萬(wàn) 鵬 諶啟發(fā) 梁志新 王治斌

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

1 引言

截止到2020年，我國(guó)高速鐵路已經(jīng)達(dá)到3.9萬(wàn)km，西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)的高速鐵路建設(shè)逐年增多，這些地區(qū)高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)在橋梁建設(shè)費(fèi)用中的比重較大，若能夠?qū)崿F(xiàn)跨度40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的規(guī)?；瘧?yīng)用，將在一定條件下可提高橋梁的經(jīng)濟(jì)性，該方案的實(shí)現(xiàn)將為我國(guó)大跨度簡(jiǎn)支梁架設(shè)提供有力的技術(shù)支持［1-3］。同時(shí)40 m梁在與更高速度列車的動(dòng)力響應(yīng)匹配上也具有優(yōu)勢(shì)［4］。千噸級(jí)40 m運(yùn)架一體機(jī)（昆侖號(hào)架橋機(jī)）就是為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)架1 000 t/40 m梁研發(fā)的，要滿足在2 000 m小曲線、30‰大坡道架梁，特別是要順利通過(guò)250 km/h和350 km/h隧道，并要在隧道口、甚至隧道內(nèi)架梁［5］。運(yùn)架一體機(jī)不僅要滿足運(yùn)架40 m梁各種工況的需要，更要滿足下部結(jié)構(gòu)荷載的要求，但是40 m梁重量增大，且梁長(zhǎng)增加，而一體機(jī)所要達(dá)到的各項(xiàng)速度指標(biāo)以及安全性指標(biāo)不能降低，多重原因致使傳統(tǒng)設(shè)備方案無(wú)法實(shí)施，因此有必要對(duì)新型運(yùn)架一體機(jī)進(jìn)行研究。

2 現(xiàn)有運(yùn)架一體機(jī)可行性分析

現(xiàn)有運(yùn)架一體機(jī)有SLJ900流動(dòng)式架橋機(jī)（見圖1）和YJ900下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)（見圖2）兩種機(jī)型。SLJ900流動(dòng)式架橋機(jī)是由石家莊鐵道大學(xué)研發(fā)的，主要包括主梁、前車、后車、起升系統(tǒng)、輔助支腿、主支腿以及電液系統(tǒng)等組成。下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)原型由意大利的NICOLA公司研發(fā)，是我國(guó)消化吸收再創(chuàng)新的一個(gè)機(jī)型，設(shè)備主要包括運(yùn)架梁機(jī)、導(dǎo)梁機(jī)兩部分，運(yùn)架梁機(jī)含主梁、前車、后車、起升系統(tǒng)和電液系統(tǒng)，導(dǎo)梁機(jī)含導(dǎo)梁、前支腿、中支腿和后支腿［6］。

圖1 SLJ900/32型運(yùn)架一體機(jī)

圖2 YJ900型運(yùn)架一體機(jī)

SLJ900/32流動(dòng)式架橋機(jī)和YJ900下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)，均可提運(yùn)雙線整孔箱梁順利通過(guò)250 km/h和350 km/h隧道，適用于山區(qū)高速鐵路（橋隧相連）架梁，并可在隧道口零距離、甚至隧道內(nèi)架梁。

SLJ900/32流動(dòng)式架橋機(jī)優(yōu)點(diǎn)為工況適應(yīng)能力強(qiáng)，該機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)下導(dǎo)梁，作業(yè)程序簡(jiǎn)單，而缺點(diǎn)是運(yùn)輸總體重量大，運(yùn)輸效率低，消耗燃料較多。YJ900下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)與流動(dòng)式架橋機(jī)相比的優(yōu)勢(shì)為運(yùn)輸總體重量低，效率略高，消耗燃料少，而缺點(diǎn)是下導(dǎo)梁過(guò)孔操作復(fù)雜，特別是在隧道口和首末孔梁需要特殊處理。

