大型制梁場高墩區(qū)提梁龍門吊改造與應(yīng)用技術(shù)研究

姚軍軍

(中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 工程概況

北京至雄安城際鐵路一標(biāo)自李營站至新機(jī)場，大興制梁場位于大興區(qū)魏善莊境內(nèi)，正線里程DK26＋700～DK27＋300右側(cè)，中心里程DK27＋000。該段落城市路網(wǎng)交錯(cuò)復(fù)雜，橋梁均設(shè)置為高墩。大興梁場處墩高為22 m，箱梁高度為2.635 m，考慮提梁過程安全等因素，龍門吊應(yīng)提梁38 m高度才能滿足要求。

2 可調(diào)超高支腿提梁龍門吊設(shè)計(jì)及改造

目前，國內(nèi)提梁龍門吊凈高30 m，跨度36 m，支腿為雙剛性支腿，滿足最大墩高僅為13.6 m[1-2]，不能滿足高度要求，若采用上橋坡道等方法無法按期完工。

針對梁場區(qū)墩高與既有提梁龍門吊不匹配的情況，需要對既有提梁龍門吊重新設(shè)計(jì)、改造以適應(yīng)施工需要。由于提梁龍門吊跨度大、起重高，為避免提梁龍門吊大車走行時(shí)對軌道產(chǎn)生較大的橫向推力[3-4]，可調(diào)超高支腿提梁龍門吊支腿采用一剛一柔結(jié)構(gòu)[5-7]。

MG450 t可調(diào)超高支腿提梁龍門吊結(jié)構(gòu)由主梁、剛性與柔性支腿、端橫梁、起重小車、控制系統(tǒng)等組成[8-9]，如圖1所示。主梁為雙箱梁結(jié)構(gòu)，通過改造主梁端頭(主梁端節(jié)Ⅰ和主梁端節(jié)Ⅱ)來提升整機(jī)高度，小車機(jī)構(gòu)在主梁軌道上運(yùn)行，剛性支腿采用“倒Y”型設(shè)計(jì)，剛性支腿又可拆解成高10 m的等截面段，柔性支腿采用三角形。剛性與柔性支腿分節(jié)截面均處于同一高度，通過更換一定長度剛性支腿等截面節(jié)高度、柔支腿增減節(jié)、柔支腿下橫梁中節(jié)降低高度作為低提梁龍門吊使用。

按照大車行走機(jī)構(gòu)、柔性支腿、剛性支腿、主梁及附屬件的順序組裝，大興梁場范圍內(nèi)10榀箱梁可由高墩提梁龍門吊架設(shè)，后與架橋機(jī)配合在兩側(cè)線路架梁，利用此提梁龍門吊也可協(xié)助架橋機(jī)掉頭與拆解。MG450 t龍門吊最大安裝高度48.1 m，主梁長度為37.8 m，起重機(jī)跨距為35.01 m，整機(jī)重量445 t。提梁龍門吊總體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 提梁龍門吊設(shè)計(jì)參數(shù)

3 提梁龍門吊受力性能分析

3.1 整體模型

根據(jù)可調(diào)超高支腿提梁龍門吊設(shè)計(jì)建立其在高墩區(qū)MIDAS有限元計(jì)算模型，提梁龍門吊剛性支腿和柔性支腿底部施加固定約束[10]，剛性支腿、柔性支腿與主梁連接處采用剛性連接，主梁、柔性支腿與剛性支腿、上下橫梁等構(gòu)件均采用梁單元。工程中使用兩個(gè)相同的可調(diào)超高支腿提梁龍門吊協(xié)作完成，建模時(shí)簡化為單個(gè)提梁龍門吊。模型節(jié)點(diǎn)總計(jì)63個(gè)，單元總計(jì)68個(gè)。鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q345C，屈服強(qiáng)度為345 MPa，主梁安全系數(shù)取1.48，容許應(yīng)力為[σ]＝233 MPa；支腿安全系數(shù)取1.34，容許應(yīng)力為[σ]＝257 MPa[11]。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算工況及荷載

