拼装式节段箱梁造桥机的创新设计与应用

张耀辉，赵振宇，鲍存坤

(石家庄铁道大学，石家庄 050043)

1 概述

红柳河特大桥是新建兰新二线高速铁路的重要工程，位于甘肃和新疆交界处的西北烟墩风区的戈壁滩上，地理和气候环境恶劣，该桥是33孔48 m节段拼装简支箱梁桥，每孔箱梁均由11节预制箱梁节段和10个湿接缝组装而成，箱梁的安装施工采用拼装式造桥机进行。最大箱梁节段质量155 t，梁宽为12.2 m，整孔梁质量1 700 t，最大墩高46 m，最大纵坡18‰。在高空大风区等多项不利因素下，进行大吨位、大截面箱梁的安装作业及湿接缝施工，安全风险极高，施工受外界客观因素干扰大。尽管采用八七梁拼装式造桥机进行节段箱梁的施工技术［1］在一些类似工程施工中已得到应用，但是由于本桥的特殊性，由石家庄铁道大学国防交通研究所研制的这台大型造桥机设备在造桥机的支腿支撑方式、整机过孔方式和特殊结构部位的连接方式等方面均进行了大胆的优化和创新设计，使得这台造桥机从适用性和安全性等方面很好地满足了现场的施工作业要求。

2 造桥机的创新设计

由于红柳河特大桥的桥墩很高、所在地区风速很大、箱梁宽度大，远远超过墩顶宽度，如果采用以往的主桁结构直接在墩顶支撑，或采用墩顶牛腿支撑，或墩旁支架支撑的方式，不仅难以实现，而且安全施工风险很大，所以，必须对该型造桥机在支撑方式、过孔方式和结构连接等方面进行创新设计，才能有效地适应该工程的施工条件，从4个方面来阐述该造桥机的设计创新点。造桥机的整机形式见图1。

2.1 Ω形后支腿支撑方式

由于本桥的桥墩横向宽度为9.2 m，而箱梁宽度为12.2 m，那么采用下行式的造桥机结构形式，其主桁片结构就必须设在梁宽以外，导致造桥机尾部桁架无法直接支撑在墩顶上;又因为桥墩太高，不宜在墩旁设置墩旁支架或墩顶牛腿支架，所以经过综合研究分析和优化设计，巧妙地设计了一个箱形截面的Ω形后支腿结构，使其通过桁式过渡节和八七梁主桁架结构相连，Ω形后支腿的两个支点直接支在已架箱梁的端部腹板上方。采用这种方法改变了以往的同类型造桥机主结构直接支承在墩顶的支撑方式，适应了梁宽墩窄和墩高不宜设墩旁支架、牛腿的工程情况。Ω形后支腿结构形式见图2。

Ω形后支腿结构采用箱形断面形式，为了方便运输和安装，将整个结构分成了4个节段，节段之间通过高强度螺栓和拼接板进行连接。其加工难点在于支腿上螺栓孔的分布精度控制，保证拼装好后，能够顺利地和主桁结构进行螺栓对接连接［2］。

图1 造桥机正常架梁作业状态总图

2.2 桁架式中支腿支撑方式

由于造桥机主桁架结构在墩宽度以外，因此造桥机中部的主桁架也无法直接支撑在墩顶上。通过综合优化设计后，在此处设计1个横向的桁架支腿结构和两侧的主桁垂直相连，然后通过桁架支腿的两个主立柱直接支撑在墩顶垫石上。由于桁架支腿是一个薄片式结构，它在墩顶上所占的纵向尺寸较小，这就保证了桁架式中支腿和梁端节的空间纵向距离，满足了梁端千斤顶张拉预应力钢束的空间要求。主桁架是由八七梁杆件和拼接板拼组而成的结构，为了实现桁架式中支腿和主桁相连，需要设计特殊的拼接板来实现此处的连接。另外，通过优化中支腿桁架的结构形式，使得其杆件之间的空隙能够不妨碍梁端张拉预应力钢束的作业空间要求。正常架梁时中支腿的结构形式和支撑方式1见图3。

中支腿的2个主支撑立柱采用箱形断面的结构形式，其余斜杆采用背对背2组槽钢组成的工字形截面的形式，所有杆件之间均采用螺栓连接。当造桥机架设最后一孔梁时，中支腿需支撑在桥台的胸墙上，此时需将支腿的下部杆件拆除，然后再将立柱支撑在桥台上。此时中支腿的结构形式和支撑方式2见图4。

2.3 带行走和液压升降系统的前支腿结构形式

造桥机的前导梁支撑在前支腿上。前支腿结构系统是由主横梁、托轮系统、挂轮系统、液压升降系统和可伸缩支撑立柱等组成，结构组成见图5。前支腿的液压升降系统由4个2 000 kN的液压缸等组成［3］，可通过顶升前支腿主横梁来实现造桥机的升降作业和整机的坡度调节作业;前支腿可通过自带的挂轮系统实现其沿造桥机整个导梁的纵向移动，来实现造桥机过孔作业中前支腿的前行需要;托轮系统直接支撑导梁的下滑道，使得导梁在拖轮上滚动摩擦前行，阻力很小，有利于降低整个造桥机前行时的阻力;可伸缩支撑立柱是两个具有内外套和销轴连接的结构，前支腿顶升到位后，通过销轴固定内外套，起到前支腿的竖向支撑保护作用。采用此种前支腿方案，既满足了造桥机的升降调节要求，又满足了前支腿的过孔需要，同时显著降低了造桥机前行阻力。造桥机前导梁在前支腿上的支撑方式见图6。

