高鐵箱梁運(yùn)架設(shè)備調(diào)頭裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

邵志元

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710021）

目前高速鐵路的橋梁建設(shè)普遍以大噸位簡(jiǎn)支箱梁為主，箱梁的常見(jiàn)施工方法是梁場(chǎng)預(yù)制、運(yùn)梁車(chē)運(yùn)輸、架橋機(jī)架設(shè)。由于受梁場(chǎng)位置、制梁順序、線下施工斷點(diǎn)和工期要求等因素影響，很難實(shí)現(xiàn)按照同一方向進(jìn)行架梁施工，架橋機(jī)和運(yùn)梁車(chē)頻繁調(diào)頭轉(zhuǎn)場(chǎng)在所難免，調(diào)頭方案的時(shí)效和對(duì)場(chǎng)地的占用直接影響架梁施工能否順利按期推進(jìn)[1]。高鐵架橋機(jī)和運(yùn)梁車(chē)常用的調(diào)頭方案主要有3 種[2]：①設(shè)備拆裝調(diào)頭，即把設(shè)備拆解之后再按照架梁方向重新組裝[3]；②運(yùn)梁車(chē)馱運(yùn)架橋機(jī)整體調(diào)頭[4]；③借助輔助設(shè)備回轉(zhuǎn)調(diào)頭[5]。

場(chǎng)地允許的情況下通常采用運(yùn)梁車(chē)托運(yùn)架橋機(jī)在寬闊場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)調(diào)頭和拆解調(diào)頭2 種方法[6-7]，而在市區(qū)、山區(qū)等受限區(qū)域很少有寬闊的場(chǎng)地供架橋機(jī)調(diào)頭作業(yè)；拆解調(diào)頭成本大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)對(duì)預(yù)制箱梁生產(chǎn)進(jìn)度影響大；借助輔助設(shè)備回轉(zhuǎn)調(diào)頭的方法在已架設(shè)完成的橋面上或路基上[8]，作業(yè)時(shí)間短，對(duì)梁場(chǎng)制梁幾乎沒(méi)有影響。本文設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)多種架橋機(jī)和運(yùn)梁車(chē)的安全高效的調(diào)頭裝置，解決高鐵運(yùn)架施工中大型設(shè)備雙向架設(shè)問(wèn)題。

1 多用途調(diào)頭裝置簡(jiǎn)介

多用途調(diào)頭裝置如圖1 所示。

圖1 橋面多功能調(diào)頭裝置

下轉(zhuǎn)盤(pán)為旋轉(zhuǎn)裝置的主體承載結(jié)構(gòu)，為便于運(yùn)輸，分成左右2 塊，用高強(qiáng)螺栓連接。下轉(zhuǎn)盤(pán)有4 個(gè)固定孔，用吊桿將下轉(zhuǎn)盤(pán)與梁體（路基預(yù)埋件）進(jìn)行連接固定。

上轉(zhuǎn)盤(pán)和回轉(zhuǎn)支撐、驅(qū)動(dòng)裝置、旁撐輪組、組裝成一體，再通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐與下轉(zhuǎn)盤(pán)用螺栓連接。

支撐架由下縱梁、組合立柱、后橫梁、前橫梁、斜撐、稱(chēng)重座、調(diào)整墊墩、爬梯、平臺(tái)等組成。

立柱設(shè)計(jì)為組合式，高度為8m、6.1m 和4.5m，可根據(jù)要旋轉(zhuǎn)的架橋機(jī)高度，組裝立柱，以滿足不同形式和不同高度的架橋機(jī)需要。

前后橫梁上面設(shè)置了稱(chēng)重座，可以實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)的受力數(shù)值，根據(jù)顯示數(shù)值，調(diào)整架橋機(jī)的位置或架橋機(jī)上行車(chē)的前后位置，保證各點(diǎn)受力平衡。調(diào)整平衡后，用精軋螺紋鋼將架橋機(jī)和支撐架固定在一起。

調(diào)整墊墩安裝在稱(chēng)重座與架橋機(jī)之間，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選用不同高度的調(diào)整墊墩。

前后橫梁外側(cè)設(shè)計(jì)了組裝平臺(tái)，架橋機(jī)和支撐架固定時(shí)操作更為方便，在立柱外側(cè)還設(shè)置了爬梯，便于作業(yè)人員通行。

2 工作原理

適應(yīng)多種架橋機(jī)和運(yùn)梁車(chē)的旋轉(zhuǎn)調(diào)頭裝置，下轉(zhuǎn)盤(pán)錨固在已架箱梁上或與預(yù)埋地錨固定；旋轉(zhuǎn)部件采用獨(dú)立回轉(zhuǎn)支撐軸承+旁撐輪組雙支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)；高度可調(diào)支撐架通過(guò)不同調(diào)整節(jié)拼裝可滿足不同高度的支撐位；支撐架通過(guò)前部平衡橋設(shè)計(jì)達(dá)到四點(diǎn)支撐三點(diǎn)平衡；支撐架上部與被旋轉(zhuǎn)設(shè)備通過(guò)支撐架錨固系統(tǒng)錨固成整體；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻電機(jī)+減速機(jī)實(shí)現(xiàn)。