本文選取以下三種不利工況進(jìn)行提梁龍門吊結(jié)構(gòu)受力分析。

工況一:提梁龍門吊主梁端節(jié)Ⅰ(靠近剛性支腿側(cè))滿載時(shí)。

工況二:提梁龍門吊主梁中節(jié)滿載時(shí)。

工況三:提梁龍門吊主梁端節(jié)Ⅱ(靠近柔性支腿側(cè))滿載時(shí)。

本文采用容許應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，主梁、軌道和走臺(tái)自重共712 kN，箱梁、起重小車和吊具自重共為5 240 kN，最大工作風(fēng)壓為250 N/m2，水平荷載為制動(dòng)荷載與風(fēng)荷載的合力，豎向荷載為主梁、軌道、走臺(tái)、箱梁、起重小車和吊具等結(jié)構(gòu)總重。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 應(yīng)力及變形分析

以工況一為例，可調(diào)超高支腿提梁龍門吊在工況一荷載組合下整體應(yīng)力最大值為102.6 MPa，應(yīng)力云圖如圖3所示。

由應(yīng)力云圖可知，可調(diào)超高支腿提梁龍門吊主梁最大應(yīng)力為45 MPa，剛性支腿最大應(yīng)力為102.6 MPa，柔性支腿最大應(yīng)力為78.95 MPa，可調(diào)超高支腿提梁龍門吊在工況一下最大應(yīng)力出現(xiàn)在剛性支腿斜腿和下橫梁連接處。

可調(diào)超高支腿提梁龍門吊結(jié)構(gòu)在工況一荷載組合下的變形最大值為22.6 mm，變形云圖如圖4所示。

圖3 龍門吊在工況一荷載組合下應(yīng)力云圖

圖4 提梁龍門吊在工況一荷載組合下變形云圖

由圖4可知，主梁的最大變形為22.6 mm，剛性支腿最大變形為5.8 mm，柔性支腿最大變形為4.2 mm，在工況一下最大變形出現(xiàn)在主梁端節(jié)Ⅰ和主梁中節(jié)連接處。

其它工況下應(yīng)力云圖及變形云圖因篇幅限制本文未給出，統(tǒng)計(jì)可調(diào)超高支腿提梁龍門吊在不同工況下的應(yīng)力和變形情況見表2。

表2 提梁龍門吊應(yīng)力及變形值統(tǒng)計(jì)

根據(jù)不同工況下計(jì)算得出的提梁龍門吊結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形值可知，主梁處最大應(yīng)力為72.8 MPa＜[σ]＝233 MPa；剛性支腿最大應(yīng)力值為102.6 MPa＜[σ]＝257 MPa；柔性支腿最大應(yīng)力值為87.2 MPa＜[σ] ＝257 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，主梁的垂直剛度f與主梁跨度L的關(guān)系為f≤L/500。主梁的最大撓度值為f＝29.3 mm＜[f]＝L/500＝70 mm，主梁的剛度滿足規(guī)范要求；剛性支腿最大變形值為f＝5.8 mm＜[f]＝H/400＝90 mm；柔性支腿最大變形值f＝7.3 mm＜[f]＝90 mm，可調(diào)超高龍門吊結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求[12]。

3.3.2 穩(wěn)定性分析

由表2數(shù)據(jù)可知，工況一為剛性支腿最不利工況，由圖5a可知，剛性支腿最大軸力為5 361 kN，剛性支腿最不利截面參數(shù):A＝71 360 mm2，回轉(zhuǎn)半徑i＝420.2，長細(xì)比λ＝90.3，查表得穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.496，σ＝F/Aφ＝151.5 MPa＜[σ]＝257 MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

由表2數(shù)據(jù)可知，工況三為柔性支腿最不利工況，由圖5b可知，柔性支腿最大軸力為2 494 kN，柔性支腿截面參數(shù):A＝71 360 mm2，回轉(zhuǎn)半徑i＝420.2，長細(xì)比λ＝91.1，查表可知穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.49，σ＝F/Aφ＝71.3 MPa＜[σ] ＝257 MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

圖5 提梁龍門吊內(nèi)力云圖

4 現(xiàn)場施工應(yīng)用

4.1 龍門吊提梁、移梁、落梁(900 t箱梁)

(1)提梁龍門吊提梁

提梁龍門吊提升箱梁離開存梁臺(tái)座20 mm時(shí)，須懸停10 min。此時(shí)，應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定且提吊系統(tǒng)工作是否正常。提梁現(xiàn)場見圖6。

