南京長江五橋QMDJ500型橋面吊機研制及應用

劉 勛，金 倉，劉民勝，舒宏生，劉新華

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

南京長江五橋設計為跨徑(80+218+2×600+218+80)m 的三塔六跨連續(xù)組合梁斜拉橋[1-2]。主橋斜拉索為中央雙索面布置，主梁采用扁平流線型整體箱形鋼混組合梁，其兩側路肩區(qū)為底部開放的懸臂結構，主梁標準寬度為35.6 m，梁高(中心線處)3.6 m，節(jié)段長度為14.6 m，標準橫斷面見圖1。全橋主梁共13 種類型，其中C、C1、C2、D1、D2、F梁段采用橋面吊機起吊，其余梁段采用浮吊起吊；標準梁段(C 梁段)吊重為407.4 t；D2梁段質量最大，為424.7 t。梁段劃分見圖2。

圖1 主梁標準橫斷面

圖2 主梁梁段劃分

目前，在具有通航條件的江河流域上的斜拉橋，安裝主梁時多采用橋面吊機垂直起吊節(jié)段梁[3]。南京長江三橋梁寬37.2 m，標準節(jié)段質量為252.0 t，長15.0 m，采用單臺280 t液壓橋面吊機垂直提升[4]；蘇通大橋梁寬41.0 m，標準節(jié)段質量為450.0 t，長16.0 m，采用2臺250 t液壓提升式橋面吊機抬吊[5]；鄂東長江大橋梁寬38.0 m，標準節(jié)段質量為369.0 t，長16.0 m，采用2臺280 t液壓橋面吊機抬吊[6]。以上橋梁斜拉索均布設在主梁兩側，其受力特點允許布置2臺吊機進行主梁抬吊作業(yè)，單機吊裝質量一般在300 t 以下。

考慮到橋面吊機的重復使用及預留吊裝質量增大等因素[7]，南京五橋橋面吊機額定起重量設計為500 t(含吊具)。同時，為了保證安裝階段主梁豎向受力狀況與成橋階段基本接近，標準梁段采用單臺橋面吊機安裝，且為了避免對永久結構產(chǎn)生不良影響，必須把吊機質量控制在設定范圍內(nèi)。受橋梁結構的影響，常規(guī)橋面吊機不適用于本橋，必須進行結構適用性研究。

1 橋面吊機設計

橋面吊機主要由主桁架、液壓提升及調(diào)位系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、前支點支撐系統(tǒng)、后錨固系統(tǒng)、液壓泵站、控制系統(tǒng)、吊具及扁擔梁、安全操作平臺等組成[8]。QMDJ500型橋面吊機的主要結構特點為：主桁架位于斜拉索內(nèi)側，前支點、后錨點以及起吊點位于斜拉索外側、主梁中腹板正上方，保證施工荷載合理傳遞至主梁結構，從而保障施工期間的主梁結構總體抗扭剛度和力學性能，同時兼顧考慮了施工中的操作便利性。橋面吊機主體結構見圖3，主要性能參數(shù)見表1。

1.1 主桁架

為提高吊機的適應性、減小總體質量，吊機主桁采用了菱形框架，2片主桁之間用平聯(lián)桿件連接固定，保持吊機橫向穩(wěn)定[9]。由于本橋斜拉索采用中央雙索面扇形布置，梁上拉索的橫向間距僅有4.6 m，因此通過逐根模擬索的安裝位置，2片主桁橫向間距設計為不影響斜拉索的最大距離，即3.4 m。

根據(jù)《起重機設計規(guī)范》(GB/T 3811—2008)，在有風工作、行走狀態(tài)及強風非工作狀態(tài)下，針對橋面吊機整體結構，采用許用應力設計法，通過有限元分析軟件，分別對主桁架進行了理論計算[10-12]。主桁架在額定吊重、最大工作風載荷工況下的有限元計算結果見圖4，組合應力最大為172 MPa，在后拉桿位置，小于Q345鋼材的許用應力；懸臂端垂直靜撓度為26 mm，小于允許變形量L/350 =28.6 mm(其中有效懸臂長度L為10 m)。

表1 橋面吊機的主要性能參數(shù)

圖4 主桁架有限元分析結果

1.2 液壓提升及調(diào)位系統(tǒng)

