陸 慧

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

橋面吊機，又稱橋面懸臂吊機，是一種主要用于跨江跨海大橋拼裝施工的架橋機。本錨固系統(tǒng)是依托1 800 t變幅式橋面吊機主體框架設計，用于配合該吊機吊裝施工。本錨固系統(tǒng)也是該吊機過孔中重要的構件［1］。1 800 t變幅式橋面吊機如圖1所示。

圖1 1 800 t變幅式橋面吊機構造（單位：mm）

1 800 t變幅式橋面吊機主體采用4桁結構、3主支點、3吊點形式。3吊點設置起重量均衡系統(tǒng)，保證3吊點受力相等。機架的設計要求4桁結構從中間分開后可以變成2臺一樣的吊機機架，以便于以后其他項目的改造施工。因此1 800 t變幅式橋面吊機實際是用2臺吊機共同吊裝。2臺吊機機架需配備2臺錨固系統(tǒng)，并連接合并為一個整體［2］?；谏鲜鼋Y構特點及性能參數(shù)設計了本錨固系統(tǒng)。

2 錨固系統(tǒng)方案的優(yōu)勢

（1）目前，在橋面吊機提升鋼梁至橋面進行拼裝施工中，主梁節(jié)段的吊裝重量一般不超過500 t，能滿足橋面吊機吊裝能力在500 t以上的錨固系統(tǒng)國內外并不多。國內外錨固系統(tǒng)應用大多數(shù)是335 t；荊岳長江公路大橋最大吊裝重量180 t；蘇通大橋最大吊裝重量450 t等均為小噸位，本錨固系統(tǒng)能滿足橋面吊機最大吊重達1 800 t，遠遠超過一般錨固系統(tǒng)承受的后拉力或后支點反力。這表明，本設計在滿足吊重方面高于國內外平均水平。

（2）另外目前國內錨固系統(tǒng)與節(jié)段梁的連接通常是通過單鉸接桿件。例如南寧市五象大橋采用單鉸鏈桿的形式相連或者直接通過螺桿連接。由于后錨銷孔直徑有限，使得后錨點的連接難度增大，如果擴大銷孔，則可能導致后錨結構受力不均，引起安全隱患。若直接通過螺桿連接，將大大增加桿件的彎矩，造成螺桿壽命減短，增加拆裝難度。如荊岳長江公路大橋的錨固系統(tǒng)是采用8塊拉板和4根銷子完成；甌江大橋后端錨固是直接與預埋在主體結構中的連接板錨固。本設計的優(yōu)勢在于不僅采用多鉸接桿件連接方式，增大縱橫向容差，加快連接速度，保證錨固系統(tǒng)均衡受力，而且桿件與設計的桁架結構連接，避免了與架梁吊機直接接觸，此方式保證鏈桿在拆裝時不影響吊機結構，增加了拆裝速度，使得施工過程的操作效率更高，成本更低。

3 錨固系統(tǒng)設計方法研究

3.1 確定設計參數(shù)

錨固系統(tǒng)的設計首先取決于1 800 t變幅式橋面吊機設計參數(shù)的確定［3-4］。吊機的主體構造形式，決定了本系統(tǒng)的桁架結構設計形式，吊重決定了本系統(tǒng)的額定載荷能力；鋼梁上錨固耳板橫向間距大小，決定了本系統(tǒng)橫移裝置和旋轉裝置的橫向間距；吊機走行需規(guī)避障礙，決定了設備橫移裝置和旋轉裝置的功能設計；對于不同吊機結構形式，錨固系統(tǒng)應滿足不同的縱橫向調整要求。

3.2 設計方法

確定設計參數(shù)后，需要確定錨固系統(tǒng)總體結構形式，首先把錨固系統(tǒng)分成相對獨立的幾大系統(tǒng)。主要包含主承載結構體系、后錨結構系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（包括連接裝置、推拉裝置等）等3大系統(tǒng)。主承載結構體系是以適應1 800 t變幅式橋面吊機構造形式為目的而設計，后錨結構可依據(jù)節(jié)段梁的構造形式，確定其布置形式。考慮拆裝方便，主承載結構與吊機的連接采用銷軸，后錨結構采用螺桿與橋面吊點連接。

4 錨固系統(tǒng)結構設計

基于錨固系統(tǒng)設計方法的研究，將錨固系統(tǒng)分為主承載結構體系、后錨結構系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（包括連接裝置、推拉裝置等）等3大系統(tǒng)［5］。其中主承載構造體系主要指桁架結構；后錨結構系統(tǒng)包括旋轉裝置與橫移裝置；輔助系統(tǒng)包括連接裝置、推拉裝置、斜拉桿和倒鏈。錨固系統(tǒng)構造如圖2所示。

