熊華濤

(中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司，河北 保定 074000)

0 引言

起重機(jī)選型配置是吊裝工程方案設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。對(duì)需多機(jī)協(xié)同、分步吊裝的大型復(fù)雜吊裝工程，起重機(jī)選型配置與各工況的站位密切相關(guān)。合理規(guī)劃起重機(jī)站位可優(yōu)化吊裝路徑、降低起重機(jī)配備標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到吊裝安全、高效及節(jié)省機(jī)械費(fèi)用的目的。因此，起重機(jī)站位設(shè)計(jì)是大型、復(fù)雜吊裝工程方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)起重機(jī)選型和站位做了大量研究工作。林遠(yuǎn)山[1]提出多重約束的移動(dòng)式起重機(jī)人機(jī)交互優(yōu)選算法，用以快速選出滿足吊裝要求的伸縮臂起重機(jī)或衍架臂起重機(jī)作業(yè)工況。劉芳[2]以吊裝安全為目標(biāo)，分別研究基于免碰撞的履帶式起重機(jī)單機(jī)單任務(wù)和雙機(jī)單任務(wù)條件下的站位優(yōu)化方法。李曉燕[3]基于三維圖形引擎OGRE建立起重機(jī)三維參數(shù)化模型，給出起重機(jī)選型的程序?qū)崿F(xiàn)方法，提出在虛擬環(huán)境中進(jìn)行起重機(jī)空間站位設(shè)計(jì)的算法。Al-Hussein等[5]提出基于最小吊臂長(zhǎng)度和(或)最小半徑的優(yōu)化算法，用于在建筑工地上選擇和定位移動(dòng)式起重機(jī)，從而獲得更高的起重能力?？梢?，目前相關(guān)研究在分別進(jìn)行起重機(jī)選型或站位優(yōu)化方面取得良好效果，但極少有將二者協(xié)調(diào)考慮綜合優(yōu)化的研究，特別是多機(jī)協(xié)同分步吊裝工程中的應(yīng)用未見報(bào)道。本文依托某跨在建靖神鐵路深路塹公路橋箱梁吊裝施工工程，研究多機(jī)協(xié)同、分步吊裝大跨度大質(zhì)量箱梁工程中起重機(jī)的選型配置與站位綜合優(yōu)化方法。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

新建靖神鐵路在DK169+475處與既有公路交叉，鐵路以路塹下穿公路。依設(shè)計(jì)，鐵路路塹主體工程完工后，修建上跨鐵路的公路橋恢復(fù)既有公路通行。公路橋?yàn)橄群?jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，橋跨布置為3×20m，橋?qū)?m，每跨橫向布置2片箱梁，梁寬3.1m，梁重62.0t。公路橋橋型布置如圖1所示。路塹邊坡高約15m，邊坡坡率為1∶1，路塹邊坡分2級(jí)，邊坡平臺(tái)寬2m。公路橋箱梁采用預(yù)制吊裝方法架設(shè)。由于坡腳至橋臺(tái)支座橫向距離達(dá)16m、垂直高度達(dá)15m，因此箱梁吊裝是難點(diǎn)。

圖1 公路橋橋型布置(單位：cm)

為實(shí)現(xiàn)箱梁遠(yuǎn)距離平移、大高度提升，制訂如下吊裝方案：公路橋箱梁在鐵路路基預(yù)制，運(yùn)至橋址后采用全地面汽車式起重機(jī)吊裝，先吊裝邊跨后吊裝中跨；邊跨箱梁吊裝采用雙機(jī)協(xié)同分步提升法，即先使用路基上的2臺(tái)起重機(jī)A，B抬吊箱梁，以邊坡平臺(tái)作為中轉(zhuǎn)站，進(jìn)行吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換后，其中1臺(tái)起重機(jī)A轉(zhuǎn)移至塹頂，塹頂起重機(jī)A和路基起重機(jī)B再次抬吊箱梁就位。中跨箱梁采用雙機(jī)協(xié)同一次就位吊裝方法。主要吊裝過(guò)程如圖2所示。