分體式架橋機(jī)和運(yùn)梁車(chē)由提梁機(jī)提升到調(diào)頭裝置上完成旋轉(zhuǎn)作業(yè)；運(yùn)架一體式架橋機(jī)在制梁場(chǎng)或路基上自行提升調(diào)頭裝置到已架設(shè)橋面（已完成路基）完成調(diào)頭作業(yè)。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念

3.1 轉(zhuǎn)盤(pán)自下而上錨固技術(shù)

該方案旋轉(zhuǎn)裝置下轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)下轉(zhuǎn)盤(pán)錨固裝置與底部結(jié)構(gòu)物（已架設(shè)箱梁吊裝孔或預(yù)埋地錨）錨固為整體；下轉(zhuǎn)盤(pán)錨固裝置與上轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐軸承系統(tǒng)的內(nèi)外圈螺栓連接為整體；上轉(zhuǎn)盤(pán)與高度可調(diào)支撐架通過(guò)螺栓連接為整體；調(diào)頭裝置高度可調(diào)支撐架上部與被旋轉(zhuǎn)設(shè)備通過(guò)支撐架錨固系統(tǒng)錨固為整體。通過(guò)自下而上的錨固系統(tǒng)保證了被旋轉(zhuǎn)設(shè)備與已架設(shè)橋面的穩(wěn)定連接，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性。

3.2 回轉(zhuǎn)支撐+旁撐輪組雙旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定設(shè)計(jì)

上轉(zhuǎn)盤(pán)與下轉(zhuǎn)盤(pán)之間設(shè)有回轉(zhuǎn)支撐軸承和旁撐輪組2 種垂直承載部件，同時(shí)下轉(zhuǎn)盤(pán)上表面設(shè)計(jì)有環(huán)形旁撐輪組軌道；旁撐輪組為錐形設(shè)計(jì)，保證錐形頂點(diǎn)在回轉(zhuǎn)中心，旁撐輪組與軌道設(shè)計(jì)預(yù)留3mm 間隙，在重載旋轉(zhuǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)支撐軸承與旁撐輪組共同受力，雙穩(wěn)定回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)提高了回轉(zhuǎn)安全性，見(jiàn)圖2。

圖2 回轉(zhuǎn)軸承與旁撐輪組

3.3 四點(diǎn)支撐三點(diǎn)平衡稱(chēng)重設(shè)計(jì)

為使設(shè)備受力均勻，回轉(zhuǎn)支架的前端為鉸接設(shè)計(jì)，后端為固結(jié)設(shè)計(jì)，在前橫梁處設(shè)計(jì)了1 個(gè)鉸接點(diǎn)，與后橫梁上的2 個(gè)固定受力點(diǎn)一起構(gòu)成三點(diǎn)穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)；橫梁與立柱、橫梁與縱梁之間加有斜撐，保證支撐架的穩(wěn)定性。在架橋機(jī)置于調(diào)頭裝置上方時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)支撐三點(diǎn)平衡保證支架受力均勻，同時(shí)保證測(cè)力傳感器的測(cè)量值準(zhǔn)確，見(jiàn)圖3。

圖3 四點(diǎn)支撐三點(diǎn)平衡設(shè)計(jì)

3.4 多功能支架設(shè)計(jì)

該裝置設(shè)計(jì)有高度可調(diào)多功能支撐架，通過(guò)不同調(diào)整節(jié)拼裝可滿足不同高度的支撐位。運(yùn)用該裝置可以實(shí)現(xiàn)高速鐵路分體式架橋機(jī)（支撐高度8m）、下導(dǎo)梁運(yùn)架一體式架橋機(jī)（支撐高度6.5m）、流動(dòng)式運(yùn)架一體機(jī)[9]（支撐高度4.5m）以及各種運(yùn)梁車(chē)等大型橋梁施工設(shè)備在已架設(shè)橋面、路基或制梁場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)原地調(diào)頭。分體式架橋機(jī)和運(yùn)梁車(chē)可以通過(guò)工地配置的輪胎（輪軌）提梁機(jī)提升到調(diào)頭裝置上，完成旋轉(zhuǎn)作業(yè)；運(yùn)架一體式架橋機(jī)可以在制梁場(chǎng)或路基處自行提升調(diào)頭裝置到已架設(shè)橋面（路基面）完成調(diào)頭作業(yè)，見(jiàn)圖4。

