箱梁分步提升吊裝施工中起重機選型與站位綜合優(yōu)化研究*

熊華濤

(中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北 保定 074000)

0 引言

起重機選型配置是吊裝工程方案設(shè)計的核心內(nèi)容。對需多機協(xié)同、分步吊裝的大型復(fù)雜吊裝工程，起重機選型配置與各工況的站位密切相關(guān)。合理規(guī)劃起重機站位可優(yōu)化吊裝路徑、降低起重機配備標(biāo)準(zhǔn)，達到吊裝安全、高效及節(jié)省機械費用的目的。因此，起重機站位設(shè)計是大型、復(fù)雜吊裝工程方案設(shè)計的重要內(nèi)容。近年來國內(nèi)外學(xué)者針對起重機選型和站位做了大量研究工作。林遠山[1]提出多重約束的移動式起重機人機交互優(yōu)選算法，用以快速選出滿足吊裝要求的伸縮臂起重機或衍架臂起重機作業(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單機單任務(wù)和雙機單任務(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建立起重機三維參數(shù)化模型，給出起重機選型的程序?qū)崿F(xiàn)方法，提出在虛擬環(huán)境中進行起重機空間站位設(shè)計的算法。Al-Hussein等[5]提出基于最小吊臂長度和(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式起重機，從而獲得更高的起重能力?？梢?，目前相關(guān)研究在分別進行起重機選型或站位優(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，特別是多機協(xié)同分步吊裝工程中的應(yīng)用未見報道。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，研究多機協(xié)同、分步吊裝大跨度大質(zhì)量箱梁工程中起重機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

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，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。公路橋為先簡支后連續(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，邊坡平臺寬2m。公路橋箱梁采用預(yù)制吊裝方法架設(shè)。由于坡腳至橋臺支座橫向距離達16m、垂直高度達15m，因此箱梁吊裝是難點。

圖1 公路橋橋型布置(單位：cm)

為實現(xiàn)箱梁遠距離平移、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，運至橋址后采用全地面汽車式起重機吊裝，先吊裝邊跨后吊裝中跨；邊跨箱梁吊裝采用雙機協(xié)同分步提升法，即先使用路基上的2臺起重機A，B抬吊箱梁，以邊坡平臺作為中轉(zhuǎn)站，進行吊點轉(zhuǎn)換后，其中1臺起重機A轉(zhuǎn)移至塹頂，塹頂起重機A和路基起重機B再次抬吊箱梁就位。中跨箱梁采用雙機協(xié)同一次就位吊裝方法。主要吊裝過程如圖2所示。

圖2 箱梁吊裝工藝流程

由吊裝方案可見，2臺起重機在協(xié)同吊裝過程中需多次調(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)同動作接力傳遞梁體安裝到位。因此，應(yīng)合理選配起重機，以滿足各工況對吊重、吊裝高度與距離等起重機工作性能參數(shù)的要求。但由于各工況對起重機工作性能參數(shù)的要求與起重機的站位密切相關(guān)，因此，還需合理設(shè)計起重機站位，以便在滿足吊裝需求、保證吊裝安全的同時，最大限度利用起重機，降低對起重機工作性能參數(shù)的要求，降低起重機配備標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省機械費用[6-7]。同時，由于橋址處路基窄，且2個橋墩位于路基坡腳，還需考慮雙機抬吊梁體調(diào)轉(zhuǎn)、平移、提升作業(yè)過程中，吊臂與橋墩、梁之間，以及2臺起重機吊臂間的碰撞風(fēng)險。因此，在多重約束條件下對起重機選型配置與站位進行綜合優(yōu)化是關(guān)鍵問題。

2 起重機站位與作業(yè)工況分析

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

1)工況C1 箱梁起吊。起重機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A鉤吊箱梁左端，起重機B勾吊箱梁右端，經(jīng)試吊后，起重機A，B雙機協(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算工況。起重機站位及勾吊位置同工況1，雙機抬起箱梁后進行回轉(zhuǎn)動作，并吊運箱梁至中轉(zhuǎn)站，起重機吊臂及箱梁與橋墩間有發(fā)生碰撞的風(fēng)險，吊運路徑需考慮繞避橋墩。

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

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

5)工況C5 即雙機抬吊落梁就位。雙機協(xié)同再次提升箱梁，吊運箱梁至安裝位置。起重機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A，B站位于路基，雙機協(xié)同抬吊中跨箱梁就位(見圖2f)。

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

圖3 主要工況相應(yīng)起重機站位與作業(yè)場地平面(單位：m)

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

3 起重機站位優(yōu)化模型建立

根據(jù)起重機工作原理，具有一定工作性能參數(shù)GR的起重機，在給定起重量GC的條件下，一般工作幅度R越大、允許臂長L越短，相應(yīng)起升高度越低。GC，R，L間的對應(yīng)關(guān)系由起重機性能表給出。本工程中，每臺起重機的起重量要求一定，因此，以起重機工作幅度R、臂長L要求最小為優(yōu)化目標(biāo)。起重機站位到右側(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A選型與站位綜合優(yōu)化模型

起重機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A的工作幅度和臂長；xA3，yA3，xA4，yA4分別為起重機A在工況C3，C4下的站位參數(shù)；a為吊點至梁端距離，取4m；b為箱梁中轉(zhuǎn)時與橋墩安全距離，取1.05m；Lsj為索具長度，取15m；GCA為起重機A對應(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B選型與站位綜合優(yōu)化模型

起重機B選型與站位綜合優(yōu)化模型如下：

minGRB

(3)

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

4 模型求解

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

經(jīng)計算，起重機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B選用QAY300型，應(yīng)站位于(7.5, 5.0)。

5 結(jié)語

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

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

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