廣州城軌DP700型架橋機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

賈力鋒,王利英,黃耀怡，3

(1.鄭州大方橋梁機(jī)械有限公司,鄭州 450064；2.華北水利水電學(xué)院機(jī)械系,鄭州 450011；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 概述

節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)是應(yīng)用于廣州城軌交通6號(hào)線施工的新型架橋機(jī)。國(guó)內(nèi)外目前所應(yīng)用的節(jié)段拼裝架橋機(jī)均為低位張拉,即梁段底部置于墩頂平面,直接張拉后就可完成該跨施工,無(wú)需整體落梁,且線路狀況大多為大半徑曲線、小坡度,故使用普通的架橋機(jī)就可滿足施工條件。而目前應(yīng)用于廣州地鐵線路施工的DP700型架橋機(jī)必須具備高位整體張拉,然后整體簡(jiǎn)支落梁的功能,預(yù)制梁段須在橋面以上2 m左右位置粘接對(duì)位并張拉形成整跨梁體后,使中間吊掛系統(tǒng)與梁體脫離,轉(zhuǎn)換由兩端端吊掛機(jī)構(gòu)將梁吊落至墩頂支座上，這是在以往的節(jié)段梁施工中所未見過(guò)的新技術(shù)。此外還要求架橋機(jī)必須能夠做到在小半徑曲線、大坡道的線路上方便安全地行走和架梁作業(yè),且要求橋上施工不得影響橋下正常的車輛交通秩序。架橋機(jī)的功能還必須滿足廣州城軌橋梁的設(shè)計(jì)、布局諸多的其他特殊要求。本文所述DP700型架橋機(jī)正是在以上技術(shù)背景下成功研制的,以下將重點(diǎn)介紹其技術(shù)上的創(chuàng)新性、先進(jìn)性及其應(yīng)用情況。

2 DP700型架橋機(jī)的技術(shù)參數(shù)及總體組成

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)架設(shè)跨度：30、33、33.25、34、35、36、38、40 m

(2)架梁方式：節(jié)段高位懸掛拼裝,整孔落梁就位(先簡(jiǎn)支后連續(xù))

(3)架梁重力：7 000 kN

(4)橋梁最小曲線半徑：≥350 m

(5)橋梁最大縱坡：±5%

(6)橋面最大橫坡：±2%

(7)整機(jī)縱移過(guò)孔速度：0～1.2 m/min

(8)架梁速度：每3 d 1孔(由懸掛懸拼至落梁全過(guò)程)

(9)整機(jī)裝機(jī)容量：150 kW

(10)整機(jī)自重：3 150 kN

(11)零部件最大尺寸與重力基準(zhǔn)：長(zhǎng)途汽車運(yùn)輸不超限

2.2 總體組成

節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)主要由主梁(機(jī)臂)、前支腿、中間支腿、后支腿、500 kN天車及吊具、端吊掛及調(diào)梁系統(tǒng)、中吊掛及調(diào)梁系統(tǒng)、支腿牽引機(jī)構(gòu)、平臺(tái)及駕駛室組成,詳見圖1。

圖1 架橋機(jī)總體結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2.1 主梁(機(jī)臂)

主梁(機(jī)臂)為單梁,由6節(jié)桌形截面梁組成,其中4節(jié)為主承載梁,兩節(jié)為前方導(dǎo)梁。主梁下蓋板設(shè)置若干不同位置的中支腿連接位,以滿足架設(shè)不同跨度時(shí)支腿位置調(diào)整的要求。斷面尺寸為：3 200 mm(高)×2 240 mm(寬),主材質(zhì)為Q345B。主梁下部設(shè)有過(guò)孔縱移軌道,上部設(shè)有梁段調(diào)位縱移軌道,桌形截面主梁腹內(nèi)設(shè)有吊梁小車通行軌道。

主梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性將在下文述及。

2.2.2 中支腿

中支腿為一個(gè)門框式結(jié)構(gòu),上橫梁(門楣)兩端伸出兩立柱外側(cè),下橫梁(門坎)連接兩立柱下端并與墩頂塊錨固。上橫梁設(shè)有液壓橫移機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)頂面設(shè)有縱向滾動(dòng)的托輥,架橋機(jī)單主梁下方軌道支承在托輥上,因而構(gòu)成了單主梁可在托輥的上方滾動(dòng)前行,又可在橫移機(jī)構(gòu)的推拉下作橫向移動(dòng),達(dá)到架橋機(jī)可在曲線橋梁中拐彎轉(zhuǎn)向的目的。兩立柱為三節(jié)套柱,套柱間用插銷連接,并可以在頂升油缸的作用下伸縮,達(dá)到調(diào)整中支腿可以升高和降低的目的,以滿足架橋機(jī)在縱移過(guò)孔過(guò)程中需要中支腿收起或落下支立的要求。

2.2.3 后支腿

后支腿與機(jī)臂主梁剛性連接(法蘭螺栓),其雙下肢在下方用下橫梁剛性連接起來(lái)。此橫梁分上下兩層,在兩層中心設(shè)置轉(zhuǎn)樞,因而形成了一個(gè)轉(zhuǎn)盤構(gòu)造,即上盤、下盤加轉(zhuǎn)軸,上層橫梁與支腿兩肢剛性連接,下層橫梁與自行式滑道系統(tǒng)(圖2)連接。于是,架橋機(jī)縱移過(guò)孔時(shí),后支腿與單主梁間可以作任意角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到使架橋機(jī)在小半徑曲線橋梁或線路上總是能夠沿中線安全行走的目的。此外，在下層橫梁底面與左右自行滑道系統(tǒng)之間裝有液壓連通器,能使后支腿左右柱底部高程在橋面橫坡中也能保持水平。

圖2 架橋機(jī)后支腿自行滑道系統(tǒng)

2.2.4 吊梁小車

圖3所示吊梁小車是一臺(tái)起吊能力為500 kN的機(jī)構(gòu),它在桌形單主梁腹內(nèi)穿行。吊梁小車的吊具是可以電動(dòng)360°旋轉(zhuǎn)的,這樣就能夠使梁段側(cè)著身送進(jìn)來(lái),轉(zhuǎn)90°后即可橫著身懸掛在單主梁下方。

吊梁小車主要由卷?yè)P(yáng)機(jī)、小車底架、定滑輪組、動(dòng)滑輪組、吊具、吊梁扁擔(dān)等組成,詳見圖3。

圖3 吊梁小車

2.2.5 中吊掛

中吊掛系一種用來(lái)把單塊梁段懸掛在架橋機(jī)單主梁上的機(jī)構(gòu),主要由上橫梁、橫梁、長(zhǎng)吊桿、井字架、短吊桿、縱移油缸、橫移油缸等,如圖4所示,它可以通過(guò)手動(dòng)穿心式千斤頂來(lái)調(diào)節(jié)梁段在空間的縱、橫向傾斜度以及通過(guò)縱移油缸來(lái)調(diào)節(jié)梁段在縱向中線的位置,以達(dá)到使梁段在空間準(zhǔn)確定位的目的。

2.2.6 端吊掛(整體吊落梁支架)

如圖5所示,端吊掛主要由導(dǎo)桿、上承重梁、下承重梁、縱橫移油缸、吊桿、滑移枕梁、調(diào)整葫蘆、掛梁扁擔(dān)等部分組成。端吊架的作用有二：一是與中吊掛作用相同,用于單塊梁段的吊掛；二是當(dāng)各梁段被張拉為整體簡(jiǎn)支梁后,中吊掛全部解除,只剩下兩端吊掛吊起整孔梁及落梁。其創(chuàng)新點(diǎn)將見后文所述。

圖4 中吊掛總圖(單位：mm)

圖5 端吊掛總圖(單位：mm)

圖6 架橋機(jī)架梁作業(yè)流程(單位：mm)

3 DP700型架橋機(jī)架梁及過(guò)孔步驟

對(duì)照?qǐng)D6所示流程圖說(shuō)明架橋機(jī)架梁作業(yè)各步驟如下。

(1)架橋機(jī)就位,開始架設(shè)首孔梁,注意廣州城軌規(guī)定為橋下喂梁方案,而本架橋機(jī)亦可采用架橋機(jī)后端橋面上喂梁的方式。

(2)各梁段吊掛完畢,準(zhǔn)備整孔張拉作業(yè)。

(3)整體梁拼裝完成(體內(nèi)張拉束完成)放松并解除中間吊桿,整孔梁由兩端吊掛懸吊而成簡(jiǎn)支狀態(tài),落梁。

(4)端吊掛解除,前段中吊掛吊桿提升,架橋機(jī)準(zhǔn)備過(guò)孔。

(5)驅(qū)動(dòng)后支腿走行機(jī)構(gòu),架橋機(jī)過(guò)孔前行,前支腿到達(dá)前方墩支立妥當(dāng)。

(6)中支腿縮起并沿主梁自行至前方墩頂支立妥當(dāng)。

(7)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)后支腿走行機(jī)構(gòu),使架橋機(jī)到達(dá)下一孔架梁位置。

