架橋機(jī)新型前橫移軌道梁在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

韋大川 蔣昌盛 李愉

摘要：新型前橫移軌道梁能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的枕木堆疊或者離散的鋼支墩，作為架橋機(jī)的有效支撐，更安全、更便捷。文章介紹了架橋機(jī)改進(jìn)后的新型前橫移軌道梁的設(shè)計(jì)思路與方案，并通過(guò)驗(yàn)算驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例闡述了該設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)效。

關(guān)鍵詞：架橋機(jī)；前橫移軌道梁；支撐鋼結(jié)構(gòu)；預(yù)制梁

中圖分類號(hào)：U445.4A371273

0引言

近年來(lái)，我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向丘陵山區(qū)挺進(jìn)，橋梁占比逐年增高。公路預(yù)制橋梁多采用雙導(dǎo)梁架橋機(jī)架設(shè)，通常采用多垛堆疊的枕木或者離散的鋼支墩作為架橋機(jī)前橫移軌道梁的支撐，在安裝及轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中費(fèi)力費(fèi)時(shí)，同時(shí)支撐的安全性不可控、隱患大，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，機(jī)械化作業(yè)程度低。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，闡述一種新型前橫移軌道梁的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［1］。

1新型前橫移軌道梁的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

針對(duì)雙導(dǎo)梁架橋機(jī)，設(shè)計(jì)新型前橫移軌道梁及其支撐一體化鋼結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)堆疊的枕木或離散的鋼支墩支撐結(jié)構(gòu)，避免在架橋機(jī)過(guò)孔過(guò)程中枕木或鋼支墩的重復(fù)轉(zhuǎn)運(yùn)及安放，確保架橋機(jī)橫移時(shí)的整體安全性。經(jīng)分析論證，新型前橫移軌道梁需具備以下功能：

（1）支撐結(jié)構(gòu)作為前橫移軌道梁的一部分，應(yīng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，確保安全可靠。

（2）能實(shí)現(xiàn)整體隨架橋機(jī)一起過(guò)孔前移。

（3）架橋機(jī)前橫移軌道梁可以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)標(biāo)高及水平。

（4）能適應(yīng)不同橫縱坡的蓋梁架設(shè)預(yù)制橋梁，以及避免蓋梁上墊石的影響，同時(shí)不會(huì)破壞蓋梁表面。

（5）不同跨過(guò)孔后因橫坡變化需要再進(jìn)行調(diào)整時(shí)，操作應(yīng)方便快捷、簡(jiǎn)單，僅微調(diào)便可以連續(xù)作業(yè)。

（6）可重復(fù)利用，同時(shí)便于保養(yǎng)。

1.2設(shè)計(jì)方案

（1）在新型前橫移軌道梁下方的兩側(cè)固定安裝若干個(gè)對(duì)稱的螺母，支撐鋼結(jié)構(gòu)橫梁、調(diào)節(jié)螺桿、底座，最終形成多支腿鋼結(jié)構(gòu)，支撐前橫移軌道梁。前橫移軌道梁與下方的短鋼梁（順橋向的若干短鋼梁）焊接成整體；調(diào)節(jié)螺桿與螺母通過(guò)自身的螺牙形成螺旋副，將其連接成一體；調(diào)節(jié)螺桿與底座通過(guò)4根掛繩或者鏈條及鎖扣在架橋機(jī)過(guò)孔時(shí)吊掛在一起。在架橋機(jī)過(guò)孔時(shí)，上述結(jié)構(gòu)能隨架橋機(jī)前支腿同步前移，大大節(jié)省節(jié)約轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，同時(shí)避免過(guò)孔安裝過(guò)程中小部件脫落造成的安全事故。

架橋機(jī)前橫移軌道梁支撐結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。

（2）由螺桿、螺母形成的螺旋副除了起支撐作用以外，還可以進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，以滿足不同橫坡的蓋梁，并消除蓋梁上支座墊石凸起帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)前橫移軌道梁標(biāo)高及水平的快速調(diào)整。調(diào)節(jié)螺桿下端設(shè)置有十字手柄，方便旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)行高度調(diào)整。

同一座橋各跨的橫坡一致時(shí)，僅需在橋臺(tái)或第一個(gè)蓋梁調(diào)整好調(diào)節(jié)螺桿的高度，在后續(xù)的蓋梁進(jìn)行架梁施工時(shí)無(wú)須再進(jìn)行調(diào)整，大大節(jié)約了架橋機(jī)過(guò)孔安裝時(shí)間。

