大跨度軌道交通U形梁單T構(gòu)懸臂拼裝架橋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

孫九春，薛武強(qiáng)，曹 虹

(騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 201204)

在上海軌道交通10號(hào)線跨6號(hào)線的三跨混凝土連續(xù)梁橋施工中，受獨(dú)特的工程環(huán)境限制，傳統(tǒng)的懸臂拼裝工藝和設(shè)備均無法實(shí)施，有必要研制一種新型架橋機(jī)來滿足工況需要。

1 工程概況

上海軌道交通10號(hào)線上跨地鐵6號(hào)線出入場線的節(jié)點(diǎn)橋設(shè)計(jì)為(40+75+40)m三跨變截面混凝土連續(xù)梁，主梁采用U形+箱形結(jié)構(gòu)。全橋共劃分40個(gè)塊段，除了0號(hào)塊和合龍段采用現(xiàn)澆外，其余塊均為預(yù)制節(jié)段(見圖1)。工程建設(shè)場地被軌道交通6號(hào)線劃分為東、西兩側(cè)，場地周邊環(huán)境較復(fù)雜(見圖2)。由于西側(cè)結(jié)構(gòu)受管線搬遷影響滯后于東側(cè)，為滿足工程需要提出大跨度連續(xù)梁橋單T構(gòu)懸臂拼裝工藝。該工藝?yán)靡哑碪形梁作為架橋機(jī)支點(diǎn)，節(jié)段梁從邊跨起吊，天車運(yùn)至中跨上方懸臂安裝，每拼裝2個(gè)節(jié)段，架橋機(jī)支點(diǎn)和主桁架向前移動(dòng)1次。一側(cè)T構(gòu)施工完成后，通過天車配重、支腿轉(zhuǎn)換與桁架縱移，實(shí)現(xiàn)超大懸臂狀態(tài)下的架橋機(jī)整體過孔。再反向按相同辦法施工西側(cè)T構(gòu)，最后將2個(gè)T構(gòu)通過澆筑濕接頭連接成一體。

圖1 全橋梁段示意

圖2 周邊環(huán)境

2 基于施工工藝的架橋機(jī)設(shè)計(jì)原則

由于該工藝?yán)靡哑囱b的橋梁結(jié)構(gòu)作為架橋機(jī)的支撐點(diǎn)，在T構(gòu)受力一定的工況下必須減小架橋機(jī)規(guī)模，架橋機(jī)設(shè)計(jì)必須在小型化和輕量化的前提下，滿足特殊工況的受力要求；同時(shí)，該橋橫斷面為U形梁，需設(shè)計(jì)適應(yīng)此斷面的新型支腿結(jié)構(gòu)。

因此，架橋機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：①架橋機(jī)主梁應(yīng)為節(jié)段拼裝式，方便施工過程中拆卸與運(yùn)輸；②主梁應(yīng)采用桁架梁的結(jié)構(gòu)形式，并采用Q345鋼，以減小架橋機(jī)結(jié)構(gòu)自重及風(fēng)阻；③架橋機(jī)結(jié)構(gòu)功能應(yīng)前后對(duì)稱，以實(shí)現(xiàn)架梁時(shí)具有雙向施工能力；④架橋機(jī)應(yīng)具有調(diào)整前后高度及實(shí)現(xiàn)平轉(zhuǎn)能力，以此適應(yīng)線路中設(shè)置的平豎曲線；⑤架橋機(jī)支腿4點(diǎn)位置均應(yīng)作用于U形梁腹板正上方，保證頂板不會(huì)因承受架橋機(jī)自重而開裂；⑥施工中預(yù)制塊段需實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位拼裝，吊具應(yīng)具備一定的三維位置調(diào)節(jié)功能。

3 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)及組成

本架橋機(jī)設(shè)計(jì)吊重120t，其主要結(jié)構(gòu)包括主梁、支腿、天車、輔助支腿及監(jiān)控系統(tǒng)、電器系統(tǒng)等，并根據(jù)工程環(huán)境特點(diǎn)與施工需要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)(見圖3)。

圖3 架橋機(jī)

3.1 主桁梁

主桁梁(見圖4)為架橋機(jī)主要受力結(jié)構(gòu)，考慮整體穩(wěn)定性，采用雙主梁結(jié)構(gòu)。梁總高3m，每個(gè)節(jié)段長12m，共14個(gè)節(jié)段。主梁節(jié)段端頭設(shè)置開孔法蘭端板，用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行節(jié)段間連接。主桁梁兩端頭設(shè)置平聯(lián)，增加架橋機(jī)的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖4 主桁梁結(jié)構(gòu)示意