(8)檢查各連接部位及液壓件,落下前段中吊掛吊桿,可以開始新一孔梁的架設(shè)。

4 DP700型架橋機(jī)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

4.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)梁段能夠高位懸掛、懸拼的目的

所謂梁段高位懸拼是指懸掛著的梁段底面高程不小于落梁后的梁面高程。其目的是為了爭(zhēng)取增加不小于2 m高的橋下凈空,以使架橋機(jī)在架梁施工過(guò)程中不會(huì)妨礙橋孔下正常交通。實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵技術(shù)是為架橋機(jī)的主梁提出了一種新式結(jié)構(gòu),即桌形截面主梁,如圖7所示。其特點(diǎn)是：它的截面形式像一張書桌,其上半截為箱形梁,下半截為兩片板梁,該板梁系由上部箱形梁的兩側(cè)腹板向下延伸而成。這樣的桌形截面既能抗彎又能抗扭：上部箱形梁與下部板梁聯(lián)合作用能夠抵抗由懸吊著的混凝土梁體自重所產(chǎn)生的彎矩,而上部箱形梁的單獨(dú)作用則可抵抗由各懸掛梁段所形成的小半徑曲線彎梁(香蕉形梁)的自重偏心扭矩。而更新穎的是,吊運(yùn)梁段的小車系在兩片板梁之內(nèi)空間行走(圖8),懸掛梁段的橫擔(dān)梁置于上部箱形梁的上蓋板頂面,這樣,使吊運(yùn)梁段和懸掛梁段作業(yè)可在同一空間水平進(jìn)行,且相互不發(fā)生干涉,從而在實(shí)現(xiàn)降低架橋機(jī)整機(jī)高度的同時(shí)卻反向地提高了梁段的懸掛、懸拼高度,使橋下凈空加大,達(dá)到保證橋下車輛通暢無(wú)阻的目的。這是國(guó)內(nèi)外既有架橋機(jī)設(shè)備及技術(shù)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 桌形單主梁結(jié)構(gòu)截面

圖8 桌形截面單主梁結(jié)構(gòu)吊運(yùn)及懸掛作業(yè)空間分布

4.2 整體落梁的創(chuàng)新技術(shù)

要真正實(shí)現(xiàn)梁段能夠高位懸掛、懸拼的施工方法,還有一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是如何整體落梁。當(dāng)全部梁段在高位完成拼組和張拉成整孔梁之后,必須有一套特殊設(shè)備和技術(shù)將已張拉拼裝成型的混凝土梁整體落下到墩頂支座上。所采取的實(shí)施方案如下。

(1)設(shè)計(jì)制造一副端吊掛,亦稱整體落梁支架,如圖5所示。端吊掛置于單主梁上對(duì)著整孔梁的兩端吊點(diǎn)區(qū)位。在懸掛懸拼施工中間過(guò)程中,它用于單塊梁段的吊掛,當(dāng)全部梁段被懸拼張拉成整孔梁之后,中懸掛即被解除,整孔梁的重力就落在端吊掛上。

端吊掛是按照抓放式原理設(shè)計(jì)的。就如一個(gè)人用吊桶在水井中打水那樣,雙手輪番交替對(duì)井繩一抓一放將一桶水提上來(lái),其反向操作即可把空桶落至井底。所不同的是,本端吊掛是完全液壓機(jī)械式的,只需要人工對(duì)圖5所示的上、下承重梁上的吊桿螺母輪番交替一緊一松,達(dá)到逐步把整孔梁完全落下的目的。