兩種運(yùn)架一體機(jī)雖然有各自的優(yōu)勢(shì)，但是應(yīng)用在40 m梁架設(shè)從技術(shù)指標(biāo)上受到很多限制，350 km/h雙線40 m箱梁，梁長(zhǎng)40.6 m，計(jì)算跨度39.3 m，箱梁截面高度為3.235 m，相比傳統(tǒng)的32 m梁，重量增加了100～180 t，跨度增加了8 m，高度增加了0.2 m［7］，流動(dòng)式架橋機(jī)在運(yùn)架32 m時(shí)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)已經(jīng)很低，且主要結(jié)構(gòu)受力指標(biāo)已經(jīng)接近極限，面對(duì)梁長(zhǎng)更長(zhǎng)和重量更重的情況，主梁結(jié)構(gòu)尺寸勢(shì)必加大，而且傳統(tǒng)的鋼材無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)受力要求，隧道通過(guò)性能降低。梁重增加致使下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)的運(yùn)梁機(jī)和導(dǎo)梁機(jī)總體高度都要增加，隧道口架梁將受到影響，無(wú)法滿足隧道口0 m架梁的要求；跨度加大引起的導(dǎo)梁機(jī)加長(zhǎng)將無(wú)法適應(yīng)小曲線架設(shè)要求，同時(shí)可能會(huì)遇到在坡道架梁的安全性降低等問(wèn)題。將傳統(tǒng)的運(yùn)架一體機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的加長(zhǎng)、增高或更換材料等簡(jiǎn)單的改造已不能滿足40 m梁運(yùn)架要求，需進(jìn)行新的方案研究［8-11］。

3 昆侖號(hào)架橋機(jī)（運(yùn)架一體機(jī)）總體方案研究

課題組率先開展了下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)研究，主要考慮該方案運(yùn)架梁機(jī)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性好，且加工制造難度不高，主要思路為融合TLJ900架橋機(jī)支腿方式，通過(guò)運(yùn)架梁機(jī)增加支腿，可使導(dǎo)梁機(jī)空載過(guò)孔，提高其過(guò)孔的安全性；增加多功能臺(tái)車承接和分配架橋機(jī)荷載，減少導(dǎo)梁彎矩，有效降低了導(dǎo)梁截面尺寸。為了找到最佳方案，又開展了上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)研究，主要思路是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用要求和相關(guān)規(guī)范調(diào)整架橋機(jī)的主梁最大喂梁跨度剛度目標(biāo)值（定點(diǎn)起吊的架橋機(jī)主梁靜態(tài)剛度可不大于S/300）［12］，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用更高強(qiáng)度鋼材控制總體重量和截面尺寸；考慮改變主梁分層連接形式，增加主梁橫向剛度；主支腿的結(jié)構(gòu)調(diào)整為可變位折疊結(jié)構(gòu)，增加其工況適應(yīng)性；輔助支腿增加橫向滑動(dòng)功能，適應(yīng)小曲線半徑；研制新型自潤(rùn)滑軸承降低總體高度并提高其穩(wěn)定性。

3.1 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)方案

1 000 t/40 m下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)由運(yùn)梁機(jī)、導(dǎo)梁機(jī)以及多功能臺(tái)車組成，如圖3所示。采用運(yùn)梁機(jī)提吊運(yùn)梁，導(dǎo)梁機(jī)輔助運(yùn)梁機(jī)過(guò)孔架梁。導(dǎo)梁機(jī)留置在架梁工位，運(yùn)梁機(jī)往返于梁場(chǎng)與架梁工位之間運(yùn)架箱梁。運(yùn)梁機(jī)和導(dǎo)梁機(jī)通過(guò)多功能臺(tái)車連接，運(yùn)梁機(jī)前車上導(dǎo)梁機(jī)的多功能臺(tái)車，多功能臺(tái)車通過(guò)中位驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)梁機(jī)后車共同作用，將梁片喂梁就位。喂梁就位后，運(yùn)梁機(jī)將中支腿撐出，支撐平穩(wěn)后，運(yùn)梁機(jī)前部通過(guò)吊架將導(dǎo)梁提住，并形成體系轉(zhuǎn)換，導(dǎo)梁機(jī)收起后支腿，中位驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)導(dǎo)梁機(jī)前行。

圖3 1 000 t/40 m運(yùn)架一體機(jī)整體示意

運(yùn)梁機(jī)由主梁、前車、后車、中支腿、前后吊點(diǎn)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及液壓電氣控制系統(tǒng)等主要部分組成，導(dǎo)梁機(jī)由主梁、前支腿、中支腿、后支腿、液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等主要部分組成，多功能臺(tái)車包括中位驅(qū)動(dòng)器、臺(tái)車、平臺(tái)、掛架等組成，如圖4所示。

圖4 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)示意

新型下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）運(yùn)梁機(jī)增加了可以伸縮的中支腿和掛架，可以使下導(dǎo)梁僅在自重條件下前后移動(dòng)，有效地提高了其安全性。