圖6 提梁龍門吊提梁現(xiàn)場

(2)提梁龍門吊移梁

兩臺(tái)提梁龍門吊聯(lián)動(dòng)同步提升箱梁，在提升過程中，需保持箱梁提升高度一致，前后高差不超過1 cm。提梁龍門吊聯(lián)動(dòng)同步走行大車，提移箱梁至支座錨栓套筒底部高過墩頂墊石500 mm后停止提升。兩臺(tái)提梁龍門吊的小車聯(lián)動(dòng)同步橫移至待架墩頂正上方后停止橫移。

(3)提梁龍門吊落梁

落梁時(shí)，兩臺(tái)高墩龍門吊緩緩將24 m箱梁下放至距離墩臺(tái)墊石頂面20 cm處懸停，采用線錘對中箱梁支座中心線和墩臺(tái)墊石中心線來檢查并調(diào)整支座中心位移量。

待架箱梁落至距墩臺(tái)支承墊石頂面5 cm時(shí)，借助運(yùn)架一體機(jī)起重小車微調(diào)箱梁，預(yù)留出箱梁伸縮縫，精準(zhǔn)對位后，落至臨時(shí)千斤頂上。落梁現(xiàn)場見圖7。

圖7 落梁現(xiàn)場

(4)梁體就位

箱梁落至臨時(shí)支撐的測力千斤頂上，為防止待架箱梁傾覆失穩(wěn)，此時(shí)不應(yīng)拆除吊裝螺栓。

微調(diào)高程時(shí)，應(yīng)仔細(xì)觀察千斤頂讀數(shù)，讀數(shù)穩(wěn)定且沒有突變，單個(gè)支點(diǎn)反力值與四個(gè)支點(diǎn)反力的平均值相差不應(yīng)超過±5%。

4.2 可調(diào)超高支腿提梁龍門吊提運(yùn)架一體機(jī)架梁

(1)提梁龍門吊提升運(yùn)架一體機(jī)

提前對運(yùn)架一體機(jī)進(jìn)行吊點(diǎn)改裝，使得運(yùn)架一體機(jī)的吊耳能夠滿足龍門吊吊桿間距及提升要求。此時(shí)，待架箱梁已經(jīng)提至箱梁頂面，固定牢固以防提升運(yùn)架一體機(jī)時(shí)二者發(fā)生碰撞。將兩組龍門吊的吊桿穿過運(yùn)架一體機(jī)的吊耳，施擰螺栓后應(yīng)試提升，觀察是否錨固穩(wěn)定(見圖8)。

圖8 提梁龍門吊提升運(yùn)架一體機(jī)

(2)提梁龍門吊提升運(yùn)架一體機(jī)前移

因考慮龍門架限高及凈空安全等因素，防止與周圍高壓線交叉接觸，京雄一標(biāo)未選擇豎向提升運(yùn)架一體機(jī)走行至箱梁上方后下落的方案，在實(shí)際施工中，龍門吊提升運(yùn)架一體機(jī)橫向移至鐵路正線外側(cè)，龍門吊攜運(yùn)架一體機(jī)順橋向行進(jìn)至待架箱梁外側(cè)，此時(shí)，恰好一體機(jī)的導(dǎo)梁正位于待架箱梁的外側(cè)。

(3)橫移并下放運(yùn)架一體機(jī)喂梁

高墩龍門吊提升運(yùn)架一體機(jī)至橋面待架箱梁一側(cè)，橫向移動(dòng)一體機(jī)直至待架箱梁正上方，調(diào)節(jié)吊桿長度，將一體機(jī)落至橋面。此時(shí)，箱梁正位于運(yùn)架一體機(jī)導(dǎo)梁正下方，即在兩輪之間，此過程即為喂梁。

(4)運(yùn)架一體機(jī)架設(shè)箱梁

完成喂梁后，將運(yùn)架一體機(jī)吊具穿過待架箱梁吊孔，施擰螺栓且穩(wěn)定后架設(shè)箱梁。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合京雄城際鐵路北京大興制梁場施工實(shí)際情況，在普通低提梁龍門吊基礎(chǔ)上改造超高跨墩提梁龍門吊，超高支腿提梁龍門吊提升最大高度可達(dá)48.1 m，攻克了國內(nèi)高鐵雙線箱梁高墩區(qū)提梁的技術(shù)難點(diǎn)，成功提升900 t箱梁和運(yùn)架一體機(jī)，具有一定推廣價(jià)值。