梁 輝

中鐵九橋工程有限公司 九江 332004

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，隨著廣東汕頭海灣大橋的開工建設(shè)，拉開了我國現(xiàn)代化懸索橋建設(shè)的序幕，我國成功建成了廣東虎門大橋、廣州珠江黃埔大橋、廈門海滄大橋、潤揚(yáng)長江大橋、武漢鸚鵡洲長江大橋等大跨度懸索橋，纜載起重機(jī)作為懸索橋主梁安裝施工的專用設(shè)備，其應(yīng)用也日益廣泛。近年來，我國啟動了武漢楊泗港長江大橋、連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋這2座千米級特大懸索橋的建設(shè)，對纜載起重機(jī)的額定起重量和工作效率提出了更高要求，故需對纜載起重機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 工程概況

楊泗港長江大橋?yàn)橹骺? 700 m 的雙層鋼桁梁公路懸索橋，主纜直徑為1 088 mm，主纜間距為28 m，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為18 m，主橋加勁梁為華倫式桁架全焊結(jié)構(gòu)，桁高為10 m，節(jié)間距為9 m，主桁橫向中心距為28 m，鋼梁橫斷面布置如圖1所示。鋼梁采用整體節(jié)段制造安裝，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長為36 m，最大質(zhì)量為1 050 t；特殊節(jié)段長為17.57～26.5 m，最大質(zhì)量為784 t。

圖1 楊泗港長江大橋鋼梁橫斷面

五峰山長江大橋?yàn)橹骺? 092 m的雙層鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，主纜直徑為1 300 mm，間距為43 m，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為14 m，主橋加勁梁為板桁結(jié)合鋼桁梁結(jié)構(gòu)，桁高為16 m，節(jié)間距為14 m，主桁橫向中心距為30 m，鋼梁橫斷面布置如圖2所示。鋼梁采用整體節(jié)段制造安裝，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長為28 m，最大質(zhì)量為1 760 t；特殊節(jié)段長為11.2～14 m，最大質(zhì)量為694 t。

圖2 五峰山長江大橋鋼梁橫斷面

2座懸索橋梁段質(zhì)量較大，所需纜載起重機(jī)的起重量與以往設(shè)備（此前國內(nèi)最大的纜載起重機(jī)為應(yīng)用于武漢鸚鵡洲長江大橋的500 t纜載起重機(jī)）相比將近翻了一番，量變引起質(zhì)變，起重量的大幅提升加大了纜載起重機(jī)的設(shè)計(jì)難度，而為了降低成本，2座懸索橋要采用同一套設(shè)備施工，故需纜載起重機(jī)具備極強(qiáng)的通用性。

2 纜載起重機(jī)主要技術(shù)要求

1）起重能力 纜載起重機(jī)的起重能力，需滿足2座大橋最重達(dá)1 760 t的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁、最重達(dá)784 t的特殊節(jié)段梁的安裝要求。

2）通用性 該纜載起重機(jī)需先后應(yīng)用于楊泗港長江大橋、五峰山長江大橋，但2座懸索橋的主纜直徑、主纜間距、梁段長度、吊點(diǎn)位置等參數(shù)均不相同，為節(jié)約改造成本，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能提升通用性，減少適應(yīng)2座大橋時(shí)的改造量。

3）快速化施工與安全性 2座大橋均為國家重點(diǎn)工程，工期緊張，需提升纜載起重機(jī)的自動化水平和工作效率，并采取充分的安全措施確保鋼梁的安裝安全高效。