綜合考慮抗風(fēng)特性、主梁的側(cè)向穩(wěn)定性、部件運(yùn)輸和主梁拆裝方便性，采用勁性三弦桿與多腹桿組成的三角桁架體系，并根據(jù)輕量化需求采用Q345鋼材制作。上弦桿采用HW594×302-14/23 H型鋼，下弦桿采用HW440×300-11/18 H型鋼，開口兩側(cè)用10mm厚鋼板焊接，使截面呈箱形；腹桿采用對(duì)扣的[16，節(jié)間長1.6m；在2根主桁梁兩端各設(shè)1道端頭橫聯(lián)，保證整體結(jié)構(gòu)剛性；下弦平聯(lián)采用對(duì)扣14號(hào)鋼，平聯(lián)桿下方采用[22背靠背結(jié)構(gòu)形式，作為主桁梁頂推行走的軌道，行走縱梁上可錨固反力卡扣作為受力點(diǎn)。

3.2 支腿

支腿(見圖5)主要起到支承主桁梁的作用。為保證架橋機(jī)雙向施工能力，3個(gè)支腿采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用中可相互替換。

圖5 支腿結(jié)構(gòu)示意

為適應(yīng)U形+箱形梁斷面，支腿整體呈H形，總體可分為1根橫梁和2根立柱。立柱的下支撐點(diǎn)正好位于U形+箱形梁腹板的正上方，橫梁可保證支腿的整體側(cè)向穩(wěn)定性，橫梁上方空間可滿足天車吊運(yùn)梁塊穿過。2根立柱頂部各設(shè)置1根上橫梁，上橫梁頂面中間設(shè)置1臺(tái)作為主桁梁縱移動(dòng)力機(jī)構(gòu)的縱向頂推油缸，位置在主桁梁的行走縱梁正下方；上橫梁頂面左、右兩側(cè)各設(shè)置1根墊梁，墊梁上布置聚四氟乙烯滑板作為主桁梁行走時(shí)的支撐滑移面。立柱下部設(shè)置1臺(tái)豎向伸縮液壓套筒，總行程為1 200mm， 可改變支腿高度以適應(yīng)橋梁豎曲線。每個(gè)立柱底部設(shè)置2臺(tái)橫向千斤頂，總行程為1 000mm， 在前、中、后3個(gè)支腿下施加不同伸縮量，架橋機(jī)即可實(shí)現(xiàn)平轉(zhuǎn)功能。

3.3 天車及吊具

天車起重能力為1 200kN，天車主梁通過走行機(jī)構(gòu)支承在主桁梁上方，其頂面設(shè)置了1臺(tái)調(diào)節(jié)量為±500mm橫向千斤頂。千斤頂伸縮端連接橫移平臺(tái)，橫移平臺(tái)上設(shè)置2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)及1個(gè)定滑輪組，通過調(diào)節(jié)橫向千斤頂伸縮量來彌補(bǔ)梁塊吊裝對(duì)位時(shí)橫向調(diào)節(jié)范圍有限的不足。

天車下方通過鋼絲繩連接吊具。由于梁塊橫向?qū)挾却笥谥葍闪⒅g距，故在吊具上方設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，吊具吊起梁塊后轉(zhuǎn)動(dòng)90°，梁塊便可從支腿立柱間穿過，到達(dá)指定位置后再逆向旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行拼裝。

吊具包括1根橫梁和2根小縱梁。橫梁頂面設(shè)有1臺(tái)橫向千斤頂，可實(shí)現(xiàn)梁塊的橫向位置精確調(diào)整；小縱梁上各設(shè)有1臺(tái)縱向千斤頂，可實(shí)現(xiàn)梁塊的縱向位置精確調(diào)整(見圖6)。