4.1 主承載結構體系

桁架結構是整個錨固系統(tǒng)的主構架，如圖1所示，主要用于連接旋轉裝置和橫移裝置，使3種結構形成一個整體，從而增強后錨系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。由于桁架結構本身的結構特點，也減少了彎矩和剪力的影響。旋轉裝置和橫移裝置分別位于桁架結構兩側，并設計為不等長，主要是對橋面橫坡影響的補償。使整個體系可簡化為簡支梁形式，各桿件的受力也更加明確。同時考慮1 800 t變幅式橋面吊機在喂梁時，由于旋轉和橫移裝置剛度一樣，可引起桁架結構產生偏斜側向力，故旋轉裝置和橫移裝置設計為柔性與剛性連接，工作時桁架結構橫向嚴格水平［6］，如圖 2a 所示。

4.2 后錨結構系統(tǒng)

4.2.1 橫移裝置

（1）橫移裝置設置于桁架結構端部（無連接裝置一側），通過小橫聯(lián)和橫聯(lián)下的通孔，與鋼梁上的耳板連接。且在橫聯(lián)上的滑移量為500 mm，如圖3所示。主要用以避免1 800 t變幅式橋面吊機縱移時對鋼梁上的錨箱與斜拉索的影響。小橫聯(lián)和橫聯(lián)下通孔左右兩側設置鋼板加強。橫移裝置也可做100 mm的高度調節(jié)，滿足安裝和功能需要的便捷性。橫移裝置與橋面耳板的錨固結構設計為多鉸接桿件，確保錨固結構受力均勻［7］。

圖3 橫移裝置總成（單位：mm）

（2）在橫移裝置安裝時應注意，將螺母與吊軸通過墊套頂死，不能存在間隙，以保證1 800 t變幅式橋面吊機的部分載荷通過吊軸與卡座傳遞給鋼梁。吊軸連接下部卡座與耳板結構前，應將螺母和卡座與吊軸旋緊，保證吊軸下部擋塊與卡座頂緊。通過吊軸調節(jié)卡座、吊耳結構和鋼梁耳板的間隙，來滿足鋼梁2%的橫坡。橫移裝置構造如圖3所示。

4.2.2 旋轉裝置

（1）旋轉裝置設置于連接裝置對應耳座處，通過銷軸與連接裝置鉸接。旋轉裝置可沿桁架結構縱向做微小擺動，方便滿足整個結構受力需要，旋轉裝置下部與設置于鋼梁上的耳板鉸接。根據(jù)1 800 t變幅式橋面吊機的結構特點確定，旋轉裝置的錨固力均大于橫移裝置。同時旋轉裝置的結構也相對復雜，且在橫聯(lián)上可轉動90°。主要用以避免1 800 t變幅式橋面吊機縱移時對鋼梁上的錨箱與斜拉索的影響。旋轉裝置構造如圖4所示。

圖4 旋轉裝置總成（單位：mm）

（2）安裝時注意，保證旋轉裝置在擺動時與連接裝置不發(fā)生碰撞。位于吊梁耳板兩側的吊軸在安裝螺母之后剛好不與耳板干涉，保證整個結構設計合理且滿足錨固的功能。由于旋轉裝置下部結構的設計與橫移裝置類似，其他安裝注意事項可參考橫移裝置。

4.3 輔助系統(tǒng)

4.3.1 連接裝置

（1）連接裝置通過高強螺栓和桁架結構的橫聯(lián)下結構連為一個整體。故桁架結構與旋轉裝置可通過連接裝置間接相連。連接裝置作為可拆卸結構主要是方便拆除，通過拆卸螺栓斷開與桁架結構的連接，來滿足旋轉動作，進而帶動旋轉裝置的轉動。同時連接裝置也是重要的受力構件，旋轉裝置可通過連接裝置實現(xiàn)對1 800 t變幅式橋面吊機的錨固作用。連接裝置構造如圖2b所示。

（2）連接裝置采用變截面形式，并在變截面處設置鋼板加強［8］。以保證旋轉裝置的豎向安裝空間。同時給推拉裝置預留了安裝空間。

4.3.2 推拉裝置與斜拉桿

（1）推拉裝置主要用以調整旋轉裝置與桁架結構水平方向的夾角。消除1 800 t變幅式橋面吊機縱移時對鋼梁上錨箱與斜拉索的影響。推拉裝置構造如圖2b所示。

（2）斜拉桿將桁架結構橫聯(lián)上與連接裝置連為一體，減弱連接裝置與桁架結構連接處螺栓承受的剪力，把部分載荷傳到橫聯(lián)上的節(jié)點處，保證連接裝置與桁架結構形成一個整體，增強整體穩(wěn)定性。需要注意當連接裝置與桁架結構斷開的同時保證斜拉桿與連接裝置斷開。此時斜拉桿通過連接在桁架結構上的倒鏈托拽，完全與連接裝置脫離，整個結構就完成了從拆除到旋轉的動作。斜拉桿構造如圖2a所示。