3 總體方案選擇

3.1 額定起重量的選擇

2座大橋最重標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁達(dá)1 760 t，最重特殊節(jié)段梁達(dá)784 t，若采用單臺纜載起重機(jī)吊裝最重的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁，則纜載起重機(jī)額定起重量過大，由此造成的不利影響有：1）會導(dǎo)致起重機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及配套設(shè)備巨大，整機(jī)自重過大，鋼梁提升和空載行走過程中均會對主纜產(chǎn)生較大壓力，主纜局部應(yīng)力較大；2）纜載起重機(jī)提梁作業(yè)主要依靠主纜索夾來承受纜載起重機(jī)的下滑力，單機(jī)下滑力過大則索夾有滑移的風(fēng)險(xiǎn)；3）2座大橋鋼梁節(jié)段尺寸（最長36 m）較長，配置的吊具較大，也會增加整機(jī)質(zhì)量。

綜合考慮以上因素，采取雙機(jī)安裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁、單機(jī)安裝單節(jié)特殊整節(jié)段梁的方式，選擇單機(jī)額定起重量為900 t，雙機(jī)聯(lián)動作業(yè)起重能力達(dá)1 800 t，即可滿足2橋鋼梁的安裝要求。

3.2 提升方式的選擇

纜載起重機(jī)的提升方式有卷揚(yáng)機(jī)提升和液壓千斤頂提升2種。采用卷揚(yáng)機(jī)提升，其提升速度較快，當(dāng)起重量和起升高度增加時(shí)，鋼絲繩直徑和長度增加，卷揚(yáng)機(jī)增大；當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)安裝在纜載起重機(jī)內(nèi)時(shí)，纜載起重機(jī)主桁架需進(jìn)一步加大，技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性降低，故卷揚(yáng)機(jī)提升方式不太適于起重量和起升高度較大的鋼梁安裝。若采用液壓千斤頂提升，其起重量大、提升高度大、同步控制精度較高、結(jié)構(gòu)尺寸較為緊湊，提升速度較慢，最大約為30 m/h，且設(shè)備成本相對較高。

考慮到同步控制精度和結(jié)構(gòu)尺寸緊湊的優(yōu)勢，故選擇液壓千斤頂提升方式，并對提升系統(tǒng)增加空載快速下放功能，以提高施工速度。

3.3 牽引方式的選擇

纜載起重機(jī)的牽引方式有卷揚(yáng)機(jī)牽引和液壓千斤頂牽引2種。若采用卷揚(yáng)機(jī)牽引，其牽引速度較快，且鋼絲繩收放操作簡單，人工輔助工作較少。若采用液壓千斤頂牽引，其牽引速度較慢，鋼絞線收放時(shí)人工輔助工作較多。為了提升纜載起重機(jī)的行走效率，選擇卷揚(yáng)機(jī)牽引方式。

4 主要技術(shù)參數(shù)

單臺纜載起重機(jī)的額定起重量為900 t，雙機(jī)聯(lián)合作業(yè)時(shí)額定起重量可達(dá)1 800 t，可滿足楊泗港長江大橋和五峰山長江大橋鋼梁安裝施工需求，單臺纜載起重機(jī)適應(yīng)主纜中心距為28 m、43 m，適應(yīng)主纜直徑為1 088 mm、1 300 mm，適應(yīng)主纜最大坡度為30°，載重提升速度為30 m/h，空載動力下放速度為80 m/h，鋼絞線卷線盤容量為250 m，起升高度為75 m，整機(jī)自重為330 t。

5 主要結(jié)構(gòu)組成

如圖3所示，單臺900 t纜載起重機(jī)由1個(gè)主桁架、2套提升機(jī)構(gòu)、2套行走機(jī)構(gòu)、2套牽引系統(tǒng)、2個(gè)吊具、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖3 900t纜載起重機(jī)總體布置

5.1 主桁架結(jié)構(gòu)

如圖4所示，主桁架分為承重梁和中間桁架2部分，兩端的承重梁上安裝液壓提升千斤頂，為主要承重結(jié)構(gòu)。中間桁架對主桁架整體起剛性支撐作用，桁架內(nèi)安裝鋼絞線收放裝置、液壓泵站、主控臺、駕駛室等，并為施工操作提供工作平臺。承重梁與中間桁架的連接、中間桁架各節(jié)段之間的連接均采用銷軸連接，其他部件之間的連接多為螺栓連接。