若同一座橋各跨的橫坡不一致，也僅是進(jìn)行微調(diào)便可進(jìn)行架梁施工，最終實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)前橫移軌道梁的水平及標(biāo)高的快速調(diào)整。支腿結(jié)構(gòu)螺旋副內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（3）螺桿與底座之間采用球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了當(dāng)蓋梁存在橫坡、縱坡時(shí)，螺旋副下端與支墊板之間存在的空隙所產(chǎn)生局部集中受力的問(wèn)題，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

螺旋副下端為凸球面結(jié)構(gòu)，與底座的凹球面結(jié)構(gòu)形成球鉸接支承，兩者圓弧面直徑一致，使凹凸面完全吻合，使得蓋梁存在不同的橫坡時(shí)，確保調(diào)節(jié)螺桿與底座的凹球面結(jié)構(gòu)接觸面始終保持緊密接觸，不產(chǎn)生空隙和局部集中受力，防止結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)度破壞，起到良好的傳遞豎向荷載的作用，并可靠地防止凸球面滑出凹球面坑外造成破壞。

（4）支墊板下方設(shè)置有橡膠支座，直接緊貼蓋梁上表面，解決了前橫移軌道梁支墊時(shí)，支墊板與混凝土蓋梁上表面接觸不充分、摩擦力不足的問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)橡膠支座自身的受力變形使相鄰支腿共同分擔(dān)受力，解決了支腿受力過(guò)于集中導(dǎo)致穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

2設(shè)計(jì)驗(yàn)算

2.1荷載統(tǒng)計(jì)及相關(guān)參數(shù)

架橋機(jī)自重：185 t。

預(yù)制混凝土梁（板）自重：按200 t重量計(jì)算。

螺桿公稱直徑d（或D）：140 mm（即設(shè)計(jì)牙型外螺紋大徑，壁厚22 mm）。

螺距p=14 mm。

螺紋小徑d1=126 mm。

螺紋中徑d2=133 mm。

螺紋牙底寬度b=8.876 mm。

螺紋工作高度h=7 mm。

螺旋升角ψ=1.92 deg。

牙型傾角β=15 deg。

摩擦系數(shù)f=0.15。

當(dāng)量摩擦系數(shù)fv=0.155。

當(dāng)量摩擦角ψv=8.83 deg。

2.2螺紋抗擠壓驗(yàn)算

架橋機(jī)自重185 t，預(yù)制混凝土梁（板）自重200 t，架橋機(jī)單側(cè)單個(gè)支腿受力f1=185/4=46.25 t，考慮架設(shè)最邊跨時(shí)，架橋機(jī)單側(cè)單個(gè)支腿承受梁板全部重量f2=200/2=100 t，故f=46.25+100=146.25 t，而軌道系統(tǒng)支撐支腿組間距為90 cm，架橋機(jī)支腿滑輪組間距為45 cm，則軸向力為：

F=146.25/2/2+146.25/2/4=54.84 t （1）

考慮2的安全系數(shù)，則F=54.84×2=109.68 t。

把螺桿或螺母的螺牙拉直后相當(dāng)于一個(gè)錐形的懸臂梁，抗擠壓是指螺母的內(nèi)螺牙與螺桿的外螺牙之間的擠壓應(yīng)力，其不應(yīng)超過(guò)許用擠壓應(yīng)力，否則就會(huì)產(chǎn)生因擠壓應(yīng)力超過(guò)允許擠壓應(yīng)力導(dǎo)致的螺牙破壞［2］。內(nèi)外螺牙相結(jié)合的螺紋圈數(shù)為z，z取值8，則驗(yàn)算計(jì)算式為：

σp=FA≤［σp］ ]（2）

FA=Fπd2hz （3）

若?。郐襭］=［σ］，則有F πd2hz=1 096 8003.14×133×7×8=46.89MPa＜［σ］=355MPa，滿足條件。

2.3螺紋抗剪切強(qiáng)度驗(yàn)算

螺桿τ=Fπd1bz=1 096 8003.14×126×8.876×8=39.05MPa＜［τ］=201MPa，滿足條件。

螺母τ=FπDbz=1 096 8003.14×140×8.876×8=35.13MPa＜［τ］＜201MPa，滿足條件。

2.4螺紋抗彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算

把螺桿或螺母的螺牙拉直后相當(dāng)于一個(gè)錐形的懸臂梁，危險(xiǎn)截面為螺牙根部斷面，每個(gè)螺距的螺牙承受的作用力平均為F/z作用在中徑的圓周上，則螺牙根部危險(xiǎn)剖面的彎曲強(qiáng)度條件為：

螺桿：σb=MW=Fz·d-d22πd1b26=3Fhπd1b2z≤［σb］，即3×1 096 800×73.14×126×8.8762×8=92.37MPa＜［σb］=335MPa，滿足條件。