圖6 天車及吊具結(jié)構(gòu)示意

3.4 輔助支腿

圖7 輔助支腿結(jié)構(gòu)示意

豎向承力柱為H型鋼，豎立在1根水平H型鋼上，其后方各設(shè)1根斜撐桿，并且水平H型鋼的尾端設(shè)置固定措施，保證支腿不會(huì)因受到主桁梁前移的摩擦力而傾倒。承力柱間設(shè)A，B 2道固定式橫梁和1道活動(dòng)橫梁，橫梁A上左、右各放置1臺(tái)豎向千斤頂，千斤頂上方與活動(dòng)橫梁相連，可通過調(diào)節(jié)千斤頂伸縮量以適應(yīng)橋梁的豎曲線；活動(dòng)橫梁與主桁梁接觸位置放置聚四氟乙烯滑板，減小主桁梁頂推時(shí)的摩擦力。為適應(yīng)復(fù)雜工況需要，輔助支腿各構(gòu)件可拆卸、可調(diào)節(jié)高度、可整體移動(dòng)、可局部拆解后過梁、可分解成3部分通過支腿間的狹窄空間重新拼裝成整體。

3.5 架橋機(jī)壓力監(jiān)測系統(tǒng)

架橋機(jī)壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測架橋機(jī)支腿下壓力，由壓力傳感器和軟件系統(tǒng)組成，壓力傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回到中央控制系統(tǒng)，本工程在架橋機(jī)前支腿設(shè)置了壓力傳感器，壓力監(jiān)測系統(tǒng)及測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 架橋機(jī)壓力監(jiān)測系統(tǒng)

架橋機(jī)作業(yè)時(shí)，根據(jù)懸臂施工T構(gòu)整體穩(wěn)定性及主梁頂板受力需求設(shè)置壓力警戒值和紅線，到達(dá)警戒值后中控系統(tǒng)開始示警。若壓力繼續(xù)增長到達(dá)紅線且無人為干預(yù)時(shí)，中控系統(tǒng)將使架橋機(jī)強(qiáng)制停車，保障施工安全；此后需人為重啟方可繼續(xù)運(yùn)行。

3.6 架橋機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為：整機(jī)工作級(jí)別為A3，額定起重量為2×120t，最大懸臂長度11.2m(有效懸臂8m)，天車起升速度0～1m/min(重)與0～2m/min(空)，支腿液壓行走速度0～1m/min，支腿液壓千斤頂橫向調(diào)節(jié)量±500mm，架設(shè)梁型為U形+箱形梁，最大跨度(40+40)m，最大起升高度30m，天車行走速度0～5m/min，支腿液壓頂升速度0～0.5m/min，天車橫向調(diào)節(jié)量±500mm。節(jié)段的最大起重量為120t，最大起升高度為30m，工作狀態(tài)下架橋機(jī)的最大懸臂長度為8m。由參數(shù)數(shù)據(jù)可見，架橋機(jī)架設(shè)能力可滿足工程需求。

4 結(jié)構(gòu)分析

架橋機(jī)作為一種超大型起重、吊裝、懸空移動(dòng)式施工裝備，它的每個(gè)動(dòng)作都會(huì)引起自身結(jié)構(gòu)受力的重大變化。因此，本文根據(jù)架橋機(jī)通用技術(shù)條件及工程需求，運(yùn)用數(shù)值分析軟件建立計(jì)算模型對(duì)架橋機(jī)的各工況進(jìn)行了驗(yàn)算，各工況結(jié)果均符合要求，模型如圖9所示。

圖9 數(shù)值分析模型

4.1 架梁工況

將吊梁拼裝過程中各工況下架橋機(jī)受力變形結(jié)果列于表1，可知整個(gè)吊裝過程中，架橋機(jī)的應(yīng)力與變形均可滿足規(guī)范要求。

表1 架梁過程中架橋機(jī)受力變形

4.2 過孔工況

過孔過程中主桁梁最不利工況(主梁懸臂最大43m)時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。有限元模型計(jì)算結(jié)果顯示，架橋機(jī)主桁梁最大豎向撓度為350mm，出現(xiàn)在主桁梁懸臂端頭，但仍可保證架橋機(jī)主桁梁完成過孔，符合GB/T 26470—2011《架橋機(jī)通用技術(shù)條件》中5.2.18節(jié) b)條“過孔時(shí)架橋機(jī)懸臂端撓度應(yīng)使架橋機(jī)在規(guī)定的支承跨度和縱向坡度條件下順利過孔”的要求。下弦最大壓應(yīng)力為128MPa，上弦最大拉應(yīng)力為139MPa，均出現(xiàn)在懸臂根部支腿上方位置的主梁內(nèi)，且數(shù)值都處在[σ]=315/1.7=185MPa的安全許用應(yīng)力范圍內(nèi)。綜上所述，最不利工況下架橋機(jī)在剛度和強(qiáng)度方面均符合安全要求。