圖4 主桁架結(jié)構(gòu)

5.2 提升機(jī)構(gòu)

如圖5所示，單臺900 t纜載起重機(jī)設(shè)有2套提升機(jī)構(gòu)，單套提升機(jī)構(gòu)由1臺600 t提升千斤頂、1個(gè)鋼絞線導(dǎo)向裝置、1個(gè)鋼絞線卷線盤、1束鋼絞線等組成。

圖5 提升機(jī)構(gòu)示意圖

提升千斤頂由主液壓缸、上下錨具液壓缸、安全錨具液壓缸、鋼絞線導(dǎo)向管、支撐立柱等組成。主液壓缸為穿心式液壓缸，最大工作壓力為31.5 MPa，行程為400 mm，額定推力為600 t。為了防止鋼絞線在液壓缸內(nèi)部折斷或損壞，在液壓缸內(nèi)部設(shè)置有鋼絞線導(dǎo)向管。提升千斤頂設(shè)有安全錨具液壓缸，工作時(shí)處于常開狀態(tài)，非工作狀態(tài)或意外狀態(tài)自動夾緊鋼絞線，能更好地提高提升作業(yè)及更換夾片時(shí)的安全性。

鋼絞線卷線盤的容量為250 m，由液壓馬達(dá)驅(qū)動，通過電液比例調(diào)速技術(shù)既能適應(yīng)提升工況的慢速轉(zhuǎn)動，又能實(shí)現(xiàn)纜載起重機(jī)空載快速下放吊具，下放速度可達(dá)80 m/h。鋼絞線直徑為17.8 mm，每束鋼絞線為40根，左旋、右旋交錯(cuò)布置。

5.3 行走機(jī)構(gòu)

如圖6所示，行走機(jī)構(gòu)由行走端梁、行走輪、行走輪升降液壓缸、承壓塊及抱箍、下滑力傳遞抱箍、防走偏裝置等組成。行走輪升降液壓缸和行走輪裝于行走端梁內(nèi)，行走輪可在升降液壓缸作用下沿端梁內(nèi)的導(dǎo)向裝置做伸縮動作。行走輪采用MC尼龍材料，以避免損傷主纜鋼絲。

圖6 行走機(jī)構(gòu)示意圖

承壓塊將纜載起重機(jī)提梁作業(yè)時(shí)整機(jī)的壓力和下滑力分別傳遞至主纜和索夾，是起重機(jī)的重要受力部件。單個(gè)行走機(jī)構(gòu)設(shè)有3個(gè)承壓塊，中間承壓塊較大，工作時(shí)作為主支撐，承受大部分壓力荷載；兩端承壓塊為輔助支撐，此方式可避免端梁承受較大的彎曲荷載。3個(gè)承壓塊均可獨(dú)立傳遞提梁工況時(shí)的整機(jī)下滑力，極大增強(qiáng)了纜載起重機(jī)在主纜上站位的靈活性。

該機(jī)構(gòu)的基本工作原理：在鋼梁吊裝工況下，行走輪縮回，承壓塊支撐于主纜上，并緊靠臨近的索夾，同時(shí)抱箍抱緊主纜，所有壓力荷載通過承壓塊傳遞至主纜，下滑力則傳遞至索夾。在行走工況下，抱箍張開，行走輪伸出支撐于主纜上，使行走機(jī)構(gòu)整體抬高，承壓塊脫離主纜，牽引系統(tǒng)工作帶動整機(jī)行走，通過行走輪的伸縮動作依次邁過索夾。

每個(gè)行走端梁上還設(shè)有4個(gè)防走偏裝置，防走偏裝置下部設(shè)有接近開關(guān)。當(dāng)行走機(jī)構(gòu)走偏時(shí)，接近開關(guān)就會發(fā)出警報(bào)并停止行走。防走偏裝置同時(shí)還具有防止纜載起重機(jī)墜落的安全保護(hù)功能。

