何建華

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

1 引言

目前，我國(guó)高速鐵路“四縱四橫”路網(wǎng)也已建成，“八縱八橫”路網(wǎng)建設(shè)正在快速推進(jìn)中，開(kāi)通及在建里程都雄居世界第一。其中橋梁長(zhǎng)度占已建成運(yùn)營(yíng)的高鐵線路總長(zhǎng)的50%以上，主要為標(biāo)準(zhǔn)跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋。2019年以前，以跨度32 m簡(jiǎn)支箱梁橋?yàn)橹?，部分采用跨?4 m、20 m簡(jiǎn)支箱梁橋。2018年，我國(guó)基于運(yùn)架裝備技術(shù)架設(shè)的40 m標(biāo)準(zhǔn)跨度高鐵預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁成功研發(fā)，2019年在鄭濟(jì)高鐵利用1 000 t級(jí)運(yùn)架分體式架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)40 m簡(jiǎn)支箱梁首架，2020年在福廈高鐵利用1 000 t級(jí)運(yùn)架一體式架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)40 m簡(jiǎn)支箱梁首架，標(biāo)志著我國(guó)高鐵橋梁建設(shè)進(jìn)入40 m跨標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁時(shí)代。

高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架裝備，有兩大類(lèi):一類(lèi)是提梁、運(yùn)梁、架梁功能分開(kāi)的，是運(yùn)架分體式架橋機(jī)；另一類(lèi)是集提梁、運(yùn)梁、架梁功能于一體的，是運(yùn)架一體式架橋機(jī)。運(yùn)架一體式架橋機(jī)，最大能架32 m梁的，目前使用的代表型機(jī)子有:秦皇島通聯(lián)公司研制TTYJ900型[1－2]導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)(雙主梁)，北京萬(wàn)橋公司研制WE-SC900H型[3]導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)(單主梁)，石家莊鐵道大學(xué)國(guó)防所研發(fā)SLJ900/32型[4－5]無(wú)導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)，鄭州新大方公司生產(chǎn)的DYJ900型[6－8]無(wú)導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)。運(yùn)架一體式架橋機(jī)，能架40 m梁的，目前使用的機(jī)子僅有中鐵五院與中鐵十一局聯(lián)合研制的世界首臺(tái)高鐵1 000 t級(jí)40 m梁運(yùn)架一體機(jī)(定名“昆侖號(hào)架橋機(jī)”)[9－11]。由于高速鐵路40 m標(biāo)準(zhǔn)跨度的雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁是我國(guó)自主創(chuàng)新研制的，世界上其他囯家還沒(méi)有，其集提、運(yùn)、架功能于一體的昆侖號(hào)架橋機(jī)的成功研發(fā)更具意義。本文對(duì)高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號(hào)架橋機(jī)的組成、技術(shù)參數(shù)、架梁流程進(jìn)行了介紹，對(duì)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新進(jìn)行了梳理、分析，以供同行參考。

2 昆侖號(hào)架橋機(jī)簡(jiǎn)介

昆侖號(hào)架橋機(jī)屬于無(wú)導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)，能直接吊運(yùn)高鐵1 000 t級(jí)40 m箱梁通過(guò)隧道，能在隧道內(nèi)及隧道進(jìn)出口、大于2 000 m的曲線線路、小于30‰的縱坡線路上架梁，能架24～40 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁，是一種“全能型”架橋機(jī)。

2.1 設(shè)備組成

昆侖號(hào)架橋機(jī)，由主梁、后車(chē)、前車(chē)、中支腿、主支腿、起升系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 昆侖號(hào)架橋機(jī)

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高):116 m×9.8 m×9.2 m

額定起重量:1 000 t

適應(yīng)梁型:高鐵24～40 m跨度雙線整孔箱梁

適應(yīng)坡度:30‰

適應(yīng)最小曲線:2 000 m

運(yùn)行最小轉(zhuǎn)彎半徑:100 m

重載行走速度:0～5 km/h

空載行走速度:0～10 km/h

重載起升速度:0～0.5 m/min

空載起升速度:0～1.5 m/min

適應(yīng)海拔高度:≤3 000 m

環(huán)境工作溫度:－20～50℃

非工作狀態(tài)最大風(fēng)力:11級(jí)

工作狀態(tài)最大風(fēng)力:7級(jí)