圖2 箱梁吊裝工藝流程

由吊裝方案可見，2臺(tái)起重機(jī)在協(xié)同吊裝過(guò)程中需多次調(diào)整站位，并且一次站位、多工況作業(yè)，經(jīng)轉(zhuǎn)換工位、空中換鉤等協(xié)同動(dòng)作接力傳遞梁體安裝到位。因此，應(yīng)合理選配起重機(jī)，以滿足各工況對(duì)吊重、吊裝高度與距離等起重機(jī)工作性能參數(shù)的要求。但由于各工況對(duì)起重機(jī)工作性能參數(shù)的要求與起重機(jī)的站位密切相關(guān)，因此，還需合理設(shè)計(jì)起重機(jī)站位，以便在滿足吊裝需求、保證吊裝安全的同時(shí)，最大限度利用起重機(jī)，降低對(duì)起重機(jī)工作性能參數(shù)的要求，降低起重機(jī)配備標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省機(jī)械費(fèi)用[6-7]。同時(shí)，由于橋址處路基窄，且2個(gè)橋墩位于路基坡腳，還需考慮雙機(jī)抬吊梁體調(diào)轉(zhuǎn)、平移、提升作業(yè)過(guò)程中，吊臂與橋墩、梁之間，以及2臺(tái)起重機(jī)吊臂間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。因此，在多重約束條件下對(duì)起重機(jī)選型配置與站位進(jìn)行綜合優(yōu)化是關(guān)鍵問(wèn)題。

2 起重機(jī)站位與作業(yè)工況分析

首先根據(jù)施工工藝流程，分析吊裝過(guò)程中起重機(jī)A，B站位及作業(yè)工況。

1)工況C1 箱梁起吊。起重機(jī)A，B均站位于橋下路基面，箱梁停放在路基面指定位置，起重機(jī)A鉤吊箱梁左端，起重機(jī)B勾吊箱梁右端，經(jīng)試吊后，起重機(jī)A，B雙機(jī)協(xié)同操作將箱梁從路基面起吊(見圖2a)。

2)工況C2 即吊臂及箱梁與橋墩碰撞的最不利計(jì)算工況。起重機(jī)站位及勾吊位置同工況1，雙機(jī)抬起箱梁后進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并吊運(yùn)箱梁至中轉(zhuǎn)站，起重機(jī)吊臂及箱梁與橋墩間有發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，吊運(yùn)路徑需考慮繞避橋墩。

3)工況C3 即雙機(jī)抬吊至中轉(zhuǎn)站。起重機(jī)A，B站位及勾吊位置同工況1，箱梁提起后，A，B雙機(jī)協(xié)同操作，經(jīng)梁體調(diào)轉(zhuǎn)、繞避橋墩，吊運(yùn)箱梁至邊坡平臺(tái)中轉(zhuǎn)站位置(見圖2b)。

4)工況C4 即轉(zhuǎn)移工位、起吊。在中轉(zhuǎn)站實(shí)現(xiàn)空中換鉤后，起重機(jī)B站位不變，勾吊箱梁左端。起重機(jī)A摘鉤收車轉(zhuǎn)移至塹頂站位，勾吊箱梁右端，雙機(jī)協(xié)同再次起吊箱梁(見圖2d)。

5)工況C5 即雙機(jī)抬吊落梁就位。雙機(jī)協(xié)同再次提升箱梁，吊運(yùn)箱梁至安裝位置。起重機(jī)A，B站位和勾吊位置同工況C4(見圖2e)。

6)工況C6 即中跨箱梁抬吊。起重機(jī)A，B站位于路基，雙機(jī)協(xié)同抬吊中跨箱梁就位(見圖2f)。

從上述工況可看出，部分工況對(duì)起重機(jī)的性能要求低于其他工況，因此對(duì)起重機(jī)選型不起決定作用。經(jīng)對(duì)比分析，對(duì)起重機(jī)A工作性能參數(shù)選擇可能起決定作用的工況為C3，C4，對(duì)起重機(jī)B工作性能參數(shù)選擇可能起決定作用的工況為C2，C3。因此，應(yīng)根據(jù)工況C2，C3，C4對(duì)起重機(jī)A，B工作性能參數(shù)進(jìn)行選擇并優(yōu)化站位。工況C2，C3，C4相應(yīng)起重機(jī)站位和作業(yè)場(chǎng)地平面如圖3所示。

圖3 主要工況相應(yīng)起重機(jī)站位與作業(yè)場(chǎng)地平面(單位：m)

因此，為確定起重機(jī)最佳選型方案與最優(yōu)站位，可對(duì)C2，C3，C4工況，以起重機(jī)工作性能參數(shù)要求最低為優(yōu)化目標(biāo)，以起重機(jī)站位為優(yōu)化變量，建立多重約束優(yōu)化模型，進(jìn)行計(jì)算分析。