图2 后支腿结构形式

图3 中支腿结构形式和支撑方式1

图4 中支腿结构形式和支撑方式2

图5 前支腿结构形式和支撑方式

图6 造桥机前导梁在前支腿上的支撑方式

2.4 造桥机的过孔方式

造桥机过孔时，专用的轮轨式托运台车支撑住造桥机的尾部牛腿，前支腿液压缸顶升造桥机致使中支腿铰座离开墩顶，然后通过设置在托运台车上的卷扬机和滑轮组，用钢丝绳和设置在梁端的定滑轮组相连，用卷扬机拖拉牵引驱动。因为托运台车是轮轨走行方式，前导梁下滑道在前支腿的滚动托轮上滑动，所以整个造桥机的前行阻力主要是18‰的桥梁坡道阻力和造桥机的滚动摩擦阻力。这样一来，就比以往靠造桥机下弦滑道在固定滑板支墩上的滑动摩擦阻力小了很多，前行动力仅仅250 kN左右。造桥机边前行，下托梁边分组打开，待该组下托梁过墩后，即可恢复成闭合状态，依次类推。

造桥机过孔状态中，造桥机共处于3个主要受力状态:(1)专用轮轨式驮运后车支撑起造桥机尾部，前支腿通过顶升液压缸顶升导梁，当造桥机中支腿的支座脱离开墩顶，此时整个造桥机的自重全部支撑在后车和前支腿上，呈跨度为110 m的大简支状态;(2)牵引机构牵引造桥机驮运后车前行，前支腿在墩顶固定不动，前导梁在前支腿上的托轮上滚动摩擦前行;(3)待中支腿到达前方桥墩墩顶上，临时支撑，然后前支腿通过自带的挂轮行走系统，沿前导梁的滑道自行至下一桥墩墩顶，此时，造桥机的两个支点是后车和中支腿，前导梁呈大悬臂状态，前支腿悬吊在大悬臂的前端，此时是最不利的悬臂状态。3种状态分别见图7～图9。

图7 造桥机最大简支过孔状态

3 造桥机的主要安全防护措施［4-12］

由于该桥的桥墩很高，且桥址处于西北的风区，风速很大，所以经常在处于大风天气的高空中施工作业，无论对人员还是对施工设备，其安全措施尤为重要。

图8 造桥机过孔前行中的状态

图9 造桥机过孔的最大悬臂状态

(1)造桥机支腿在墩顶的锚固措施。为了保证造桥机在施工中的纵横向稳定，在设计造桥机支腿的时候，就考虑了在墩顶进行锚固的方案。所以，在桥墩施工时，按照造桥机的设计要求，事先在墩顶预埋了锚固用的精轧螺纹钢，用于和造桥机的支腿进行锚固，保证了造桥机在正常架梁施工和过孔时的支腿稳定性。

(2)造桥机的大风防范措施。当遇到超过正常允许作业风力的大风天气时，可通过缆风绳在造桥机的前、中、后3个部位，将造桥机的上弦节点和预埋在墩顶上预埋槽钢牛腿之间进行连接捆绑固定。

(3)造桥机风速报警装置。在造桥机上设风速报警装置，用来监控风速的大小，为及时采取措施，提供提前预报。

(4)造桥机施工平台。在高空进行施工作业时，人员的安全防护至关重要。为此在造桥机下托梁下面设置了工作面很宽的工作平台，在下托梁平面的两侧设置了2个2 m宽的走行通道，其外面用安全网进行防护。

(5)施工操作注意事项。为了安全进行操作施工，除了对施工人员进行专门的技术操作培训，还编制了造桥机详细的操作规程。

4 造桥机的施工工艺流程和主要参数

造桥机施工工艺流程见图10。

图10 造桥机施工工艺流程

主要设计参数如下:起重小车额定起重1 550 kN;吊机轮廓尺寸117 m×16.8 m×17.2 m;主桁有效内部净空54 m×13 m×14 m;整机质量750 t;整机过孔驱动方式为卷扬机牵引;起重小车走行控制方式为变频调速控制;起重小车走行速度0～3 m/min;起重小车起升速度0～1 m/min;动力条件380 V，50 Hz;起升总功率45 kW;最大作业纵坡18‰;工作状态最大风力6级;非工作状态最大风力11级;施工周期3孔梁/月;梁节运输方式为轮轨式运梁车。

5 结语

根据红柳河特大桥的具体情况，在总结以往类似造桥机的基础上，进行了大胆的创新设计和应用，很好地满足了节段箱梁拼装架设的需要，保证了该桥的顺利施工，解决了高速铁路梁宽、高墩、大坡度、风速大和高空作业难的特殊环境施工难题。目前，该造桥机已顺利完成了20孔48 m节段箱梁的拼装施工，性能稳定，安全可靠，在这种特殊环境下，最快造桥速度达7 d/孔。该新型造桥机的成功研制与应用，将为今后类似环境下的工程施工提供较好的参考价值。

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