中：A為起重機支腿鋼墊板面積，m2；支腿墊板采用2.5 m×3.0 m×0.05 m鋼板。計算可得,p=132.7 kPa。

考慮到上跨鐵路架梁施工,取1.2倍的安全系數(shù),則作業(yè)場地承載力要求為fa≥1.2p=159.2 kPa。如現(xiàn)場地基承載力不滿足上述要求,可采用夯實或換填等處理措施。

5 吊裝安全性分析

為保證起重機在吊裝過程中的穩(wěn)定,需要對起重機的抗傾覆穩(wěn)定性進行分析。根據(jù)文獻[10],起重機抗傾覆穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為：

∑M=KG·MG+KQ·MQ+KW·MW≥0

(9)

式中：∑M為抗傾覆力矩；KG為自重加權(quán)系數(shù),取1;KQ為起升荷載加權(quán)系數(shù),取1.15;KW為風(fēng)動載加權(quán)系數(shù),取1;MG、MQ、MW分別起重機自重、起升荷載、風(fēng)荷載對傾覆邊的力矩，kN·m。起重機工作受力簡圖如圖8所示。

圖8 起重機工作受力簡圖

圖8中,G為起重機自重,kN;

Q為起升物重量,kN;

W為風(fēng)動載(kN),按起升物重量的20%考慮;

a為起重機重心至支腳傾覆支點的距離,m;

R為為起重機作業(yè)半徑,m;

h為風(fēng)動載合力點高度,m。

QAY650型起重機G=291.4 t,a=5 m,最不利工況下R=40 m,Q=20.7 t,W=4.14 t,風(fēng)動載合力點取吊物重心,h=26.7 m,計算可得∑M=513.3 kN·m>0,滿足要求。

同理,對QAY200型起重機,∑M=77.3kN·m>0,滿足要求。

6 結(jié) 論

(1) 上跨在建鐵路深路塹公路橋大跨箱梁架設(shè)宜采用起重機吊裝方案。

(2) 采用塹頂、路基面多工位多臺起重機協(xié)同炮車喂梁的方法可以解決上跨在建鐵路深路塹公路橋箱梁架設(shè)時,由于梁長度長、重量大,起重機平移吊裝困難的問題。

(3) Φ65-6×19zs+FC-1670選用QAY200型和QAY650型起重機,型鋼絲繩可滿足吊裝能力需求,并保證作業(yè)安全。地基承載力需達到159．2 kPa。

(4) 起重機抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求,能保證施工的安全性。

(5) 實踐證明,上跨在建鐵路深路塹公路橋大跨箱梁多機協(xié)同吊裝技術(shù)方法新穎、實用、安全可靠,應(yīng)用效果良好。