桁架式輪軌行走橋面吊在鋼箱橋梁懸拼安裝施工中的研究及應(yīng)用

張 宇

1. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心 上海 200072

跨通航河流安裝大跨度鋼箱橋會在施工過程中遇到很多限制。通常的施工方法有浮吊安裝法、節(jié)段懸拼法等。浮吊安裝法需要具有一定起重能力的浮吊及配套的河道中加設(shè)臨時支撐。懸拼安裝的方法通常是將橋面吊固定在已有的橋梁結(jié)構(gòu)上，利用運(yùn)輸船舶將構(gòu)件運(yùn)至待裝位置，橋面吊將構(gòu)件吊起，并與原有結(jié)構(gòu)完成對接[1-2]。如果遇到河道需要正常通行，則這2種施工方法都會受到影響。本文以某新建橋梁項目為案例，旨在研究桁架輪軌式橋面吊在橋梁懸拼安裝中的應(yīng)用，為類似項目的施工提供參考。

1 工程概況

某橋梁新建工程處于中心城區(qū)水陸交通繁忙地段，且新建橋梁位于2座既有老橋中間，與既有老橋間距約3.75 m。周邊緊鄰居民樓，施工期間老橋正常通行，下方河域也不能停航。橋梁平面線形為直線和平曲線段組合，曲線半徑為1 200 m，新建橋梁為3跨變高連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑分別為63、107、70 m。其中，107 m跨位于河域正上方。P1—P2、P3—P4為邊跨，可以利用起重設(shè)備完成安裝。P2—P3為中跨將跨越河流，且橋梁坡度由跨兩端向中心逐漸減小，P2、P3軸起始位置處最大有5.4‰坡度，至橋梁跨中位置坡度減小為0。橋梁斷面為單箱單室斷面，兩側(cè)有翼緣結(jié)構(gòu)，頂、腹、底板均設(shè)縱向加勁肋，腹板設(shè)豎向加勁肋，具體如圖1所示。

2 工程難點(diǎn)

本工程需保證原有老橋正常通行，無法?？窟\(yùn)輸及起重設(shè)備完成P2—P3中跨的安裝。受河道通航限制，利用船舶運(yùn)輸構(gòu)件或采用浮吊等水上吊裝設(shè)備直接安裝都很難實(shí)現(xiàn)。綜上分析，結(jié)合工程特點(diǎn)，對橋梁懸拼施工工藝及設(shè)備展開研究，旨在利用已安裝完成的P1—P2跨、P3—P4跨懸拼安裝P2—P3跨。利用P1—P2跨作為構(gòu)件的運(yùn)輸?shù)缆芳皹蛎娴醯钠囱b場地和始發(fā)場地，采用運(yùn)梁車梁上運(yùn)梁，橋面吊通過平移、起吊、旋轉(zhuǎn)、落架完成待裝橋面的施工。

懸拼施工中常用的橋面吊由主框架、起升系統(tǒng)、平移系統(tǒng)構(gòu)成。主框架由主梁、立柱、斜撐桿等組成。平移系統(tǒng)是為整機(jī)移動設(shè)計的由平推油缸、滑道等構(gòu)成的步履式平移系統(tǒng)。提升系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)待安裝橋面的提升及定位安裝。主梁一般為箱形桿件，為了滿足橋面吊裝時結(jié)構(gòu)承載需要，設(shè)計了斜撐桿等結(jié)構(gòu)用以提升主梁能力。但結(jié)合本項目的特點(diǎn)，分塊的待裝橋面需要豎向運(yùn)至橋面吊下方，起吊后移動到橋面吊前端，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)安裝，這就對橋面吊的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。

綜合本項目復(fù)雜的施工環(huán)境及懸拼施工的技術(shù)路線要求，橋面吊設(shè)備需滿足以下要求：橋面吊受力支承位置在間隔8 m的腹板位置；滿足長度為15.7 m構(gòu)件旋轉(zhuǎn)的空間要求；能適應(yīng)橋面平曲線線形要求；能適應(yīng)橋面縱向的坡度變化；橋面為變高連續(xù)梁，斷面為非對稱，起吊時姿態(tài)能夠控制；本橋梁為無斜拉索結(jié)構(gòu)，需要控制橋面吊支承在橋面上時對橋面產(chǎn)生的荷載，要對設(shè)備進(jìn)行輕量化設(shè)計。

