拼裝式節(jié)段箱梁造橋機的創(chuàng)新設計與應用

張耀輝，趙振宇，鮑存坤

(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

1 概述

紅柳河特大橋是新建蘭新二線高速鐵路的重要工程，位于甘肅和新疆交界處的西北煙墩風區(qū)的戈壁灘上，地理和氣候環(huán)境惡劣，該橋是33孔48 m節(jié)段拼裝簡支箱梁橋，每孔箱梁均由11節(jié)預制箱梁節(jié)段和10個濕接縫組裝而成，箱梁的安裝施工采用拼裝式造橋機進行。最大箱梁節(jié)段質(zhì)量155 t，梁寬為12.2 m，整孔梁質(zhì)量1 700 t，最大墩高46 m，最大縱坡18‰。在高空大風區(qū)等多項不利因素下，進行大噸位、大截面箱梁的安裝作業(yè)及濕接縫施工，安全風險極高，施工受外界客觀因素干擾大。盡管采用八七梁拼裝式造橋機進行節(jié)段箱梁的施工技術［1］在一些類似工程施工中已得到應用，但是由于本橋的特殊性，由石家莊鐵道大學國防交通研究所研制的這臺大型造橋機設備在造橋機的支腿支撐方式、整機過孔方式和特殊結構部位的連接方式等方面均進行了大膽的優(yōu)化和創(chuàng)新設計，使得這臺造橋機從適用性和安全性等方面很好地滿足了現(xiàn)場的施工作業(yè)要求。

2 造橋機的創(chuàng)新設計

由于紅柳河特大橋的橋墩很高、所在地區(qū)風速很大、箱梁寬度大，遠遠超過墩頂寬度，如果采用以往的主桁結構直接在墩頂支撐，或采用墩頂牛腿支撐，或墩旁支架支撐的方式，不僅難以實現(xiàn)，而且安全施工風險很大，所以，必須對該型造橋機在支撐方式、過孔方式和結構連接等方面進行創(chuàng)新設計，才能有效地適應該工程的施工條件，從4個方面來闡述該造橋機的設計創(chuàng)新點。造橋機的整機形式見圖1。

2.1 Ω形后支腿支撐方式

由于本橋的橋墩橫向?qū)挾葹?.2 m，而箱梁寬度為12.2 m，那么采用下行式的造橋機結構形式，其主桁片結構就必須設在梁寬以外，導致造橋機尾部桁架無法直接支撐在墩頂上;又因為橋墩太高，不宜在墩旁設置墩旁支架或墩頂牛腿支架，所以經(jīng)過綜合研究分析和優(yōu)化設計，巧妙地設計了一個箱形截面的Ω形后支腿結構，使其通過桁式過渡節(jié)和八七梁主桁架結構相連，Ω形后支腿的兩個支點直接支在已架箱梁的端部腹板上方。采用這種方法改變了以往的同類型造橋機主結構直接支承在墩頂?shù)闹畏绞剑m應了梁寬墩窄和墩高不宜設墩旁支架、牛腿的工程情況。Ω形后支腿結構形式見圖2。

Ω形后支腿結構采用箱形斷面形式，為了方便運輸和安裝，將整個結構分成了4個節(jié)段，節(jié)段之間通過高強度螺栓和拼接板進行連接。其加工難點在于支腿上螺栓孔的分布精度控制，保證拼裝好后，能夠順利地和主桁結構進行螺栓對接連接［2］。

圖1 造橋機正常架梁作業(yè)狀態(tài)總圖

2.2 桁架式中支腿支撐方式

由于造橋機主桁架結構在墩寬度以外，因此造橋機中部的主桁架也無法直接支撐在墩頂上。通過綜合優(yōu)化設計后，在此處設計1個橫向的桁架支腿結構和兩側的主桁垂直相連，然后通過桁架支腿的兩個主立柱直接支撐在墩頂墊石上。由于桁架支腿是一個薄片式結構，它在墩頂上所占的縱向尺寸較小，這就保證了桁架式中支腿和梁端節(jié)的空間縱向距離，滿足了梁端千斤頂張拉預應力鋼束的空間要求。主桁架是由八七梁桿件和拼接板拼組而成的結構，為了實現(xiàn)桁架式中支腿和主桁相連，需要設計特殊的拼接板來實現(xiàn)此處的連接。另外，通過優(yōu)化中支腿桁架的結構形式，使得其桿件之間的空隙能夠不妨礙梁端張拉預應力鋼束的作業(yè)空間要求。正常架梁時中支腿的結構形式和支撐方式1見圖3。

