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        橋面吊機(jī)在我國(guó)斜拉橋建設(shè)中的應(yīng)用及發(fā)展

        2020-11-19 08:45:30周衍領(lǐng)
        關(guān)鍵詞:動(dòng)力源吊機(jī)吊具

        周衍領(lǐng)

        (中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

        近年來,隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展,橋梁建造數(shù)量越來越多,建造速度越來越快,橋型越來越豐富,而斜拉橋已成為大跨度橋梁的主要橋型之一。斜拉橋主梁的施工,特別是以鋼箱梁、鋼桁梁為主要結(jié)構(gòu)形式的主梁施工,近年來大多采用預(yù)制節(jié)段懸拼的施工方法。橋面吊機(jī)是斜拉橋主梁預(yù)制節(jié)段懸拼施工中使用的主要特種裝備,橋面吊機(jī)自身具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和懸臂高度,工作時(shí)后方錨固在橋面上,通過起吊系統(tǒng)起升預(yù)制節(jié)段梁,在我國(guó)還出現(xiàn)了利用橋面吊機(jī)施工懸索橋的成功案例。橋面吊機(jī)是由鋼桁架主體支撐系統(tǒng)、走行系統(tǒng),錨固系統(tǒng)、提升下放系統(tǒng)、吊具系統(tǒng)、調(diào)位系統(tǒng)、電氣液壓系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)組成的綜合體,要根據(jù)施工需求、橋位氣候環(huán)境、交通運(yùn)輸限制等綜合因素進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)。橋面吊機(jī)的使用不僅提高了建造斜拉橋的施工效率,而且為斜拉橋設(shè)計(jì)者提供了更廣闊的想象和創(chuàng)造空間,使得斜拉橋超大跨度設(shè)計(jì)、超大節(jié)段工廠工業(yè)化建造、超大節(jié)段懸拼施工成為可能[1-3]。

        1 橋面吊機(jī)在我國(guó)斜拉橋建設(shè)中的應(yīng)用

        1.1 我國(guó)斜拉橋發(fā)展情況

        自從1975年四川和上海建成了兩座跨度分別為76 m和54 m的斜拉試驗(yàn)橋以來,40多a過去了,這種在二次大戰(zhàn)后復(fù)興的橋型,在中國(guó)改革開放的大好形勢(shì)下得到了充分的發(fā)展和推廣,目前我國(guó)建成的斜拉橋已超過100多座[1]。我國(guó)已建成部分跨度較大斜拉橋,統(tǒng)計(jì)如表1所示。

        表1 我國(guó)已建成部分跨度較大斜拉橋統(tǒng)計(jì)

        從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,我國(guó)跨度超過700 m的斜拉橋大多在2008年之后建成,主梁結(jié)構(gòu)大部分設(shè)計(jì)為鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式,少數(shù)幾座橋主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼桁梁的鋼結(jié)構(gòu)形式。同年我國(guó)首次成功建造了跨度超1 000 m的斜拉橋,標(biāo)志著我國(guó)斜拉橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)在超大跨度上取得突破,2008年成為我國(guó)斜拉橋建設(shè)歷史的突破年。

        1.2 斜拉橋主梁建造方法

        每座斜拉橋在設(shè)計(jì)和建造過程中都有其難點(diǎn)和復(fù)雜性,經(jīng)統(tǒng)計(jì),我國(guó)已建成的斜拉橋中除貴黔高速鴨池河大橋鋼桁梁采用纜索吊機(jī)進(jìn)行預(yù)制節(jié)段梁懸拼施工外,其它跨度超700 m的斜拉橋主梁在建造過程中均采用了橋面吊機(jī)起升預(yù)制節(jié)段梁進(jìn)行懸拼施工的方法,斜拉橋主梁施工采用的裝備見表2所示。

        表2 斜拉橋主梁施工采用的裝備統(tǒng)計(jì)

        從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,我國(guó)2019年之前建成的斜拉橋預(yù)制節(jié)段鋼梁?jiǎn)误w重量幾乎都在500 t以下,2019年以后建成的斜拉橋,預(yù)制節(jié)段鋼梁?jiǎn)误w重量突破了1 000 t,特別是滬通長(zhǎng)江大橋,其預(yù)制節(jié)段鋼梁?jiǎn)误w重量突破了1 600 t。隨著吊裝重量的增加,橋面吊機(jī)自身重量相應(yīng)的增大,就目前統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果,橋面吊機(jī)自重一般為其起重量的一半左右,這無疑給橋面吊機(jī)及相應(yīng)的橋梁設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)和要求[4-5]。

        2 橋面吊機(jī)的分類及功能比較[6-7]

        2.1 橋面吊機(jī)的分類

        橋面吊機(jī)按動(dòng)力源分類,可分為卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)力源和液壓千斤頂動(dòng)力源兩類。