5.4 牽引系統(tǒng)

如圖7所示，牽引系統(tǒng)由正向牽引卷揚(yáng)機(jī)、錨定抱箍、定滑輪組、動滑輪組、反向牽引卷揚(yáng)機(jī)、反向錨定抱箍、鋼絲繩等組成，正向牽引卷揚(yáng)機(jī)和反向牽引卷揚(yáng)機(jī)均采用液壓驅(qū)動。當(dāng)纜載起重機(jī)牽引行走時(shí)，錨定抱箍緊靠索夾并抱緊主纜，定滑輪組安裝在錨定抱箍上，正向牽引卷揚(yáng)機(jī)收放鋼絲繩可實(shí)現(xiàn)纜載起重機(jī)的爬坡或下放行走。纜載起重機(jī)下放行走至跨中平坡區(qū)域時(shí)，其自重產(chǎn)生的下滑力不足以克服行走輪的摩擦力，此時(shí)反向牽引卷揚(yáng)機(jī)可提供一個(gè)反向牽引力，帶動纜載起重機(jī)下行。

圖7 牽引系統(tǒng)示意圖

如圖8所示，當(dāng)2臺纜載起重機(jī)聯(lián)機(jī)作業(yè)時(shí)，其間距較小，下方的1臺纜載起重機(jī)錨定抱箍無法安裝，此時(shí)可直接將定滑輪組安裝在前方纜載起重機(jī)的行走端梁尾部。

圖8 雙機(jī)聯(lián)機(jī)作業(yè)牽引系統(tǒng)示意圖

5.5 吊具

如圖9所示，吊具由扁擔(dān)梁、錨頭、C形框、吊具液壓缸、分配梁、鋼絲繩等組成。在吊梁工況下，可通過吊具液壓缸推動C形框，調(diào)整C形框與扁擔(dān)梁的相對位置以適應(yīng)不同鋼梁的重心位置變化。吊具與鋼梁吊點(diǎn)之間采用環(huán)形鋼絲繩軟連接，可適應(yīng)鋼梁吊點(diǎn)局部位置偏差，使吊具與鋼梁的連接更加方便快捷。

圖9 吊具示意圖

5.6 液壓系統(tǒng)

單臺纜載起重機(jī)含有2個(gè)主液壓泵站、2個(gè)吊具液壓泵站。每個(gè)主液壓泵站驅(qū)動1套600 t提升千斤頂、4個(gè)行走輪伸縮液壓缸、1個(gè)收線盤馬達(dá)、1個(gè)牽引卷揚(yáng)機(jī)馬達(dá)以及1個(gè)反向牽引卷揚(yáng)機(jī)馬達(dá)，主液壓泵站用柴油機(jī)直接驅(qū)動多個(gè)串接在一起的液壓泵。每個(gè)吊具泵站驅(qū)動1個(gè)吊具液壓缸。主泵站液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，其特點(diǎn)是液壓泵提供的壓力和流量始終與執(zhí)行元件的需求一致，系統(tǒng)無溢流，節(jié)能效果好，且能實(shí)現(xiàn)高精度同步控制。

5.7 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由主控臺、泵站啟動箱、現(xiàn)場控制箱、控制盒、傳感器等組成，所有檢測信號經(jīng)過數(shù)據(jù)線傳送到主控臺，主控臺根據(jù)各傳感器采集到的壓力、位置信號按照控制程序和算法決定液壓缸的動作順序，完成多個(gè)液壓缸的協(xié)同工作，同時(shí)控制比例閥的開口大小，驅(qū)動液壓缸以規(guī)定的速度動作，從而實(shí)現(xiàn)各液壓缸的同步控制。2臺纜載起重機(jī)聯(lián)合作業(yè)時(shí)，可確定1臺作為主控，1臺控制系統(tǒng)將被鎖定。