圖4 架橋機(jī)橋面調(diào)頭示意圖

3.5 雙電機(jī)減速機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該裝置設(shè)計(jì)配置雙電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，上轉(zhuǎn)盤(pán)安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)，下轉(zhuǎn)盤(pán)安裝環(huán)形齒條系統(tǒng)，配置變頻器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)速度控制，安裝角度傳感器和PLC 系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)速度和角度進(jìn)行精確控制[10]，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，也可以手動(dòng)調(diào)整。配置遙控器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，作業(yè)人員可以遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)區(qū)域確保人身安全。

4 受力分析

調(diào)頭旋轉(zhuǎn)裝置是實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)不解體情況下進(jìn)行原地調(diào)頭作業(yè)。其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用2 個(gè)變頻電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。架橋機(jī)通過(guò)四點(diǎn)受力三點(diǎn)平衡支架的支撐實(shí)現(xiàn)前后左右載荷的均衡，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)校核以最大承載位置計(jì)算，本次計(jì)算采用Ansys 有限元軟件靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置上轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得出，應(yīng)力和剛度滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得出，應(yīng)力和變形量滿足設(shè)計(jì)要求。

5 具體操作流程

以運(yùn)架一體式架橋機(jī)為例，說(shuō)明在已架設(shè)箱梁的橋面調(diào)頭實(shí)施流程如下。

1）調(diào)頭裝置在制梁場(chǎng)內(nèi)完成拼裝，不安裝稱(chēng)重裝置和高度調(diào)整塊。

2）架橋機(jī)橫向移動(dòng)到調(diào)頭裝置下部，運(yùn)架一體式架橋機(jī)重心位置對(duì)準(zhǔn)調(diào)頭裝置中心。

3）架橋機(jī)輪組懸掛降低到低位。

4）安裝調(diào)頭裝置支撐托架與架橋機(jī)主梁的錨固裝置。

5）架橋機(jī)輪組懸掛升到高位，將調(diào)頭裝置提起。

6）架橋機(jī)自行攜帶調(diào)頭裝置到橋面合適位置。

7）架橋機(jī)輪組懸掛降低到低位，錨固裝置將下轉(zhuǎn)盤(pán)與已架設(shè)箱梁錨固。

8）松開(kāi)調(diào)頭裝置支撐托架與架橋機(jī)主梁的錨固裝置。

9）架橋機(jī)輪組懸掛升到高位，在支撐托架上方安裝稱(chēng)重裝置和調(diào)整節(jié)。

10）架橋機(jī)輪組懸掛全部收回，使輪組脫離橋面并保證足夠空間。

11）依據(jù)稱(chēng)重裝置數(shù)值調(diào)節(jié)架橋機(jī)前支腿位置，保證前后重量在允許范圍內(nèi)。

12）啟動(dòng)調(diào)頭裝置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，完成架橋機(jī)在橋面（路基）調(diào)頭。

13）架橋機(jī)懸掛落低位，解除下轉(zhuǎn)盤(pán)錨固系統(tǒng)，架橋機(jī)攜帶調(diào)頭裝置回梁場(chǎng)，完成調(diào)頭作業(yè)。

6 設(shè)備適應(yīng)性

該調(diào)頭裝置滿足最大承載力660t，滿足最大起重能力1 000t 的40m 鐵路分體架橋機(jī)、昆侖號(hào)1 000t流動(dòng)式運(yùn)架一體機(jī)[11]、節(jié)段拼裝架橋機(jī)[12]、一般分體架橋機(jī)在已架設(shè)梁的橋面上或路基上完成設(shè)備的無(wú)拆解調(diào)頭。

7 結(jié)語(yǔ)

該調(diào)頭裝置轉(zhuǎn)盤(pán)上下均設(shè)計(jì)牢固的錨固系統(tǒng)，安全系數(shù)高；設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)支撐軸承加旁撐輪組雙支撐系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性高；支撐架通過(guò)前部平衡橋設(shè)計(jì)達(dá)到四點(diǎn)支撐三點(diǎn)平衡，結(jié)構(gòu)受力均載，稱(chēng)重準(zhǔn)確；支撐架為高度可調(diào)設(shè)計(jì)，滿足不同類(lèi)型設(shè)備調(diào)頭，適應(yīng)性廣。可以滿足高速鐵路建設(shè)中的各種大型運(yùn)梁車(chē)、各種分體式架橋機(jī)，各種結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)架一體機(jī)在已架設(shè)箱梁的橋面或路基、梁場(chǎng)等位置實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)頭旋轉(zhuǎn)作業(yè)，無(wú)須專(zhuān)用調(diào)頭場(chǎng)地，經(jīng)濟(jì)性好，具有簡(jiǎn)單實(shí)用、安全系數(shù)高、平穩(wěn)高效、適應(yīng)性廣的優(yōu)勢(shì)。