（2）下導(dǎo)梁可前后移動(dòng)，增加了特殊工況下的適應(yīng)性，特別是前支腿采用懷抱式，可左右橫移能夠?qū)崿F(xiàn)在小曲線半徑下架梁。

（3）前、中、后支腿均能實(shí)現(xiàn)高度方向的調(diào)節(jié)，使得導(dǎo)梁機(jī)能夠高位和低位轉(zhuǎn)化，增加了施工的便捷性。

（4）多功能臺(tái)車將原有的集中荷載變成長(zhǎng)度方向的均布荷載，大大減小了導(dǎo)梁機(jī)的截面高度，為實(shí)現(xiàn)隧道口架梁提供了有利條件。同時(shí)多功能臺(tái)車掛架與運(yùn)梁機(jī)掛架配合可提吊導(dǎo)梁前后移動(dòng)。

3.2 上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)方案

1 000 t/40 m上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)集運(yùn)輸和架設(shè)于一體，采用提吊運(yùn)輸?shù)姆绞?，在路基段取梁時(shí)，自身可以直接完成取梁、運(yùn)梁以及喂架梁作業(yè)，而在橋位取梁時(shí)，需要通過(guò)提梁機(jī)套梁輔助作業(yè)?？煽紤]在橋墩較矮時(shí)搭建落梁平臺(tái)，提高運(yùn)架一體機(jī)的取梁效率。運(yùn)架一體機(jī)主結(jié)構(gòu)由主梁、前車系統(tǒng)、后車系統(tǒng)、中支腿、主支腿、起重提升系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等主要部分組成，如圖5所示。

圖5 上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)組成示意

上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）主要結(jié)構(gòu)首次采用了GT785鋼材，大大提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)尺寸受限的條件下滿足規(guī)范要求，同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)重量。

（2）主梁采用分層疊合結(jié)構(gòu)，通過(guò)T板連接，可增加結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，擴(kuò)大前部開洞區(qū)域，有效減輕懸臂自重并減少風(fēng)載的影響。

（3）首次研制了可拉壓大噸位自潤(rùn)滑軸承，提高了結(jié)構(gòu)支撐的穩(wěn)定性，保證軸承受力時(shí)能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在小曲線喂梁時(shí)自由靈活。

（4）提出了可變位主支腿折疊結(jié)構(gòu)，滿足在不同高度下支腿回收的需要；改變了主支腿喂梁過(guò)程中支撐體系，使得受力更加明確，原有結(jié)構(gòu)作為輔助保護(hù)。

3.3 方案比選

3.3.1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)設(shè)計(jì)總重量約1 470 t，上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)設(shè)計(jì)總重約997 t，從設(shè)備本身的經(jīng)濟(jì)性考慮，上導(dǎo)梁式能夠減少成本投入700萬(wàn)左右。從運(yùn)梁成本來(lái)講，下導(dǎo)梁式一體機(jī)運(yùn)梁機(jī)自重約780 t，下導(dǎo)梁式運(yùn)梁油耗低11.5%，按一個(gè)架梁周期運(yùn)架300孔梁考慮，燃油成本平均減少66萬(wàn)。綜合對(duì)比，兩設(shè)備在10個(gè)架梁周期成本相當(dāng)。

3.3.2 適應(yīng)性對(duì)比

上、下導(dǎo)梁式一體機(jī)在2 000 m小曲線架梁時(shí)都因設(shè)備長(zhǎng)度原因調(diào)整困難，但是通過(guò)輔助設(shè)施都能有辦法解決，在隧道進(jìn)出口架梁時(shí)，上導(dǎo)梁一體機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道進(jìn)出口0 m架梁，甚至滿足隧道內(nèi)架梁，而下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)在架設(shè)隧道進(jìn)口梁時(shí)，需要足夠的空間安放托輥輪，只能滿足＋2.5 m架梁。因此上導(dǎo)梁式一體機(jī)工況適應(yīng)性較好。

3.3.3 安全性對(duì)比

下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)采用順坡架梁，在導(dǎo)梁過(guò)孔時(shí)改變了原有的重載拖拉的方式，導(dǎo)梁過(guò)孔安全性有所提高，但是此時(shí)架梁機(jī)采用高支腿支撐在橋墩上，導(dǎo)梁過(guò)孔需要通過(guò)架梁機(jī)支腿提供反力，又使架梁機(jī)安全性下降。上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)采用調(diào)坡架梁，并且一次喂梁過(guò)程中可以檢驗(yàn)整體受力狀態(tài)，可有效保證二次喂梁安全，但整個(gè)過(guò)程都需要保證主支腿的穩(wěn)定，主支腿支撐狀態(tài)是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵，從安全性來(lái)講上導(dǎo)梁式一體機(jī)操作簡(jiǎn)捷，安全性更高。