        以卷揚(yáng)機(jī)為動(dòng)力源的橋面吊機(jī),一般把卷揚(yáng)機(jī)設(shè)置在橋面吊機(jī)后部的下橫縱梁主結(jié)構(gòu)之上,采用鋼絲繩傳力方式,通過導(dǎo)向滑輪改變鋼絲繩方向,與調(diào)繩動(dòng)滑輪及吊具配合,實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制節(jié)段梁的起升,靠卷揚(yáng)機(jī)自身的制動(dòng)功能保障整機(jī)吊裝工作的安全。卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)力源橋面吊機(jī)如圖1所示。

        以液壓千斤頂為動(dòng)力源的橋面吊機(jī),液壓千斤頂通常設(shè)置在橋面吊機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)上縱梁之上,采用鋼絞線直接與吊具連接,不需要導(dǎo)向滑輪,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制節(jié)段梁的垂直起升。此類型橋面吊機(jī)需為鋼絞線配置收線盤,靠液壓千斤頂自帶的錨具錨固力保障整機(jī)吊裝工作的安全。液壓千斤頂動(dòng)力源橋面吊機(jī)如圖2所示。

        圖1 卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)力源橋面吊機(jī)

        圖2 液壓千斤頂動(dòng)力源橋面吊機(jī)

        2.2 兩種類型動(dòng)力源橋面吊機(jī)比較

        卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)力源橋面吊機(jī)和液壓千斤頂動(dòng)力源橋面吊機(jī)各有特點(diǎn),兩者比較見表3所示。

        3 橋面吊機(jī)主要結(jié)構(gòu)[8-13]

        3.1 桁架支撐結(jié)構(gòu)

        橋面吊機(jī)桁架支撐結(jié)構(gòu)形式多樣,市場(chǎng)上出現(xiàn)過步履變幅式、組合梁式、桁架式等結(jié)構(gòu)形式。目前使用比較廣泛的支撐結(jié)構(gòu)為菱形桁架式,根據(jù)施工需要,可設(shè)計(jì)成單機(jī)單吊點(diǎn)桁架,見圖3所示。這種桁架結(jié)構(gòu)一般在上縱梁懸臂頂端設(shè)置一個(gè)吊點(diǎn),起升較小噸位預(yù)制節(jié)段梁,施工橋面寬度較小橋梁,其最大起升重量約120 t。

        圖3 單機(jī)單吊點(diǎn)桁架

        表3 兩種動(dòng)力源橋梁吊機(jī)特點(diǎn)比較

        單機(jī)雙吊點(diǎn)桁架,見圖4所示。這種桁架結(jié)構(gòu)在上縱梁懸臂頂端設(shè)置兩個(gè)吊點(diǎn),起升較大噸位預(yù)制節(jié)段梁,施工橋面較寬的橋梁,其最大起升重量約200 t。

        雙機(jī)并聯(lián)三吊點(diǎn)桁架,見圖5所示。這種結(jié)構(gòu)桁架由兩個(gè)橋面吊機(jī)并聯(lián)成一個(gè)超大吊機(jī),上縱梁懸臂頂端設(shè)置一個(gè)分配梁和3個(gè)吊點(diǎn),起吊超大噸位預(yù)制節(jié)段梁,施工超寬斷面橋梁用,其最大起升重量可達(dá)1 800 t左右。

        3.2 橋面吊機(jī)走行系統(tǒng)

        橋面吊機(jī)施工完成一個(gè)預(yù)制節(jié)段梁吊裝懸拼工作之后,整機(jī)需移動(dòng)到下一工作面繼續(xù)循環(huán)施工,橋面吊機(jī)自重大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,除少數(shù)橋面吊機(jī)采用履帶式移動(dòng)外,大部分橋面吊機(jī)整機(jī)采用軌道步進(jìn)滑移的移動(dòng)方式移動(dòng),滑移動(dòng)力為液壓千斤頂。在移動(dòng)前完成整機(jī)自重從橋面支撐到軌道面支撐的轉(zhuǎn)換,移動(dòng)到位后,吊裝工作前完成整機(jī)自重從軌道面支撐到橋面支撐的轉(zhuǎn)換。

        圖4 單機(jī)雙吊點(diǎn)桁架

        圖5 雙機(jī)并聯(lián)三吊點(diǎn)桁架

        橋面吊機(jī)軌道布置形式分兩軌道、三軌道、四軌道三種。

        兩軌道布置形式如圖6所示,每根軌道前后為通長(zhǎng),整體移動(dòng),軌道較長(zhǎng),重量較大,移動(dòng)需要約100 t左右較大水平推力。

        圖6 兩軌道布置形式

        三軌道布置形式如圖7所示,軌道布置為前二后一,后部軌道設(shè)置在橋面吊機(jī)結(jié)構(gòu)中心線處,前部?jī)绍壍涝O(shè)置在兩側(cè)下縱梁下方,橋面吊機(jī)在液壓缸的推動(dòng)下,通過軌道交替倒換前移,實(shí)現(xiàn)整機(jī)在軌道面步進(jìn)式滑動(dòng)前移。相對(duì)兩軌道布置形式,三軌道布置形式可減少整個(gè)軌道用量,減輕軌道重量,減小水平推力,整機(jī)移動(dòng)需要約50 t左右水平推力。橋面吊機(jī)后部?jī)蛇吔翘幮柙O(shè)置穩(wěn)定支點(diǎn)。

