大西客运专线铁路48 m/1 600 t下承式造桥机研发

贾东荣

(中铁上海工程局第一工程有限公司，安徽芜湖 241000)

1 概述

晋陕黄河特大桥是大西铁路客运专线全线重点控制工程“三隧一桥”中的“一桥”，也是铁道部的重点工程，全桥总长9.969 km。引桥共计82孔48 m节段拼装双线简支梁，每孔11个节段，其中端部节段2节，每节长3.2 m，其余节段长度3.9 m，梁高4.628 m，底板宽5.5 m，顶板宽12.0 m，节段拼装采用湿接缝法，湿接缝宽0.8 m;单孔C50混凝土方量为535.6 m3，湿接缝混凝土95.72 m3，单孔自重16 160 kN。根据设计要求，48 m节段拼装简支箱梁采用造桥机拼装施工。目前国内外造桥机主要有上承式和下承式2种形式，其优缺点比较见表1。

晋陕黄河特大桥48 m简支箱梁节段拼装作业区域地处黄河滩地，作业位置墩高均大于50 m，作业面处于高空、大风、严寒等恶劣环境下，施工任务量大，作业历时周期长，在高空条件下采用上承式造桥机作业存在极高安全风险。结合桥高及总体施工工艺的要求，自主研制出下承式造桥机用于48 m节段梁拼装施工作业。图1、图2为下承式造桥机现场施工场景。

表1 上承式、下承式造桥机性能比较

图1 建设中的晋陕黄河特大桥

图2 造桥机节段吊装作业

2 下承式造桥机特点及总体技术条件

2.1 下承式造桥机特点

晋陕黄河特大桥自主研制的下承式造桥机为保证现场安全作业需求，主要具有以下特点:

(1)桥机整体重心降低，桥机拼装、湿接缝作业及过孔安全风险降低;

(2)利用支撑横联作为湿接缝施工平台，加大湿接缝施工安全系数;

(3)桥机过孔利用纵向油顶顶推全自动过孔，在确保安全的前提下，缩短过孔时间;

(4)节段拼装完成后，桥机卸载采用油顶降低主桁架的方式，安全又高效;

(5)天车设置了360°旋转系统，即可直接从地面提梁，也可从桥机尾部喂梁。

2.2 下承式造桥机总体技术条件

(1)整机及天车工作级别:A4;

(2)架设跨度:49.6 m(预留可架32 m跨);

(3)最大工作纵坡:2.5%

(4)最大桥梁横坡:2%;

(5)最小工作平曲线半径:2 500 m;

(6)起重天车最大起升高度:55 m;

(7)主起重天车起升速度:0～2 m/min满载;0～4 m/min空载;

(8)主起重天车纵向移动速度:0～15 m/min;

(9)整机最大横移速度:1 m/min;

(10)整机纵移速度:0～1 m/min;

(11)吊具自主旋转:360°;

(12)起重机横向调整最大距离:±0.6 m;

(13)最大悬挂重量/节段数:1 600 t/11;

(14)喂梁方式:尾部喂梁/桥下喂梁;

(15)成梁速度:49.6 m/10 d。

3 下承式造桥机作业程序

(1)造桥机的拼装及预压

总结国内其他大型龙门吊安装的成功经验和教训，结合施工时允许占用的场地、允许的施工周期、尤其是施工安全等因素，经过多次讨论和计算，晋陕黄河特大桥TP48造桥机安装采用中间搭建临时膺架的安装工艺和方法。在两墩正中间搭建1个9.5 m×2.4 m，高度为46 m的临时膺架。竖好临时膺架，拉好缆风绳。主梁采用在现场地面分组拼接，利用履带吊吊装上桥，中间对接的安装方法安装。通过该工艺完成整台造桥机的安装，相比过去国内传统的利用双塔架施工的吊装方法，具有场地占用小、施工周期短和安全性高等优点。

造桥机的预压是非常重要的一个环节，消除整机非弹性变形，实测弹性变形的数值，为今后节段拼装积累可靠的数据，缩短节段拼装精调时间。造桥机型式试验模拟荷载按施工状态下实际工况加载，即2个端部节段放置于墩顶上，造桥机不受力，桥机实际受力为(2号 ～10号段总重力)+湿接缝重力 =10 520+2 500=13 020 kN。

(2)节段梁拼装工艺实施

造桥机姿态调整完成后，预留3个节段支撑横联处于打开状态，供吊装端部节段。结合预压得出弹性变形数值，通过二次抛物线法计算出支撑横联杆顶高程，对桥机各支撑点设置反拱。利用场内200 t龙门吊将待架节段移至运梁车上，运输至桥下，起重天车直接从桥下运梁车取梁，按先两端后中部的顺序将预制节段布置在造桥机上，支撑在调节支撑上;考虑到端部、变截面节段梁体自重大，采用起重天车在主梁中部提梁，3节中部标准段在前导梁部位提梁。