3.3.4 比選結(jié)果

綜合比較，昆侖號(hào)架橋機(jī)選擇了初期成本投入低、工況適應(yīng)性好、安全性更高的上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)作為加工制造方案。

4 昆侖號(hào)架橋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020年6月21日，昆侖號(hào)架橋機(jī)（見圖6）在福廈鐵路首架應(yīng)用，所架設(shè)湄洲灣特大橋地處莆田，為臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，每年7～10月受臺(tái)風(fēng)影響較大。本標(biāo)段箱梁架設(shè)有298孔40 m，最大坡度12.6‰，最小曲線8 000 m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)昆侖號(hào)架橋機(jī)結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)提運(yùn)梁工況和架（喂）梁最大跨度工況（最不利工況），進(jìn)行了1.1倍額定荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為運(yùn)梁狀態(tài)下主梁撓跨比S/446，架梁狀態(tài)下主梁撓跨比S/1200，主梁應(yīng)力360.3 MPa，考慮自重應(yīng)力后接近410 MPa。根據(jù)測(cè)試結(jié)果得到主梁變形和應(yīng)力結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，且運(yùn)架狀態(tài)滿足相關(guān)規(guī)范要求［13］。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)主要結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行了多次探傷，經(jīng)探測(cè)焊縫狀態(tài)好，無(wú)初始缺陷，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖6 昆侖號(hào)架橋機(jī)海上架梁

昆侖號(hào)架橋機(jī)運(yùn)梁效率隨運(yùn)距變化而變化，在實(shí)施過(guò)程中優(yōu)化了提梁和裝梁的工序，加快了裝梁時(shí)間。湄洲灣大橋最遠(yuǎn)運(yùn)距約10 km，昆侖號(hào)架橋機(jī)平均運(yùn)速重載可達(dá)到3 km/h，空載達(dá)到7 km/h，作業(yè)時(shí)間如表1所示。

表1 運(yùn)架一體機(jī)運(yùn)架梁作業(yè)時(shí)間

試用期間昆侖號(hào)架橋機(jī)最快架設(shè)箱梁速度為3孔/d，平均架設(shè)速度2孔/d，由于提梁站所處位置墩高30 m，提梁上橋時(shí)間占用較長(zhǎng)，如處于路基或者矮墩位置效率會(huì)有所提高。昆侖號(hào)架橋機(jī)（運(yùn)架一體機(jī)）與南沿江所應(yīng)用的高速鐵路40 m分體式架橋機(jī)對(duì)比，效率相當(dāng)，但昆侖號(hào)架橋機(jī)每個(gè)臺(tái)班消耗燃料約1 900 L，最高消耗2 650 L，燃料費(fèi)平均約1.3萬(wàn)元，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，需要制定有針對(duì)性的優(yōu)化方案，減輕設(shè)備自重，進(jìn)一步提高其應(yīng)用價(jià)值。該機(jī)型已完成150余孔箱梁架設(shè)，完成了首末孔梁、懸臂橋臺(tái)等特殊工況架設(shè)，且于場(chǎng)內(nèi)完成多次調(diào)頭作業(yè)，至今安全可靠。

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，昆侖號(hào)架橋機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)總體方案是合理可行的，能夠滿足高速鐵路24～40 m梁運(yùn)架，其荷載滿足下部結(jié)構(gòu)的要求，試驗(yàn)成果為后續(xù)深入研究提供可靠依據(jù)并可得出以下結(jié)論：

（1）上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)運(yùn)架效率與新型40 m梁分體式架橋機(jī)效率接近，但經(jīng)濟(jì)性偏低。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，規(guī)范中關(guān)于定點(diǎn)起吊的架橋機(jī)主梁靜態(tài)剛度目標(biāo)值可不大于S/300是可行的，其合理性可通過(guò)工程實(shí)踐繼續(xù)驗(yàn)證。

（3）GT785的鋼材應(yīng)用于架橋機(jī)不僅可以減小結(jié)構(gòu)尺寸，而且會(huì)減輕結(jié)構(gòu)總體重量，可為后續(xù)架橋機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

（4）新研制的大噸位自潤(rùn)滑軸承性能可靠，可繼續(xù)推廣應(yīng)用。

建議通過(guò)工業(yè)化試驗(yàn)研究，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備，降低自重，提高上導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。