3 起重機(jī)站位優(yōu)化模型建立

根據(jù)起重機(jī)工作原理，具有一定工作性能參數(shù)GR的起重機(jī)，在給定起重量GC的條件下，一般工作幅度R越大、允許臂長(zhǎng)L越短，相應(yīng)起升高度越低。GC，R，L間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由起重機(jī)性能表給出。本工程中，每臺(tái)起重機(jī)的起重量要求一定，因此，以起重機(jī)工作幅度R、臂長(zhǎng)L要求最小為優(yōu)化目標(biāo)。起重機(jī)站位到右側(cè)路塹邊坡坡腳的距離為x，到公路橋中線的距離為y，以x，y為優(yōu)化變量。

3.1 起重機(jī)A選型與站位綜合優(yōu)化模型

起重機(jī)A選型與站位綜合優(yōu)化模型如下：

minGRA

(1)

式(2a)～(2b)分別為起重機(jī)A在工況C3，C4下的工作幅度條件，式(2c)～(2d)分別為工況C3，C4下梁與起重機(jī)吊臂的防碰撞條件，式(2e),(2f)分別為工況C3，C4下起吊高度條件，式(2g)為起重量條件。其中，RA3，RA4，LA3，LA4分別為工況C3，C4下起重機(jī)A的工作幅度和臂長(zhǎng)；xA3，yA3，xA4，yA4分別為起重機(jī)A在工況C3，C4下的站位參數(shù)；a為吊點(diǎn)至梁端距離，取4m；b為箱梁中轉(zhuǎn)時(shí)與橋墩安全距離，取1.05m；Lsj為索具長(zhǎng)度，取15m；GCA為起重機(jī)A對(duì)應(yīng)RA3，LA3和RA4，LA4的起重量；GL，Gsj，Ggj分別為箱梁、索具及鉤具自重，分別取31，2，2t；K為安全系數(shù)，取1.1。

3.2 起重機(jī)B選型與站位綜合優(yōu)化模型

起重機(jī)B選型與站位綜合優(yōu)化模型如下：

minGRB

(3)

式(4a)為起重機(jī)B在工況C3下工作幅度條件，式(4b)為起重機(jī)B在工況C3下起吊高度條件，式(4c)為起重機(jī)B在工況C2下起重機(jī)與橋墩的防碰撞條件，式(4d)為起重機(jī)起重量條件。其中，RB2，RB3，LB2，LB3分別為工況C2，C3下起重機(jī)B的工作幅度和臂長(zhǎng)；xB2，yB2，xB3，yB3分別為起重機(jī)B在工況C2，C3下的站位參數(shù)；LB為初選起重機(jī)臂長(zhǎng)；H墩為橋墩高度；GB為初選起重機(jī)起重量；GCB為起重機(jī)B對(duì)應(yīng)RB2，LB2和RB3，LB3的起重量。

4 模型求解

上述不等式約束優(yōu)化問(wèn)題可運(yùn)用Interior Point算法求解[8]。根據(jù)各工況對(duì)起重量的要求，初選多種型號(hào)起重機(jī)并在性能表中查詢滿足起重量要求的工作幅度和臂長(zhǎng)搭配關(guān)系，代入優(yōu)化模型中進(jìn)行計(jì)算，可得到起重機(jī)選型及站位方案。

經(jīng)計(jì)算，起重機(jī)A選用QAY200型，在工況C1，C2，C3下應(yīng)站位于(11.2, 7.5)，在工況C4，C5下應(yīng)站位于(22.0, 0)。起重機(jī)B選用QAY300型，應(yīng)站位于(7.5, 5.0)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)在分析吊裝過(guò)程起重機(jī)工況的基礎(chǔ)上，以各起重機(jī)工作性能參數(shù)要求最低為優(yōu)化目標(biāo)，以各起重機(jī)站位為優(yōu)化變量，考慮各工況對(duì)起重機(jī)的要求和工作環(huán)境限制，建立具有多重約束的優(yōu)化模型，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)起重機(jī)選型方案與站位綜合優(yōu)化。

2)對(duì)起重機(jī)選型方案與站位進(jìn)行綜合優(yōu)化，可在保證施工安全的條件下，最大限度利用起重機(jī)能力，盡可能降低起重機(jī)工作性能參數(shù)要求，降低起重機(jī)配備標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)省機(jī)械費(fèi)用。

3)針對(duì)某跨在建靖神鐵路深路塹公路橋箱梁多機(jī)協(xié)同分步吊裝施工工程，優(yōu)化確定最經(jīng)濟(jì)安全的起重機(jī)，以及各工況下起重機(jī)的最優(yōu)站位。