中支腿的2個主支撐立柱采用箱形斷面的結構形式，其余斜桿采用背對背2組槽鋼組成的工字形截面的形式，所有桿件之間均采用螺栓連接。當造橋機架設最后一孔梁時，中支腿需支撐在橋臺的胸墻上，此時需將支腿的下部桿件拆除，然后再將立柱支撐在橋臺上。此時中支腿的結構形式和支撐方式2見圖4。

2.3 帶行走和液壓升降系統(tǒng)的前支腿結構形式

造橋機的前導梁支撐在前支腿上。前支腿結構系統(tǒng)是由主橫梁、托輪系統(tǒng)、掛輪系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)和可伸縮支撐立柱等組成，結構組成見圖5。前支腿的液壓升降系統(tǒng)由4個2 000 kN的液壓缸等組成［3］，可通過頂升前支腿主橫梁來實現(xiàn)造橋機的升降作業(yè)和整機的坡度調(diào)節(jié)作業(yè);前支腿可通過自帶的掛輪系統(tǒng)實現(xiàn)其沿造橋機整個導梁的縱向移動，來實現(xiàn)造橋機過孔作業(yè)中前支腿的前行需要;托輪系統(tǒng)直接支撐導梁的下滑道，使得導梁在拖輪上滾動摩擦前行，阻力很小，有利于降低整個造橋機前行時的阻力;可伸縮支撐立柱是兩個具有內(nèi)外套和銷軸連接的結構，前支腿頂升到位后，通過銷軸固定內(nèi)外套，起到前支腿的豎向支撐保護作用。采用此種前支腿方案，既滿足了造橋機的升降調(diào)節(jié)要求，又滿足了前支腿的過孔需要，同時顯著降低了造橋機前行阻力。造橋機前導梁在前支腿上的支撐方式見圖6。

圖2 后支腿結構形式

圖3 中支腿結構形式和支撐方式1

圖4 中支腿結構形式和支撐方式2

圖5 前支腿結構形式和支撐方式

圖6 造橋機前導梁在前支腿上的支撐方式

2.4 造橋機的過孔方式

造橋機過孔時，專用的輪軌式托運臺車支撐住造橋機的尾部牛腿，前支腿液壓缸頂升造橋機致使中支腿鉸座離開墩頂，然后通過設置在托運臺車上的卷揚機和滑輪組，用鋼絲繩和設置在梁端的定滑輪組相連，用卷揚機拖拉牽引驅(qū)動。因為托運臺車是輪軌走行方式，前導梁下滑道在前支腿的滾動托輪上滑動，所以整個造橋機的前行阻力主要是18‰的橋梁坡道阻力和造橋機的滾動摩擦阻力。這樣一來，就比以往靠造橋機下弦滑道在固定滑板支墩上的滑動摩擦阻力小了很多，前行動力僅僅250 kN左右。造橋機邊前行，下托梁邊分組打開，待該組下托梁過墩后，即可恢復成閉合狀態(tài)，依次類推。

造橋機過孔狀態(tài)中，造橋機共處于3個主要受力狀態(tài):(1)專用輪軌式馱運后車支撐起造橋機尾部，前支腿通過頂升液壓缸頂升導梁，當造橋機中支腿的支座脫離開墩頂，此時整個造橋機的自重全部支撐在后車和前支腿上，呈跨度為110 m的大簡支狀態(tài);(2)牽引機構牽引造橋機馱運后車前行，前支腿在墩頂固定不動，前導梁在前支腿上的托輪上滾動摩擦前行;(3)待中支腿到達前方橋墩墩頂上，臨時支撐，然后前支腿通過自帶的掛輪行走系統(tǒng)，沿前導梁的滑道自行至下一橋墩墩頂，此時，造橋機的兩個支點是后車和中支腿，前導梁呈大懸臂狀態(tài)，前支腿懸吊在大懸臂的前端，此時是最不利的懸臂狀態(tài)。3種狀態(tài)分別見圖7～圖9。

圖7 造橋機最大簡支過孔狀態(tài)

3 造橋機的主要安全防護措施［4-12］

由于該橋的橋墩很高，且橋址處于西北的風區(qū)，風速很大，所以經(jīng)常在處于大風天氣的高空中施工作業(yè)，無論對人員還是對施工設備，其安全措施尤為重要。

圖8 造橋機過孔前行中的狀態(tài)

圖9 造橋機過孔的最大懸臂狀態(tài)