4.3.3 倒鏈

倒鏈的主要作用是輔助斜拉桿完成拆除動作。斜拉桿在拆除之前倒鏈處于收起狀態(tài)，可防止磨損。注意，準備拆卸連接裝置時，倒鏈中鏈條伸出，吊鉤連接斜拉桿，鏈條收緊，當連接裝置完全拆除時，倒鏈需要繼續(xù)收緊直到不與連接裝置的耳座干涉。當連接裝置回轉需要和斜拉桿重新連接時，倒鏈可緩慢放松，直到斜拉桿放置到合適位置停止。通過銷軸連接之后，倒鏈方可收回。倒鏈構造如圖2a所示。

5 錨固系統(tǒng)結構安全驗算

本次驗算包括受力說明和關鍵結構計算兩部分。

5.1 受力說明

（1）針對錨固系統(tǒng)受力狀況，分析其載荷來源。

（2）本錨固系統(tǒng)主要用于1 800 t變幅式橋面吊機的吊裝作業(yè)，基于此作用，可知錨固系統(tǒng)主要承受載荷來自吊重。由于在吊裝過程中，存在環(huán)境因素的影響，在驗算時還需考慮風荷載引起的偏載，考慮整機在架梁工況時，由前支點和后錨點共同承載，因此錨固系統(tǒng)載荷為部分吊重及風載。經對荷載來源分析，錨固系統(tǒng)最不利工況為吊機架梁工況［9-10］。1 800 t變幅式橋面吊機性能參數(shù)見表1［11］。

表1 1 800 t橋面吊機性能參數(shù)

①吊重：1 800 t。

②風荷載：考慮吊機在承受當?shù)刈畲箫L載時停止作業(yè)，節(jié)段梁吊裝時按當?shù)刈畲箫L載考慮。

工作狀態(tài)最大風荷載：

式中，C為風力系數(shù)；PⅡ為工作狀態(tài)最大風壓（N/m2）；A為實體迎風面積（m2），以鋼桁梁為例考慮實體迎風面積由鋼梁各桿件的面積總和構成。

因此，工作狀態(tài)下最大風荷載為60 kN。

5.2 關鍵結構計算

根據(jù)上文受力說明以及錨固系統(tǒng)的結構尺寸，對其在最不利工況下受力和變形進行了計算分析。針對結構分析的準確性，需增加1 800 t變幅式橋面吊機主框架一起建模計算。

受力狀況通過橋梁專用計算軟件Midas/Civil建模進行驗算，計算模型采用梁單元和桁架單元，材料選用Q345C和Q420D，吊機整機計算模型如圖5所示，錨固系統(tǒng)主承載桁架結構各桿件計算結果見表2。

表2 錨固系統(tǒng)主承載桁架結構各桿件計算結果

圖5 吊機計算模型

由表2計算可得，最不利工況下錨固系統(tǒng)主承載桁架結構各桿件的強度、剛度、整體穩(wěn)定性，均滿足要求。

由圖6可知，最不利工況下橫移裝置最大拉力不超過500 t，旋轉裝置最大拉力不超過450 t，根據(jù)錨固拉力手工驗算橫移和旋轉裝置強度、剛度及穩(wěn)定性，結構均滿足設計和規(guī)范要求。

圖6 錨固系統(tǒng)計算反力

由圖7可知，主承載桁架結構最大應力為201 MPa＜293 MPa，并對局部焊縫進行手工驗算，同樣滿足受力要求，并且具有較大安全系數(shù)。

圖7 錨固系統(tǒng)計算應力

計算分析表明：通過對錨固系統(tǒng)的受力驗算，各構件均在安全范圍內，能滿足1 800 t變幅式橋面吊機吊裝施工要求。

6 結束語

通過理論計算驗證了本次設計的錨固系統(tǒng)能夠滿足1 800 t變幅式橋面吊機所需的錨固力要求，并且可拆分為2臺，適用于不同的橋寬，便于反復利用。對未來橋梁的吊裝施工存在一定的參考價值。設計細節(jié)表明該錨固系統(tǒng)具有結構輕便、拆裝方便、操作簡單、控制精度較高等特點。巧妙的旋轉設計為吊機走行過程中遇到的橋面障礙進行了規(guī)避，提高了現(xiàn)場工作效率，通過有限元軟件對結構的安全進行驗證，保證了施工安全，降低了施工成本［12］。