6 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

6.1 同步提升控制技術(shù)

在雙機(jī)聯(lián)合提梁工況下，2臺纜載起重機(jī)共用1套控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4套提升系統(tǒng)協(xié)同工作。其控制策略位為位移同步、載荷監(jiān)控，通過位移傳感器、比例閥的反饋控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)千斤頂?shù)奶嵘骄仍? mm以內(nèi)，同時(shí)監(jiān)控并限制單個(gè)千斤頂?shù)膲毫?，可避免單個(gè)吊點(diǎn)超載。以初始調(diào)平狀態(tài)各吊點(diǎn)的位置和荷載為基準(zhǔn)，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)位移偏差達(dá)到50 mm或荷載偏差達(dá)到10%時(shí)，系統(tǒng)自動報(bào)警，此時(shí)需手動調(diào)節(jié)至同步、均載后，才能繼續(xù)提升。

6.2 同步牽引控制技術(shù)

正向牽引卷揚(yáng)機(jī)為液壓卷揚(yáng)機(jī)，在每個(gè)正向牽引卷揚(yáng)機(jī)上設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出信號至主控系統(tǒng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器不同步時(shí)，主控系統(tǒng)通過計(jì)算后輸出信號控制比例多路閥的開度，從而改變正向牽引液壓卷揚(yáng)機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)左右2個(gè)正向牽引卷揚(yáng)機(jī)的同步。另外，還在每個(gè)行走端梁的前后端各設(shè)置1個(gè)接近開關(guān)，每當(dāng)接近開關(guān)經(jīng)過1個(gè)索夾時(shí)均發(fā)出信號，對同步信號進(jìn)行歸零校準(zhǔn)，可避免累積誤差。

6.3 變倍率快速行走技術(shù)

懸索橋主纜呈近似懸鏈線形狀，其越靠近跨中的位置坡度越小，纜載起重機(jī)行走時(shí)所需的牽引力也越來越小。利用這一特點(diǎn)，將牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)為倍率可變的結(jié)構(gòu)，其滑輪組可選擇16倍、12倍、8倍、4倍等多種倍率模式。

正向牽引液壓卷揚(yáng)機(jī)額定拉力為10 t，出繩速度為0～10 m/min，鋼絲繩長度為600 m，在最大倍率16倍工況下，纜載起重機(jī)最大行走速度為37.5 m/h，倒換一次錨定抱箍可行走36 m；在最小倍率4倍工況下，纜載起重機(jī)最大行走速度為150 m/h，倒換一次錨定抱箍可行走144 m。在提升行走速度的同時(shí)，也減少了倒換錨定抱箍的次數(shù)，行走效率大幅提升。

6.4 2橋通用性設(shè)計(jì)

1）主梁通用性設(shè)計(jì)

如圖10所示，主桁架采用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用于楊泗港長江大橋架梁作業(yè)時(shí)，其橫橋向間距為28 m，吊點(diǎn)間距為22 m；應(yīng)用于五峰山長江大橋架梁作業(yè)時(shí)，其橫橋向間距為43 m，吊點(diǎn)間距為30 m。只需在兩端承重梁各增加1段3.5 m的橫梁替換掉斜拉桿，再在中間桁架增加1個(gè)8 m節(jié)段，即可滿足五峰山長江大橋的施工要求。

圖10 主桁架通用性設(shè)計(jì)示意圖

2）行走機(jī)構(gòu)通用性設(shè)計(jì)

如圖11所示，行走機(jī)構(gòu)需對與主纜接觸的承壓塊、抱箍、行走輪考慮通用性設(shè)計(jì)。承壓塊需適應(yīng)2橋不同的主纜直徑，設(shè)計(jì)1個(gè)內(nèi)徑為1 088 mm、外徑為1 300 mm的弧形墊梁。當(dāng)應(yīng)用于楊泗港長江大橋時(shí)，將弧形墊梁與承壓抗焊接連接；當(dāng)應(yīng)用于五峰山長江大橋時(shí)，將弧形墊梁去除，即可適應(yīng)2橋的主纜直徑。另外，2橋承壓塊的抱箍需新制。行走輪需適應(yīng)2橋不同的主纜直徑，楊泗港長江大橋應(yīng)用完成以后，對行走輪與主纜接觸的弧面進(jìn)行加工，即可適應(yīng)五峰山長江大橋的主纜直徑。