3 研究內(nèi)容

3.1 桁架式輪軌行走橋面吊研究

為了滿足本工程橋面的安裝要求，對橋面吊的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究，具體的設(shè)備構(gòu)成如圖2所示。

圖2 橋面吊結(jié)構(gòu)組成

提升小車主要包括縱移車、橫移車，均為輪軌行走式結(jié)構(gòu)。縱移車實(shí)現(xiàn)構(gòu)件縱向往復(fù)移動。橫移車包含行走機(jī)構(gòu)及提升機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的橫向往復(fù)移動及升降動作。桁架式主梁為三角桁架結(jié)構(gòu)，可以分段安裝，各個分段采用銷軸連接，便于拆裝和運(yùn)輸。桁架內(nèi)部有檢修走臺，主梁頂部焊接導(dǎo)軌及端部止擋塊，2根桁架式主梁間有端部連接架。桁架式主梁通過連接銷軸連接，主梁橫向之間通過端部連接架連成一體。前支腿、后支腿為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，上部與主梁采用高強(qiáng)螺栓連接，下部通過高強(qiáng)螺栓連接到大車行走機(jī)構(gòu)上。大車行走機(jī)構(gòu)可以在軌道上往復(fù)運(yùn)動，便于將設(shè)備快速移動到待安裝位置。回轉(zhuǎn)吊耳可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)。特制吊具分別通過銷軸與回轉(zhuǎn)吊耳、待裝鋼箱梁連接。設(shè)置在前、后支腿根部的頂升系統(tǒng)，用以吊裝前將橋面點(diǎn)轉(zhuǎn)換并臨時固定于橋面上。

為使待裝橋面有充分的旋轉(zhuǎn)空間，提升小車將鋼箱橋面吊運(yùn)至最前端，并旋轉(zhuǎn)90°，橋面吊主梁將承受較大彎矩，經(jīng)設(shè)計計算，將桁架式主梁優(yōu)化為三角桁架結(jié)構(gòu)，可提高承載力，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。同時，三角形桁架結(jié)構(gòu)也可以便于設(shè)置安全走道，方便設(shè)備的操作及檢修。與常規(guī)橋面吊的箱形主梁對比，桁架式主梁優(yōu)勢明顯（圖3）。

圖3 主梁三角桁架結(jié)構(gòu)

通常，橋面吊縱向移動利用液壓縱移油缸（圖4）的伸縮實(shí)現(xiàn)整機(jī)移動，但縱向滑移軌道很難適應(yīng)在變坡度及平面曲線線形變化的橋面上滑移。因此，大車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計為輪軌式行走機(jī)構(gòu)。行走車輪行走于鋼軌上。行走機(jī)構(gòu)與前、后支腿采用銷軸連接。橋面吊行走到坡度變化的橋面上時，行走結(jié)構(gòu)可繞銷軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)整機(jī)自由行駛，提高行走效率（圖5）。橋面吊行走軌道的鋪設(shè)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，布置在縱向通長腹板位置，可減少或者避免軌道下方橋面板的加固措施（圖6）。輪軌式的行走結(jié)構(gòu)還可用于一定半徑的彎軌行走，滿足平面曲線橋面的懸拼安裝要求。

圖4 液壓縱移油缸

圖5 大車行走適應(yīng)坡度變化

圖6 行走軌道鋪設(shè)位置示意

旋轉(zhuǎn)吊具與特制吊具通過銷軸連接。本項目的橋面為變高度橋面，每個分段的重心位置不同。利用信息化建模技術(shù)，在橋面深化設(shè)計階段，計算分析確定構(gòu)件重心位置，在橋面加工階段，對稱于重心位置設(shè)置吊耳，保證吊裝狀態(tài)特制吊具受力均勻，使構(gòu)件保持平衡狀態(tài)（圖7）。

圖7 特制吊具與構(gòu)件連接示意

為了快速地將構(gòu)件運(yùn)輸?shù)綐蛎娴跸路剑O(shè)計了運(yùn)梁小車，往復(fù)運(yùn)動運(yùn)輸構(gòu)件。運(yùn)梁小車由變頻電機(jī)驅(qū)動的行走機(jī)構(gòu)、擱置橫梁、姿態(tài)調(diào)整塊等構(gòu)成（圖8）。行走機(jī)構(gòu)為輪軌式，可以快速、靈活移動，同時采用了變頻電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)起制動時無級變速，確保構(gòu)件在運(yùn)輸過程中安全、平穩(wěn)。姿態(tài)調(diào)整塊用于使構(gòu)件運(yùn)輸時就保持就位時的傾斜姿態(tài)，減少或避免就位后各個方向姿態(tài)的調(diào)整。