機(jī)構(gòu)工作級(jí)別:M4

整機(jī)工作級(jí)別:A3

整機(jī)重量:997 t

2.3 架梁流程

(1)從梁場(chǎng)提吊簡(jiǎn)支梁運(yùn)至架梁工位。

(2)前車(chē)頂升，安裝主支腿至橋墩。

(3)前車(chē)懸掛收起，完成體系轉(zhuǎn)換，架橋機(jī)由后車(chē)和主支腿支撐(見(jiàn)圖2a)。

(4)由后車(chē)推送，使前車(chē)越過(guò)主支腿(第一次喂梁，見(jiàn)圖2b)。

(5)中支腿就位，臨時(shí)落梁(見(jiàn)圖2c)。

(6)中支腿頂升，主支腿倒運(yùn)至下一橋墩上。

(7)安裝主支腿，中支腿收縮，完成體系轉(zhuǎn)換。進(jìn)行第二次喂梁(見(jiàn)圖2d)。

(8)喂梁結(jié)束，精確對(duì)位，準(zhǔn)備落梁(見(jiàn)圖2e)。

(9)落梁結(jié)束，架橋機(jī)準(zhǔn)備回撤(見(jiàn)圖2f)。

(10)架橋機(jī)回撤到位，主支腿回收，準(zhǔn)備返回梁場(chǎng)去運(yùn)梁(見(jiàn)圖2g)。

圖2 昆侖號(hào)架橋機(jī)一般工況架梁流程

3 昆侖號(hào)架橋機(jī)主要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)

昆侖號(hào)架橋機(jī)與最大架設(shè)32 m梁的SLJ900/32型、DYJ900型一樣，都屬于無(wú)導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)，只是它為能適應(yīng)最大吊運(yùn)40 m梁順利通過(guò)高鐵隧道等工況進(jìn)行架設(shè)，采取了如下主要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.1 新材料GT785D高強(qiáng)鋼的應(yīng)用

40 m跨標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁，比32 m箱梁重100 t多，達(dá)1 000 t級(jí)，跨度增加8 m，梁高增加200 mm，而高速鐵路隧道斷面尺寸并未增加，為滿足架橋機(jī)過(guò)隧架梁凈空要求，就無(wú)法選用目前市面上32 m梁架橋機(jī)多數(shù)采用的Q460、Q355鋼材，架橋機(jī)主梁必需采用強(qiáng)度更高的鋼材。為此，昆侖號(hào)架橋機(jī)主梁采用新研制的GT785D高強(qiáng)鋼，其屈服強(qiáng)度達(dá)685 MPa。這也是GT785D高強(qiáng)鋼在高速鐵路架橋裝備設(shè)計(jì)制造中，首次使用。GT785D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能及成分如表1、表2所示[12]。

表1 GT785D高強(qiáng)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 GT785D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能

3.2 主梁輕量化設(shè)計(jì)

昆侖號(hào)架橋機(jī)的主梁采用箱形截面，總長(zhǎng)為104.3 mm，為減輕重量，主要采取了以下措施:

(1)從原材料上來(lái)減輕重量，主梁材料選擇新研制的GT785D高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度高達(dá)685 MPa。

(2)主梁共由9個(gè)節(jié)段拼接而成[13]，通過(guò)計(jì)算后在第2～5節(jié)段、第7～8節(jié)段的腹板位置進(jìn)行開(kāi)孔，孔洞整體形狀為長(zhǎng)方形，四周為圓角，孔洞四周焊有包邊(見(jiàn)圖1)。腹板進(jìn)行開(kāi)孔，可顯著節(jié)約材料，降低主梁自身的重量。

3.3 主梁方便運(yùn)輸設(shè)計(jì)

昆侖號(hào)架橋機(jī)的主梁截面為箱形，高為4.8 m，為方便運(yùn)輸，采取了以下措施:

(1)主梁長(zhǎng)度方向上分節(jié)(9節(jié))，高度方向上分層(上下兩層)，如圖1、圖3所示。

圖3 主梁結(jié)構(gòu)斷面

(2)組成主梁的上下兩層梁采用疊置，為防止吊裝或運(yùn)輸時(shí)主梁腹板變形，增加結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，主梁腹板在疊置部位設(shè)計(jì)為T(mén)形，用豎向高強(qiáng)螺栓連接即可(見(jiàn)圖3)。這與一般主梁腹板另加鋼板用水平向高強(qiáng)螺栓連接的，明顯不同，是一創(chuàng)新。

3.4 研制了大推力關(guān)節(jié)軸承

新研制的子母套免維護(hù)大推力關(guān)節(jié)軸承，主要由座圈、軸圈、內(nèi)圈、外圈、密封圈、連接螺栓、螺母、金屬襯墊、沉頭螺栓等組成(見(jiàn)圖4)，是用來(lái)連接昆侖號(hào)架橋機(jī)主梁與后車(chē)的。通過(guò)該關(guān)節(jié)軸承連接，使昆侖號(hào)架橋機(jī)在架梁過(guò)孔或馱梁運(yùn)輸過(guò)程中，形成“四點(diǎn)接觸、三點(diǎn)平衡”體系，免除了架橋機(jī)由于支點(diǎn)不平而受到附加扭矩，也增加了架橋機(jī)的曲線通過(guò)性。