(3)湿接缝及预应力施工

节段梁精调到位后，进行湿接缝钢筋绑扎及模板安装，混凝土浇筑采用56 m的汽车泵，直接从地面将混凝土输送到梁面上;湿接缝混凝土强度达到设计强度的90%且弹性模量达到设计值后，按照张拉顺序及相应各钢束的张拉吨位进行张拉，张拉采用双控，以张拉力控制为主，张拉伸长量进行校核;张拉结束后24 h内完成压浆工作。

(4)下承式造桥机过孔

第一步:桥机整体卸载后，打开节段支撑横联，利用纵移油缸将桥机纵移20 m，前导梁辅助支腿支撑在超前墩上，后导梁辅助支腿支撑在后中支墩上面，将已经过前主支墩的节段横联及后导梁辅助横联连接起来，确保桥机的整体稳定性。

第二步:前后辅助支腿支撑稳定后，利用天车上的小卷扬机导出后主支腿上的墩旁托架，直接运至超前墩上进行安装。

第三步:墩旁托架在超前墩安装完成后，打开后导梁辅助横联，利用纵移油缸顶推桥机纵移，直至主桁到达超前墩位置。

第四步:桥机纵移到位后，根据放样中线调整桥机姿态，连接剩余支撑横联，复核支撑横联高程，经调整无误后，开始进行节段箱梁的拼装。

4 下承式造桥机的结构设计

4.1 下承式造桥机总体组成

晋陕黄河特大桥48 m节段拼装造桥机主要由主结构(包括主框架、前导梁及横联和后导梁)、主支承(包括前、后支腿，中支承和后支腿)、托架台车倒运机构、节段支撑横梁、起重系统(包括起重天车、天车吊具及辅件)、湿接缝外模板、运梁车系统、液压系统、电气系统等组成，能够进行48/32 m跨节段拼装简支箱梁的施工，全长108 m，总重8 100 kN，其中主框架总重约4 600 kN，两幅主框架中心距为9.5 m。前后导梁上面各设置辅助支腿，主桁下面设置4个相同的墩旁托架，另外配置1 800 kN起重天车和运梁车各1台。下承式造桥机总体构造见图3、图4。

4.2 下承式造桥机的结构特点

(1)为解决造桥机自身悬空拼装的难度，选择下承式造桥机，造桥机拼装采用膺架式拼装方法。

(2)在墩顶设计墩旁托架，造桥机主桁与墩顶托架接触位置设计8 000 kN油顶，节段拼装时，油顶将梁体重力及桥机自重传至立柱墩顶承担，同时利用8 000 kN油顶在拼装完成之后进行体系转换。

(3)造桥机设计10道全自动液压翼式支撑横联，既可支撑预制节段，又作为湿接缝施工作业平台，另外可连接两侧主桁，确保造桥机过孔时的整体稳定性。如图5所示。

(4)造桥机过孔设计了全液压自动顶推系统，利用纵移油顶顶推主桁，确保过孔安全，缩短过孔时间。如图6所示。

(5)在起重天车上设置360°自动旋转系统，解决节段提升通过主桁问题。

(6)桥机设计抗风等级:6级及以下风力可以架梁，非工作状态时7级风无须采取防御措施。

图5 自动液压翼式支撑横联

图6 全液压自动顶推系统

4.3 下承式造桥机主要受力分析及设计参数

(1)结构模型的建立

设计荷载包括桥机主梁、导梁自重，天车重1 000 kN，托架重300 kN，梁块重17 000 kN及风荷载。造桥机作业主要有以下4种工况:

①满跨加载状态;

②导梁最大前悬臂状态;

③倒运支腿状态;

④过孔工况，造桥机整机纵移过孔;

其中①、②工况为作业过程中的危险工况，③、④工况造桥机未承受外部荷载，在此仅对①、②进行受力计算，③、④工况主要为造桥机的自身工作状况，保证安全运行即可，不再进行受力计算。

(2)计算由大型有限元软件ANSYS完成。考虑整个桥机的结构以及各个工况中荷载的对称性，建模时除工况二的横向风荷载计算中取整体结构进行计算，其余工况均取结构的1/2进行计算，造桥机的有限元模型采用3种单元类型:

①板采用shell43单元、shell181单元离散，其中，绝大部分网格为形状规则的4节点四边形单元，局部使用退化的4节点三角形过渡单元;

②杆件采用beam189单元离散，并根据结构实际尺寸定义梁截面，同时建立参考点控制面的方向。

经过网格划分，桥机1/2结构有限元模型共有197 896个节点，191 166个单元，整体有限元模型共有384 732个节点，372 694个单元。

(3)计算结果

①满跨加载状况

此工况主要考虑的荷载包括天车自重1 000 kN，梁块重力17 000 kN以及造桥机自重，其中，梁块的重力按其实际的位置加载到支撑横梁的对应节点上，荷载分布见图7。