圖8 運(yùn)梁小車示意

3.2 大跨度鋼箱橋跨河懸拼安裝施工工藝研究

本工程中P1—P2跨、P3—P4跨能夠采用分段加工、臨時支撐以及高空散拼相結(jié)合的施工工藝，利用2臺400 t履帶吊同步跨內(nèi)吊裝，邊退邊吊，完成安裝。P2—P3跨則因施工環(huán)境復(fù)雜，不具備采用履帶吊、浮吊等設(shè)備安裝的條件。因此，選用了利用桁架式輪軌行走橋面吊懸拼安裝的施工工藝。具體流程如下：

1）步驟1：在已完成安裝的橋面上鋪設(shè)軌道，分別在P1、P4軸處利用起重設(shè)備將橋面吊拼裝完成。大車行走安裝于軌道上，提升機(jī)構(gòu)停在指定位置，保證整機(jī)的傾覆性安全可靠（圖9）。

圖9 拼裝完成的橋面吊

2）步驟2：將橋面吊沿軌道開行至最前端位置，頂升系統(tǒng)頂起橋面吊，至大車行走機(jī)構(gòu)脫開軌道，利用銷軸將橋面吊與橋面上預(yù)設(shè)的連接耳板可靠連接，使橋面吊著力點(diǎn)從大車行走轉(zhuǎn)換到橋面連接耳板上（圖10）。

圖10 將橋面吊連接于橋面連接耳板

3）步驟3：將待安裝橋面分段利用運(yùn)梁車運(yùn)行至橋面吊下方（圖11）。

圖11 步驟三示意

4）步驟4：將待安裝橋面與橋面吊的特制吊具連接，升鉤至最高點(diǎn)。

5）步驟5：橋面吊提升機(jī)構(gòu)帶載運(yùn)行至橋面吊前端適當(dāng)位置，保證橋面分段在旋轉(zhuǎn)90°的過程中與支腿不干涉（圖12）。

圖12 步驟五示意

6）步驟6：將待安裝橋面下降至適當(dāng)高度，做旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)備工作。

7）步驟7：啟動旋轉(zhuǎn)吊具，使橋面旋轉(zhuǎn)90°。

8）步驟8：橋面吊提升機(jī)構(gòu)向后運(yùn)行，至橋面分段到達(dá)拼接位置。

9）步驟9：橋面吊提升機(jī)構(gòu)下放，至拼接標(biāo)高，精確校正定位后，焊接連接橋面。

10）步驟十10：橋面吊提升機(jī)構(gòu)沿主梁軌道向后行駛至初始位置。等待解除橋面吊與橋面連接，大車行走落入軌道，向前行走一個工作長度，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步安裝作業(yè)（圖13）。

圖13 步驟十示意

懸拼施工安裝中，控制施工過程中橋梁線形的變化尤為關(guān)鍵。因此，需要按照施工步驟對每個工況進(jìn)行有限元分析。分析時考慮施工過程中橋面吊產(chǎn)生的載荷、溫度對橋面結(jié)構(gòu)的影響等因素，計算出每一個施工步驟對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形，并設(shè)置合理的預(yù)調(diào)值，用以補(bǔ)充施工過程產(chǎn)生的豎向變形，同時各分段兩側(cè)的拼縫加工時把轉(zhuǎn)角對拼裝的影響考慮進(jìn)去，確保成橋后線形滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

橋梁的懸拼工藝在大跨度橋梁安裝中會應(yīng)用的越來越廣泛，而橋面吊作為懸拼工藝的首選設(shè)備，也是施工工藝研究的工作重點(diǎn)。

本工程中研究的桁架式輪軌行走橋面吊，打破常規(guī)結(jié)構(gòu)，以其結(jié)構(gòu)承載力高、行走靈活、設(shè)備輕量化等優(yōu)點(diǎn)，有效解決復(fù)雜線形的鋼箱橋懸拼施工難題，為橋梁安裝提供了一定的技術(shù)借鑒。