(1)造橋機支腿在墩頂?shù)腻^固措施。為了保證造橋機在施工中的縱橫向穩(wěn)定，在設計造橋機支腿的時候，就考慮了在墩頂進行錨固的方案。所以，在橋墩施工時，按照造橋機的設計要求，事先在墩頂預埋了錨固用的精軋螺紋鋼，用于和造橋機的支腿進行錨固，保證了造橋機在正常架梁施工和過孔時的支腿穩(wěn)定性。

(2)造橋機的大風防范措施。當遇到超過正常允許作業(yè)風力的大風天氣時，可通過纜風繩在造橋機的前、中、后3個部位，將造橋機的上弦節(jié)點和預埋在墩頂上預埋槽鋼牛腿之間進行連接捆綁固定。

(3)造橋機風速報警裝置。在造橋機上設風速報警裝置，用來監(jiān)控風速的大小，為及時采取措施，提供提前預報。

(4)造橋機施工平臺。在高空進行施工作業(yè)時，人員的安全防護至關重要。為此在造橋機下托梁下面設置了工作面很寬的工作平臺，在下托梁平面的兩側設置了2個2 m寬的走行通道，其外面用安全網(wǎng)進行防護。

(5)施工操作注意事項。為了安全進行操作施工，除了對施工人員進行專門的技術操作培訓，還編制了造橋機詳細的操作規(guī)程。

4 造橋機的施工工藝流程和主要參數(shù)

造橋機施工工藝流程見圖10。

圖10 造橋機施工工藝流程

主要設計參數(shù)如下:起重小車額定起重1 550 kN;吊機輪廓尺寸117 m×16.8 m×17.2 m;主桁有效內(nèi)部凈空54 m×13 m×14 m;整機質(zhì)量750 t;整機過孔驅(qū)動方式為卷揚機牽引;起重小車走行控制方式為變頻調(diào)速控制;起重小車走行速度0～3 m/min;起重小車起升速度0～1 m/min;動力條件380 V，50 Hz;起升總功率45 kW;最大作業(yè)縱坡18‰;工作狀態(tài)最大風力6級;非工作狀態(tài)最大風力11級;施工周期3孔梁/月;梁節(jié)運輸方式為輪軌式運梁車。

5 結語

根據(jù)紅柳河特大橋的具體情況，在總結以往類似造橋機的基礎上，進行了大膽的創(chuàng)新設計和應用，很好地滿足了節(jié)段箱梁拼裝架設的需要，保證了該橋的順利施工，解決了高速鐵路梁寬、高墩、大坡度、風速大和高空作業(yè)難的特殊環(huán)境施工難題。目前，該造橋機已順利完成了20孔48 m節(jié)段箱梁的拼裝施工，性能穩(wěn)定，安全可靠，在這種特殊環(huán)境下，最快造橋速度達7 d/孔。該新型造橋機的成功研制與應用，將為今后類似環(huán)境下的工程施工提供較好的參考價值。

［1］王立新.鐵路橋梁節(jié)段拼裝造橋機回顧、發(fā)展與展望［J］.鐵道建筑技術，2009(8):113-116.

［2］中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［3］張質(zhì)文，虞和謙，等.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2001:502-570.

［4］陳士通，徐光興，張耀輝.SPZ1100/40雙線鐵路箱梁造橋機在撫河特大橋中的應用［J］.起重運輸機械，2007(6):41-43.

［5］鮑存坤，王新敏.SPZ1100/40雙線鐵路箱梁造橋機的設計［J］.石家莊鐵道學院學報，2005(63):9-12.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB/T 3811—2008 起重機設計規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［7］肖新華，王新敏.ZQJ800型移動支架造橋機結構設計與分析［J］.鐵道標準設計，2004(1):26-29.

［8］張勝.造橋機節(jié)段拼裝48 m鐵路雙線箱梁施工技術［J］.鐵道標準設計，2009(1):50-52.

［9］賈東榮.大西客運專線鐵路48 m/1 600 t下承式造橋機研發(fā)［J］.鐵道標準設計，2011(12):61-66.

［10］楊江朋，苗蘭弟.造橋機節(jié)段拼裝法成梁施工控制［J］.筑路機械與施工機械化，2009(12):70-73.

［11］王海民，鮑存坤，尚艷亮.SPZ1300/48造橋機拼裝節(jié)段箱梁初始線形設置研究［J］.國防交通工程與技術，2008(1):51-53.

［12］楊元春.SX32/64型雙線節(jié)段拼裝造橋機設計及應用［J］.鐵道建筑技術，2010(3):7-11.