由图8可知，造桥机满跨加载工况下桥机应力集中部位出现在主梁端部第二、三孔周围，最大MISES等效应力为368 MPa。造桥机在该位置材料使用双层Q345C钢板，容许应力690 MPa，满足受力需求。由图9可知，造桥机满跨加载工况下主梁中部最大下沉126 mm，导梁根部上翘152 mm。按照《钢结构设计规范》(GB50017—2003)，容许挠度为 l/150=320 mm，满足使用需求。

图7 造桥机满跨加载状况荷载分布

图8 造桥机满跨加载状况应力分布

图9 造桥机满跨加载状况Y向位移分布

②导梁最大前悬臂状态

该工况主要考虑的荷载有天车自重1 000 kN和造桥机自重，导梁最大悬臂状态工况荷载分布如图10所示。

图10 导梁最大悬臂状况荷载分布

由图11可知，造桥机导梁处于最大悬臂工况下造桥机的最大Mises等效应力位于主梁根部的油缸铰座处，最大应力为324 MPa＜345 MPa。由图12可知，悬臂尾部最大下沉为273 mm＜320 mm，受力及挠度均满足要求。

图11 导梁最大前悬臂状况Mises应力分布

图12 导梁最大悬臂状况Y向位移分布

综上所述，在造桥机满跨加载及导梁处于最大悬臂状况下，造桥机构成材料均能满足使用需求，挠度变化在要求范围之内。

5 提升站组成

晋陕黄河特大桥48 m节段拼装简支箱梁两端均为大跨径连续梁，连续梁梁部完工时间较晚，同时节段梁部分上跨国家湿地森林公园，地面土质湿软，不具备用运梁车进行节段梁运输的条件，考虑到梁场紧邻首孔梁拼装位置，结合墩身及梁部构造，特在梁场位置墩旁设计垂直提升站，将节段提升至已架设桥面上，然后由梁顶上的运梁车运输至架设位置。利用提升站将节段梁垂直提升至梁顶再进行运输，不但缩短了地面运梁便道的长度，节约了项目施工成本，同时梁顶平整度为节段梁运输提供了良好的道路环境。

提升站主要由主结构、起升机构、小车及电气系统等4部分组成(图13)。

(1)主结构由墩旁托架、桥架、空间门架和拉杆组成起重机主要承力结构。

①墩旁托架类似于架桥机墩旁托架，下部固定于桥墩顶部，上部用于支撑起重机门架，从而成为整个起重机的受力基础。主要结构件由钢板拼焊成箱形结构，材质为Q345C。

图13 墩旁垂直提升站构造

②桥架:采用偏轨箱形双梁结构，桥架的前后端均用横梁连接，形成刚性水平框架。小车轨道布置在其内侧腹板上方，桥架与拉杆的连接点及桥架与门架的连接点均设在两箱梁外侧腹板处。

③门架:由左右2片门框及中间连杆组成H型门架，门框及中间连杆采用箱形结构，材料Q345C，门架中部留有足够空间用于节段梁片的通过。

④拉杆:截面为箱形截面双拉杆，与前桥架的连接点设在前桥架有效工作长度前部1/5处。

(2)起升机构

起升机构选择2台JK12卷扬机作为动力，每台功率为55kW，固定于桥架后端，钢丝绳从起升卷扬机卷筒出去，绕过小车上的定滑轮及吊具动滑轮返到小车定滑轮，最后固定于桥架前横梁上。

起升机构由变频电动机驱动，经齿轮联轴器带动减速器，减速器低速轴带动绕有钢丝绳的卷筒，控制电动机正、反转，就可实现吊钩的上升和下降。起升速度为0～3 m/min。

(3)安全报警装置

电气系统设有总过流保护，各机构极限保护、超载保护、失压保护，过电压和欠电压以及过电流保护由PLC装置实现各自控制，断电保护。

(4)防风装置

提升站工作风压按300 N/m2设计，非工作状态计算风压为1 500 N/m2，提升站上部小车设计有防风反钩，与门架连成一个整体，从而使整个提升站与桥墩锚接成一个整体，有效地增加了防风安全性。墩旁垂直提升站施工现场图片见图14、图15。

图14 墩旁垂直提升站

图15 墩旁垂直提升站作业

6 结语

晋陕黄河特大桥共计82孔48 m节段拼装简支箱梁，2011年2月10日开始首孔节段箱梁的拼装，在保证安全和质量的前提下，截止2011年11月10日3台造桥机已完成53孔节段拼装简支箱梁，在正常作业环境下，每台造桥机均能实现10～12 d/孔的目标。在造桥机进行节段拼装作业过程中，节段支撑横梁为湿接缝提供了良好的作业平台，加快了湿接缝作业的进度，保证了湿接缝作业的安全;全自动化的桥机过孔，缩短了造桥机的过孔时间，加快了施工进度;提升站的应用减少了造桥机天车的提梁工作量，为其他提升作业争取了时间。总之，此下承式造桥机的优越性在晋陕黄河特大桥48 m节段拼装作业过程中得到了充分体现，在以后的节段拼装作业中将会得到更为广泛的应用。

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