圖10 最不利工況示意

5 工作原理

5.1 架設(shè)梁段

1)步驟1 0號(hào)塊現(xiàn)澆完畢達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，用汽車式起重機(jī)將2個(gè)支腿分別吊運(yùn)至0號(hào)塊兩側(cè)頂部，再將1個(gè)支腿吊運(yùn)至邊墩頂部。將架橋機(jī)主桁梁吊至支腿上方拼接，安裝天車及電氣系統(tǒng)后，架橋機(jī)組裝完成(見圖11a)。

圖11 架梁流程示意

2)步驟2 左側(cè)天車從邊跨提升中跨1號(hào)塊，吊具橫梁旋轉(zhuǎn)90°后停在0號(hào)塊上方，右側(cè)天車提升邊跨1號(hào)塊至安裝位置后靜止(見圖11b)。

3)步驟3 左側(cè)天車?yán)^續(xù)向左前行，吊具橫梁反向旋轉(zhuǎn)90°后將中跨1號(hào)塊吊運(yùn)至安裝位置(見圖11c)。

4)步驟4 精確調(diào)整梁塊的方位，使2個(gè)梁塊與0號(hào)塊對(duì)位安裝(見圖11d)。

后續(xù)梁段吊裝與上述步驟相同，且由于架橋機(jī)采用前后對(duì)稱設(shè)計(jì)，故過孔后的施工無須掉頭，直接反方向施工即可。

5.2 整體前移

1)步驟1 將前支腿(1號(hào)支腿)收起，前移至預(yù)定位置，調(diào)節(jié)前支腿豎向伸縮套筒高度，保證主桁梁水平后固定前支腿，中(2號(hào))、后(3號(hào))支腿前移方式與此相同。

2)步驟2 頂推3個(gè)支腿頂部縱向千斤頂，使主桁梁前移至指定位置后與支腿固定。

3)步驟3 前進(jìn)到位后，測量架橋機(jī)軸線與橋梁軸線夾角，計(jì)算得到架橋機(jī)3個(gè)支腿處的橫向偏移量，頂推支腿底部橫向千斤頂，實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)平轉(zhuǎn)到位。

5.3 過孔

1)步驟1 架設(shè)完成部分梁段的架橋機(jī)過孔前姿態(tài)如圖12a所示，在對(duì)岸墩頂架設(shè)好輔助支腿后，通過支腿頂部縱向千斤頂向前頂推架橋機(jī)主桁梁。

圖12 過孔流程示意

2)步驟2 架橋機(jī)主桁梁前端支承在輔助支腿頂部后，拆除架橋機(jī)最后方的3號(hào)支腿，用起重機(jī)吊運(yùn)至輔助支腿前方，如圖12b所示。

3)步驟3 繼續(xù)頂推主桁梁，直至主桁梁前端支承在3號(hào)支腿上方后，將輔助支腿吊運(yùn)至1，2號(hào)支腿間，充當(dāng)架橋機(jī)后支點(diǎn)，如圖12c所示。

4)步驟4 拆除2號(hào)支腿到對(duì)岸邊跨墩頂，頂推主桁梁越過輔助支腿后，將輔助支腿移動(dòng)至懸臂端1號(hào)支腿后方繼續(xù)充當(dāng)架橋機(jī)后支點(diǎn)，通過天車吊運(yùn)1號(hào)支腿到對(duì)岸懸臂端頭后，繼續(xù)頂推主桁梁完成過孔，最后拆除輔助支腿，如圖12d所示。

6 結(jié)語

現(xiàn)場實(shí)際施工驗(yàn)證表明，該架橋機(jī)具有操作簡單、安全可靠、安裝高效等特點(diǎn)，整體施工性能優(yōu)異。該架橋機(jī)不僅體積上能適應(yīng)較局促的施工現(xiàn)場條件，功能上也能高效而安全地完成該橋梁特殊的架設(shè)與過孔工況，該架橋機(jī)的成功研發(fā)開創(chuàng)了架橋機(jī)利用已建結(jié)構(gòu)架設(shè)施工的先例，為架橋機(jī)適應(yīng)更多復(fù)雜工況提供了新思路，為類似工程的架橋機(jī)設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。