(2)所設(shè)計(jì)的端吊掛具有抵抗和傳遞橫向彎矩的功能,這個(gè)彎矩等于小半徑曲線彎梁即香蕉形簡(jiǎn)支梁自重偏心扭矩。端吊架能夠?qū)⑦@個(gè)扭矩平穩(wěn)地傳遞給單主梁承擔(dān)。因此說(shuō)明本整孔落梁支架能夠滿足架橋機(jī)在小半徑曲線上架設(shè)彎梁的技術(shù)要求。

4.3 架橋機(jī)在小半徑曲線上縱移過(guò)孔的創(chuàng)新技術(shù)

架橋機(jī)在小半徑曲線縱移過(guò)孔,迄今仍為國(guó)內(nèi)外架梁施工的一大難題。過(guò)去通常將架橋機(jī)主梁分成前后兩段,段間用水平鉸連接。過(guò)曲線時(shí)主梁前段作擺臂動(dòng)作,使整根主梁成為折線形狀而與線路走向一致,達(dá)到前支腿能夠支立在前方墩的目的。這種擺臂動(dòng)作危險(xiǎn)性比較大,時(shí)有釀成整機(jī)側(cè)翻事故發(fā)生。為了提高架橋機(jī)在小半徑曲線上縱移過(guò)孔的安全度,引入了鐵路列車轉(zhuǎn)向架的概念和原理,設(shè)計(jì)了一套“S形行走機(jī)構(gòu)系統(tǒng)”。它主要由前述中支腿上橫梁的液壓橫移機(jī)構(gòu)和后支腿腳部轉(zhuǎn)盤構(gòu)造及自行式滑道系統(tǒng)組成。很明顯,當(dāng)門式后支腿的腳部的自行式滑道系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)后支腿帶著主梁向前縱移時(shí),主梁前方在中支腿橫梁的托輥協(xié)助下,使整個(gè)架橋機(jī)徐徐向前推進(jìn),這時(shí)如果在小半徑曲線上作業(yè),自行式滑道系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤會(huì)因彎道而轉(zhuǎn)動(dòng),使其仍然可以保持沿線路中心線行走狀態(tài)；而中支腿上橫梁的托輥會(huì)帶著主梁偏移,達(dá)到轉(zhuǎn)向的功效。同時(shí),后支腿左右肢腳部液壓連通器也會(huì)發(fā)生作用,以適應(yīng)曲線橋面橫坡的變化,使支腿兩腳始終保持水平,這樣整個(gè)架橋機(jī)就會(huì)平順?lè)€(wěn)定地沿著曲線線路中心前進(jìn),杜絕了側(cè)翻事故的發(fā)生。

4.4 架橋機(jī)在大坡道上縱移過(guò)孔的創(chuàng)新技術(shù)

架橋機(jī)在大坡道上縱移時(shí),主要問(wèn)題是須預(yù)防架橋機(jī)發(fā)生溜坡事故。但目前國(guó)內(nèi)外的這種架橋機(jī)的行走機(jī)構(gòu)大多采用輪軌體系,這種滾動(dòng)摩擦機(jī)制在大坡道上極易引發(fā)溜坡事件。所以不得不采用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引的方法來(lái)保護(hù)架橋機(jī)安全縱移,但這是既麻煩又落后的方法。

針對(duì)以上所述情況,我們徹底改變傳統(tǒng)的輪軌體系滾動(dòng)摩擦的理念,而采用滑動(dòng)摩擦的理念,達(dá)到簡(jiǎn)單方便地以增大行走機(jī)構(gòu)與地面之間的摩阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)不溜坡的目的。以此為出發(fā)點(diǎn),研制和使用了一套液壓自行式滑道系統(tǒng),如圖2所示。這套系統(tǒng)由左右一對(duì)滑靴機(jī)構(gòu)組成,安裝在后支腿左右兩肢的腳部,其工作原理可按圖2來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明：獨(dú)立滑行靴上面設(shè)有縱移頂推油缸,該油缸生根在滑行靴上,頂推油缸頂住支腿腳部滑板,此滑板支承在滑靴頂面,利用滑板與滑靴面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于滑靴底板與混凝土梁面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的原理,當(dāng)馬凳在豎向油缸頂壓下站地吃力時(shí),滑靴被提起懸空,使水平縱向油缸收縮,即可將滑靴向前輸送一個(gè)行程(1.2 m)；然后豎向油缸縮起,馬凳被提起懸空,滑靴落下站立于橋面,此時(shí)在支腿傳來(lái)的壓力下,滑靴底面與橋面之間將產(chǎn)生巨大摩阻力,而支腿腳部滑板與滑靴頂板間產(chǎn)生的摩阻力較小,這時(shí)縱移頂推油缸發(fā)力頂推,則可推動(dòng)支腿腳部沿著滑靴頂面向前滑移一個(gè)行程(約1.2 m),然后豎向油缸發(fā)力再度將支承馬凳落下而支承著后支腿全部重力。且滑靴再度被提起離開橋面,縱移油缸縮回,帶動(dòng)滑靴在懸空狀態(tài),再向前前進(jìn)一個(gè)行程。如此交替反復(fù)動(dòng)作,即可使架橋機(jī)一步一步地向前行走。