圖11 承壓塊通用性設(shè)計(jì)示意圖

3）吊具通用性設(shè)計(jì)

如圖12所示，當(dāng)?shù)蹙邞?yīng)用于2橋時(shí)，需適應(yīng)鋼梁吊點(diǎn)縱橫向間距的變化。上分配梁與吊具扁擔(dān)梁為螺栓連接，縱向移動上分配梁即可適應(yīng)2吊點(diǎn)縱向間距變化。吊點(diǎn)橫向間距的適應(yīng)需對上下分配梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì)，當(dāng)應(yīng)用于楊泗港長江大橋時(shí)，下扁擔(dān)梁A采用整體式結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)較小的耳板橫向間距；當(dāng)應(yīng)用于五峰山長江大橋時(shí)，采用分體式下扁擔(dān)梁B，可適應(yīng)較大的耳板橫向間距。上分配梁無需改造，只需預(yù)留鋼絲繩掛點(diǎn)位置即可。

圖12 吊具通用性設(shè)計(jì)示意圖

6.5 承壓塊快速移動、對位技術(shù)

受主纜坡度、線型、鋼梁吊點(diǎn)位置等因素的影響，承壓塊需要多次移位，故需設(shè)置為可拆裝式。以往的纜載起重機(jī)承壓塊均采用全螺栓連接方式，且螺栓孔精度要求很高，每次移動承壓塊時(shí)均需安拆多個(gè)螺栓，操作繁瑣。該纜載起重機(jī)承壓塊（見圖13）創(chuàng)新采用銷軸與螺栓混合連接方式，其中抗剪銷軸與承壓塊焊接固定在一起，主要用于傳遞下滑力，少量螺栓則用于將承壓塊固定在行走端梁上。當(dāng)承壓塊需要移動時(shí)，拆除固定螺栓，行走輪伸出，抗剪銷軸即可自行脫出端梁，反鉤掛于端梁底板翼緣上。承壓塊移動到位后行走輪縮回，行走端梁下降，利用錐形抗剪銷軸的導(dǎo)向作用，使銷軸與端梁底板上的銷軸孔自動對位。相較于傳統(tǒng)的全螺栓連接方式，混合連接方式所需螺栓數(shù)量大幅減少，拆裝效率高、安全性好，大幅簡化了承壓塊的移位工作。

圖13 承壓塊示意圖

7 結(jié)語

900 t纜載起重機(jī)已成功應(yīng)用于楊泗港長江大橋、五峰山長江大橋，并順利完成全部鋼梁安裝任務(wù)，該起重機(jī)是目前起重量最大的纜載起重機(jī)，具備雙機(jī)聯(lián)合提梁功能，其多吊點(diǎn)均衡同步提升控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)四吊點(diǎn)提升的同步、均載控制，解決了大跨徑懸索橋千噸級鋼梁節(jié)段安裝的難題。采用液壓卷揚(yáng)機(jī)變倍率快速同步牽引技術(shù)實(shí)現(xiàn)了纜載起重機(jī)的同步、快速行走，大幅提升了纜載起重機(jī)行走工作效率。整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，使纜載起重機(jī)可適應(yīng)不同的懸索橋施工，經(jīng)濟(jì)效益好。900 t纜載起重機(jī)自動化程度高，工作效率高，安全性好，能很好地滿足現(xiàn)場鋼梁安裝各工況的使用要求，對我國懸索橋施工技術(shù)的提升起到了良好的促進(jìn)作用。