螺母：σb=3FhπDb2z≤［σb］，即3×1 096 800×73.14×140×8.8762×8=83.13MPa＜［σb］=335MPa，滿足條件。

2.5螺紋自鎖性能驗(yàn)算

自鎖條件為ψ＜ψv，計(jì)算得：

ψ=atannpπd2

=atan143.14×133=atan（0.033）=1.89°

ψv=atan（fcosβ）

=atan0.15cos15°=atan（0.155）=8.81°

ψ＜ψv，滿足條件。

2.6螺桿強(qiáng)度校核

σ=FA=Fπ4（d22-d12）=1 096 8003.144×（1222-962）=246.51MPa＜［σ］=335MPa，滿足條件。

2.7螺桿桿件受壓穩(wěn)定性

已知系統(tǒng)最長(zhǎng)支撐腿桿件長(zhǎng)度L=1 250 mm，軸向力F=1 096 800 N，則：

r= d22+d12 4= 1222+962 4=38.8 mm

λ=lr=1 25038.8=32.2 ，查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》附錄三取ψ=0.88，可得σ=FA=Fπ4（d22-d12）=1 096 8003.144×（1222-962）=246.51MPa＜0.88［σ］=295MPa，故支撐管受壓穩(wěn)定。

綜上計(jì)算，該設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)部分的螺紋抗擠壓、抗剪切、抗彎曲、自鎖性、螺桿強(qiáng)度及受壓穩(wěn)定性皆合格，滿足使用要求。

3實(shí)際應(yīng)用

新型前橫移軌道梁與架橋機(jī)架梁傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別主要在架橋機(jī)就位及過(guò)孔環(huán)節(jié)，其余與傳統(tǒng)施工方法一樣，該設(shè)計(jì)在過(guò)孔時(shí)主要步驟如下：

在施工現(xiàn)場(chǎng)使用起重機(jī)械輔助，根據(jù)蓋梁橫坡及寬度選用合適長(zhǎng)度的調(diào)整螺桿，在起重機(jī)械作業(yè)半徑范圍內(nèi)就近將新型前橫移軌道梁拼裝成一體，并將其安裝固定至架橋機(jī)前支腿上。

吊裝混凝土預(yù)制梁，架橋機(jī)攜前支腿及新型前橫移軌道梁前移至規(guī)定位置，落下前支腿至規(guī)定位置，解下斜拉掛繩，調(diào)節(jié)各個(gè)調(diào)節(jié)螺桿使本發(fā)明與蓋梁接觸無(wú)間隙，并使架橋機(jī)前橫移軌道水平，同時(shí)保證每根調(diào)節(jié)螺桿下端的凸球面結(jié)構(gòu)與底座凹球面結(jié)構(gòu)之間球鉸的圓弧面接觸無(wú)間隙，然后進(jìn)行混凝土預(yù)制梁的吊裝。

2014年，梧州至柳州高速公路土建工程№7合同段建設(shè)期間，橋梁工程多為深溝高架橋，橋梁總長(zhǎng)占路線總長(zhǎng)的47.39%，預(yù)制混凝土梁共2 694片，各種跨徑合計(jì)520余跨。采用新型前橫移軌道梁改進(jìn)后的雙導(dǎo)梁架橋機(jī)，能保證每天架設(shè)一跨，為項(xiàng)目節(jié)約工期保守估計(jì)達(dá)100 d，同時(shí)提高了安全保障，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

2016年，河池至百色高速公路土建工程№10合同段有16座高架橋，最高的約70 m，項(xiàng)目采用新型前橫移軌道梁改進(jìn)后的雙導(dǎo)梁架橋機(jī)，亦能保證每天架設(shè)一跨。

2020年，新的《公路工程橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）實(shí)施，對(duì)于架橋機(jī)過(guò)孔作出了新的規(guī)定，不允許使用混凝土梁作為配重進(jìn)行過(guò)孔，新型前橫移軌道梁的自重小，給過(guò)孔帶來(lái)了較好的操作體驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

在公路施工中，采用雙導(dǎo)梁架橋機(jī)架設(shè)混凝土預(yù)制梁是常見(jiàn)的施工方法之一，本文介紹的新型前橫移軌道梁在充分考慮架橋工藝的同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際條件進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，在安全、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、效率上都取得了較好的實(shí)際成效，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用，并為相關(guān)設(shè)備創(chuàng)新研究提供參考。

參考文獻(xiàn)［1］ 張坤球，施炳前，姚青云，等.無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)球鉸式多支腿架橋機(jī)前橫移軌道系統(tǒng)［P］.中國(guó)：ZL 2015 1 0706758.1，2017-01-25.

［2］陸萍.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：韋大川（1984—），工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)管理與研究工作。