此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需在橋面鋪設(shè)架橋機(jī)縱移軌道,省料、省工、省時(shí),更重要的是絕對(duì)可以簡(jiǎn)便地防止架橋機(jī)溜坡現(xiàn)象的發(fā)生,保證了施工安全。

4.5 DP700型架橋機(jī)先進(jìn)技術(shù)的總體評(píng)價(jià)

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外都在大力發(fā)展城市軌道交通,以緩解交通擁堵問(wèn)題。城市軌道交通的最大特點(diǎn)是：線路平面曲線半徑小、線路縱向坡度大、橋梁分布密集而綿長(zhǎng),且城市環(huán)境地窄人多、交通繁忙,對(duì)橋梁施工干涉大,尤其廣州軌道交通6號(hào)線上的橋梁大多分布在小半徑曲線(R≥380 m)大坡道(i≤5%)的線路上,且需跨越交通繁忙的原有道路。廣州市政府要求既要加快施工進(jìn)度,又要降低交通干擾,更要防止環(huán)境污染。因此,采用架橋機(jī)節(jié)段拼裝方法架設(shè)橋梁是最佳的選擇。如此,可以在郊區(qū)制梁場(chǎng)集中預(yù)制梁段,而減少城內(nèi)環(huán)境污染,然后運(yùn)到橋址用架橋機(jī)進(jìn)行懸掛懸拼方法架梁。顯然,這種架橋機(jī)要在這樣苛刻的條件下架梁,必須具備先進(jìn)和特殊的功能且必須滿足：(1)能夠高位懸掛懸拼,不阻塞橋下正常的車輛通行。(2)能在小半徑曲線上縱移過(guò)孔和架梁作業(yè)。(3)能在大坡道上縱移過(guò)孔不溜坡。(4)不污染環(huán)境即能施行預(yù)制梁段的節(jié)段拼裝方法。(5)架梁進(jìn)度能保證1孔/3 d。

在當(dāng)時(shí)架橋機(jī)采購(gòu)競(jìng)標(biāo)的結(jié)果顯示,多家參加投標(biāo)的廠商中只有鄭州大方橋梁機(jī)械有限公司提交的DP700型架橋機(jī)的設(shè)計(jì)方案能夠滿足上述5個(gè)條件的要求。最后中標(biāo)并付諸實(shí)施和成功使用,就是源于它的技術(shù)上的全面先進(jìn)性。

5 DF700型樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

本架橋機(jī)在2009年2月始已在廣州軌道交通6號(hào)線6.2標(biāo)段正常施工至今,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),證明性能良好?，F(xiàn)在正在生產(chǎn)的第2臺(tái)計(jì)劃2010年5月投入該線使用。圖9為首跨架設(shè)實(shí)況,圖10為架橋機(jī)準(zhǔn)備架設(shè)下一孔狀態(tài)。

圖9 首跨架設(shè)工況

圖10 準(zhǔn)備架設(shè)下一孔

6 結(jié)語(yǔ)

因?yàn)楣?jié)段拼裝這種施工辦法有其特有的優(yōu)越性,節(jié)段拼裝橋梁在國(guó)內(nèi)外城市高架橋建設(shè)中使用越來(lái)越多,由于實(shí)際道路的需求會(huì)對(duì)架橋機(jī)的功能及跨度提出更多新的要求,通過(guò)對(duì)廣州軌道交通6號(hào)線上本架橋機(jī)使用情況的初步總結(jié),本文所述內(nèi)容顯然對(duì)更新型的架橋機(jī)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

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