通過分析，如果沿縱橋向布置液壓提升及調(diào)位系統(tǒng)，寬度方向可能干涉斜拉索安裝；如果沿橫橋向布置，則始終位于已安裝斜拉索前方，對斜拉索安裝無影響，因此將其橫向布置。

液壓提升及調(diào)位系統(tǒng)包括主橫梁、連續(xù)提升系統(tǒng)、縱橫向調(diào)整油缸及液壓控制系統(tǒng)等[13]；主橫梁設計為懸臂結構，起吊點設置于主梁中腹板正上方、斜拉索外側，見圖5。

圖5 液壓提升及調(diào)位系統(tǒng)結構

采用S294連續(xù)千斤頂提升系統(tǒng)，包括配套的鋼絞線主動卷線盤、鋼絞線導向架、18×Φ18 mm鋼絞線等。

橫移平臺和主橫梁之間及縱移平臺與主桁上弦桿之間采用聚四氟乙烯-不銹鋼滑動副，通過縱、橫向移位實現(xiàn)梁段的平穩(wěn)微調(diào)[14]。

1.3 前支點支撐系統(tǒng)

主梁中腹板橫向間距為5.6 m，斜拉索橫向間距為4.6 m，為了保證吊裝狀態(tài)下受力合理，前支點需落在主梁中腹板位置，跨索布置，需要解決的問題是行走狀態(tài)時前支點前移過索。

前支點支撐系統(tǒng)由前支撐橫梁和前支撐墊塊組成，兩者之間設置鉸式支座連接，可確保吊機前支點在吊裝狀態(tài)下轉動，消除附加彎矩，結構如圖6所示。為了滿足橋面板受力要求，前支撐墊塊長1.8 m，寬0.9 m。前支撐墊塊底部設置縱坡(同橋梁縱坡)，其上設置行走滾輪，通過小型千斤頂實現(xiàn)下落或者收起，方便行走。

圖6 前支點支撐系統(tǒng)

在吊機行走過程中，前支點橫梁與主桁架分離，縱向移動約3 m，通過設置在主桁架橫梁上的手拉葫蘆起吊旋轉90°，待過索后回轉，并后移至下一吊裝支撐位置。

1.4 后錨固系統(tǒng)

后錨固系統(tǒng)由后錨橫梁、連接耳板及移動支架組成，吊梁時后錨橫梁與主桁架、連接耳板與梁段吊耳之間采用銷軸連接，確保拉力傳遞，如圖7所示。

圖7 后錨固系統(tǒng)示意

在吊機移動過程中，后錨橫梁遇斜拉索時與主桁架分離，采用移動支架臨時支撐，旋轉一定角度，避開斜拉索，并前移至下一個錨固位置再連接，如圖8所示。

圖8 臨時支撐示意

1.5 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)主要由前支撐及頂升機構、行走反扣裝置、體系轉換框架、行走頂推裝置、行走軌道梁及軌道壓梁等組成，各部件之間用銷軸或者螺栓連接。

前支撐及頂升機構包括前支撐框架、前支點頂升油缸、行走移運器等；行走頂推油缸連接其后，通過油缸座和銷軸與軌道連接，實現(xiàn)步履式行走頂推功能；前支撐框架為跨軌道梁結構，如圖9所示。

圖9 前支撐及頂升機構示意

行走反扣裝置與體系轉換框架安裝于后錨橫梁前方，體系轉換框架內(nèi)部安裝體系轉換油缸和反扣移運器，在完成梁段吊裝后提供吊機行走前受力體系轉換，如圖10所示。

圖10 行走反扣裝置示意

如圖11所示，軌道采用壓梁錨固，壓梁與軌道之間采用楔形塊壓緊，好處是橋面不需要單獨預留孔洞，減少開孔對主梁造成的局部質量損失。軌道梁設計剛度較大，保證2道壓梁的最大間距為14.6 m時，變形在允許范圍內(nèi)。

圖11 行走軌道及壓梁示意

1.6 吊具系統(tǒng)

為了不影響斜拉索的安裝，扁擔梁寬度尺寸受到限制，因此設計了一種內(nèi)滑式扁擔梁縱坡調(diào)整系統(tǒng)，它由固定錨、調(diào)坡滑塊、扁擔梁、調(diào)坡油缸及泵站等組成，如圖12所示。