        圖7 三軌道布置形式

        四軌道布置方式如圖8所示,軌道布置為前后各兩條,前后部軌道均設(shè)置在兩側(cè)下縱梁下方,橋面吊機(jī)在液壓缸的推動(dòng)下,通過軌道交替倒換前移,實(shí)現(xiàn)整機(jī)在軌道面步進(jìn)式滑動(dòng)前移。這種軌道布置方式同樣可以減少軌道用量,減輕軌道重量,減小水平前移推力,其水平移動(dòng)需要約30 t左右水平推力。

        圖8 四軌道布置形式

        3.3 橋面吊機(jī)吊具系統(tǒng)

        根據(jù)工程實(shí)際,預(yù)制節(jié)段梁拼裝普遍采用主吊具配合副吊具進(jìn)行吊裝,鋼筋混凝土預(yù)制節(jié)段梁吊裝通過預(yù)應(yīng)力鋼筋與副吊具進(jìn)行錨固連接;鋼箱梁或鋼桁梁預(yù)制節(jié)段梁一般在橋面頂板設(shè)置吊耳,通過吊耳與副吊具連接。吊具根據(jù)吊裝需要結(jié)構(gòu)尺寸有所不同,每個(gè)吊具都具有獨(dú)立的千斤頂重心調(diào)節(jié)系統(tǒng),可對(duì)預(yù)制節(jié)段梁進(jìn)行水平角度的微調(diào),方便預(yù)制節(jié)段梁的對(duì)位安裝。鋼桁梁和鋼箱梁預(yù)制節(jié)段梁起升吊具系統(tǒng)如圖9、圖10所示。

        圖9 鋼桁梁起升吊具 圖10 鋼箱梁起升吊具

        預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁吊具如圖11所示。

        3.4 橋面吊機(jī)錨固、控制、電氣、液壓系統(tǒng)

        后錨是橋面吊機(jī)受力的關(guān)鍵部位,在梁段吊裝荷載條件下保持上舉狀態(tài),后錨固點(diǎn)一般利用預(yù)制節(jié)段梁梁面預(yù)留的臨時(shí)吊點(diǎn)進(jìn)行錨固。為了整機(jī)安全高效工作,整機(jī)控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)盡量選用知名廠家生產(chǎn)的質(zhì)量上乘元器件,保證元器件能穩(wěn)定可靠的工作。

        圖11 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁吊具

        4 我國(guó)橋面吊機(jī)目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)[4-5,14-15]

        4.1 橋面吊機(jī)存在的問題

        我國(guó)2019年建成的滬通長(zhǎng)江大橋,其主跨達(dá)到1 092 m,最大單體節(jié)段預(yù)制梁重達(dá)到1 630 t。平潭公鐵兩用海峽大橋單體節(jié)段預(yù)制梁重量超過1 000 t。盡管我國(guó)在橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)和使用方面取得了一定的成績(jī),但橋面吊機(jī)的發(fā)展還存在如下不足:

        (1)大噸位橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)自重較大,導(dǎo)致斜拉橋梁設(shè)計(jì)考慮橋面吊機(jī)重量因素過多,造成整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)冗余過大,造成材料浪費(fèi)。

        (2)大噸位橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)動(dòng)力源大多采用卷揚(yáng)機(jī)動(dòng)力源方式,在液壓千斤頂動(dòng)力源使用上設(shè)計(jì)還沒有取得相應(yīng)的突破。

        (3)新材料、新技術(shù)、智能化在橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)中鮮有使用。

        4.2 橋面吊機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

        未來我國(guó)斜拉橋建設(shè)將朝著超1 000 m的超大跨度設(shè)計(jì)、超大節(jié)段工廠工業(yè)化預(yù)制、超大重量預(yù)制節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)吊裝懸拼施工的趨勢(shì)發(fā)展。而與之相適應(yīng)的斜拉橋主梁吊裝施工裝備橋面吊機(jī),其自身也將向具備輕量化、超大噸位起吊能力、自動(dòng)化、智能化、信息化方向發(fā)展。

        在橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)上,輕質(zhì)高強(qiáng)新材料的研究使用必將成為未來研究的重點(diǎn)方向,采用輕質(zhì)高強(qiáng)新材料替換目前采用的各類型鋼材等主要受力結(jié)構(gòu),可明顯減輕整機(jī)自重,減少橋梁設(shè)計(jì)中考慮橋面吊機(jī)自重產(chǎn)生的冗余量,大大節(jié)省橋梁建造材料,將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)液壓千斤頂技術(shù)、錨固技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展,以液壓千斤頂為動(dòng)力源的起吊能力超1 000 t的超大噸位輕量化橋面吊機(jī)一定會(huì)迎來成功的突破和發(fā)展。

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