圖4 大推力關(guān)節(jié)軸承

原有架橋機(jī)主梁與后車(chē)連接大都采用球鉸結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，這種球鉸結(jié)構(gòu)往往存在加工精度低、轉(zhuǎn)動(dòng)不夠靈活、易磨損和銹蝕、需經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn)。昆侖號(hào)架橋機(jī)主梁與后車(chē)連接采用新研制的子母套大推力關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)高度比球鉸結(jié)構(gòu)低200 mm以上，這降低了架橋機(jī)整體高度，方便過(guò)隧設(shè)計(jì)；其采用自潤(rùn)滑材料組成摩擦副，摩擦系數(shù)更小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，可免維護(hù)，承載力、壽命及使用功能都有一定的增強(qiáng)和提高[14]。

圖5 實(shí)體球鉸結(jié)構(gòu)

3.5 研制了可變位主支腿折疊結(jié)構(gòu)

昆侖號(hào)架橋機(jī)主支腿設(shè)計(jì)成倒三角空間結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)，是一種可以免除墩頂錨固的構(gòu)造，通過(guò)水平導(dǎo)向輪、反抓輪、托輥輪，可以沿主梁自行來(lái)回移動(dòng)；通過(guò)油缸來(lái)伸縮、折疊主支腿，滿足在不同高度下支腿回收的需要；主支腿通過(guò)墊梁支撐在橋墩上，墊梁與主支腿下橫梁間設(shè)置了3個(gè)推力關(guān)節(jié)軸承，兩側(cè)的關(guān)節(jié)軸承下墊有聚四氟乙烯滑塊，使主支腿和下墊梁可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足曲線架梁需要[15]。

圖6 昆侖號(hào)架橋機(jī)主支腿

3.6 研制了架橋機(jī)信息化管理系統(tǒng)

為實(shí)時(shí)了解昆侖號(hào)架橋機(jī)自身安全監(jiān)控信息及運(yùn)架施工信息，方便設(shè)備管理，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了架橋機(jī)信息化管理系統(tǒng)(見(jiàn)圖7、圖8)。其有3層框架:應(yīng)用層、服務(wù)層、運(yùn)行數(shù)據(jù)層。有五大核心功能:工程信息管理、設(shè)備信息管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)中心、預(yù)警管理。通過(guò)布置各種先進(jìn)傳感器，監(jiān)測(cè)架橋機(jī)運(yùn)架時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)；并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，各級(jí)用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)；通過(guò)北斗導(dǎo)航定位，實(shí)時(shí)了解目前設(shè)備具體地理位置，等等。這些使生產(chǎn)廠家、設(shè)備用戶對(duì)該設(shè)備已架設(shè)哪些橋梁項(xiàng)目、各項(xiàng)目架設(shè)多少孔40 m(或32、24 m)梁、設(shè)備狀態(tài)如何、是否需要保養(yǎng)或維修等信息了然于心，方便設(shè)備管理；也可通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)架梁各工序哪些可優(yōu)化，進(jìn)而提高設(shè)備的使用效率，提高工效，節(jié)約成本。昆侖號(hào)架橋機(jī)信息化管理系統(tǒng)的成功研制，填補(bǔ)了運(yùn)架高鐵箱梁信息化技術(shù)應(yīng)用的空白，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)架設(shè)備狀態(tài)的全壽命周期管理[16]。

圖7 系統(tǒng)框架

圖8 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 結(jié)束語(yǔ)

新研制的昆侖號(hào)架橋機(jī)于2020年6月開(kāi)始在福廈鐵路湄洲灣跨海大橋運(yùn)架1 000 t/40 m簡(jiǎn)支箱梁，至今運(yùn)行良好。通過(guò)以上對(duì)高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號(hào)架橋機(jī)(運(yùn)架一體機(jī))的創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析，有以下體會(huì):

(1)昆侖號(hào)架橋機(jī)能架40 m、32 m、24 m梁，這覆蓋了目前我國(guó)高鐵預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁所有跨度；能在橋隧相連的山嶺地區(qū)進(jìn)行大于2 000 m曲線半徑線路、小于30‰縱坡線路、隧道進(jìn)出口、隧道內(nèi)架梁，是一種“全能型”架橋機(jī)。

(2)新材料GT785D高強(qiáng)鋼在昆侖號(hào)架橋機(jī)上的成功應(yīng)用，可為其他大噸位設(shè)備主梁設(shè)計(jì)提供借鑒。

(3)昆侖號(hào)架橋機(jī)信息化管理系統(tǒng)的成功研制，填補(bǔ)了高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程中信息化技術(shù)應(yīng)用的空白，也可為其他架橋機(jī)設(shè)計(jì)作參考。