圖12 扁擔梁調(diào)坡吊具系統(tǒng)示意

1.7 動力系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)

橋面吊機主動力系統(tǒng)采用柴油發(fā)動機驅動液壓泵站，主要提供S294主加載液壓鋼絞線千斤頂和主動卷線盤的液壓回路。

中央控制系統(tǒng)主要用于橋面吊機主梁吊裝全過程控制，監(jiān)測動力系統(tǒng)、S294千斤頂、鋼絞線主動卷線盤等的工作狀態(tài)和操作過程，具有力與位移同步控制、超載報警、超載自動停機等功能。通過設定提升高度，可以實現(xiàn) “智能”吊梁作業(yè)[15-16]。

2 橋面吊機荷載試驗

參照《起重機試驗規(guī)范和程序》(GB 5905—2011)制訂了《500 t級液壓提升式橋面吊機試驗大綱》，分別按照1.25倍和1.1倍額定吊重進行了靜載、動載試驗，并委托國家起重運輸機械質量監(jiān)督檢驗中心進行了質量檢驗。

圖13 主桁架靜載試驗方案

橋面吊機加工完成后，在廠內(nèi)對主桁架承載能力進行“背靠背”靜載試驗，如圖13所示。加載及卸載過程分為5級，即額定吊重的25%、50%、100%、110%、125%。在主桁架相關位置設變形監(jiān)測點、應變監(jiān)測點，得出各級加載下的應力及位移值，與理論計算結果進行比較[17-18]。試驗結果是：吊機主桁架撓度(變形)校驗系數(shù)為0.59，應變校驗系數(shù)為0.4～0.7；構件處于彈性工作狀態(tài)，呈線性關系；主要控制測點殘余變形為5%；焊縫未見開裂。試驗結論：主桁架承載力滿足設計要求。

橋面吊機安裝完成后，現(xiàn)場動載試驗和行走試驗均平穩(wěn)、安全、無異常，滿足要求。

3 橋面吊機抗風研究

由于本橋面吊機橫向間距較窄，為保證吊裝過程中的結構抗風穩(wěn)定性，委托國內(nèi)相關科研單位對橋面吊機和起吊梁段的抖振響應進行研究[19-20]。通過建立有限元模型，對橋梁-吊機-起吊梁段耦合系統(tǒng)進行了理論分析，如圖14所示。得出安全性評價：橋面吊機和起吊梁段在施工期工作風速(6級風，13.8 m·s-1)下是安全的；在橋面吊機工作狀態(tài)中，突發(fā)9級風(風速24.4 m·s-1)時，起吊梁段不會傾覆，橋面吊機不會倒塌；突發(fā)12級風(風速32.6 m·s-1)時，起吊梁段會傾覆，橋面吊機會倒塌。

圖14 抗風研究整體計算模型

4 工程應用

2019年9月16日，采用全新研制的QMDJ500型橋面吊機，歷時2 h，成功完成了首對組合梁吊裝。截至2020年3月底，共完成13對梁段吊裝任務。根據(jù)施工記錄，橋面吊機約需2 h完成1對梁段提升，加上梁段之間匹配連接、濕接縫澆筑、斜拉索安裝及張拉(3次)等，共需9 d左右；由于軌道采用壓梁進行壓緊錨固，行走過程中需要進行一次受力體系轉換(共需縱移14.6 m，分2次完成)，單次行走約2 h到下一個吊裝位置。組合梁吊裝施工如圖15所示。

圖15 組合梁吊裝施工

5 結 語

本文闡述的QMDJ500型橋面吊機的結構設計充分適應中央雙索面斜拉橋的結構受力特點，具有單機起吊能力大、適應窄索距等特點。通過有限元分析、型式試驗及風致影響分析等，保證了吊機的強度、穩(wěn)定性及施工期抗風安全性。經(jīng)過在南京長江五橋的應用，橋面吊機的結構合理性和吊裝作業(yè)、支點橫梁與主桁架分離過索的行走方式等都得到了驗證，其成功經(jīng)驗是對國內(nèi)斜拉橋中央雙索面組合梁結構設計的積極探索和驗證，對類似工程具有一定的指導和借鑒意義。