1 800 t变幅式桥面吊机锚固系统的研究

陆 慧

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

桥面吊机，又称桥面悬臂吊机，是一种主要用于跨江跨海大桥拼装施工的架桥机。本锚固系统是依托1 800 t变幅式桥面吊机主体框架设计，用于配合该吊机吊装施工。本锚固系统也是该吊机过孔中重要的构件［1］。1 800 t变幅式桥面吊机如图1所示。

图1 1 800 t变幅式桥面吊机构造（单位：mm）

1 800 t变幅式桥面吊机主体采用4桁结构、3主支点、3吊点形式。3吊点设置起重量均衡系统，保证3吊点受力相等。机架的设计要求4桁结构从中间分开后可以变成2台一样的吊机机架，以便于以后其他项目的改造施工。因此1 800 t变幅式桥面吊机实际是用2台吊机共同吊装。2台吊机机架需配备2台锚固系统，并连接合并为一个整体［2］。基于上述结构特点及性能参数设计了本锚固系统。

2 锚固系统方案的优势

（1）目前，在桥面吊机提升钢梁至桥面进行拼装施工中，主梁节段的吊装重量一般不超过500 t，能满足桥面吊机吊装能力在500 t以上的锚固系统国内外并不多。国内外锚固系统应用大多数是335 t；荆岳长江公路大桥最大吊装重量180 t；苏通大桥最大吊装重量450 t等均为小吨位，本锚固系统能满足桥面吊机最大吊重达1 800 t，远远超过一般锚固系统承受的后拉力或后支点反力。这表明，本设计在满足吊重方面高于国内外平均水平。

（2）另外目前国内锚固系统与节段梁的连接通常是通过单铰接杆件。例如南宁市五象大桥采用单铰链杆的形式相连或者直接通过螺杆连接。由于后锚销孔直径有限，使得后锚点的连接难度增大，如果扩大销孔，则可能导致后锚结构受力不均，引起安全隐患。若直接通过螺杆连接，将大大增加杆件的弯矩，造成螺杆寿命减短，增加拆装难度。如荆岳长江公路大桥的锚固系统是采用8块拉板和4根销子完成；瓯江大桥后端锚固是直接与预埋在主体结构中的连接板锚固。本设计的优势在于不仅采用多铰接杆件连接方式，增大纵横向容差，加快连接速度，保证锚固系统均衡受力，而且杆件与设计的桁架结构连接，避免了与架梁吊机直接接触，此方式保证链杆在拆装时不影响吊机结构，增加了拆装速度，使得施工过程的操作效率更高，成本更低。

3 锚固系统设计方法研究

3.1 确定设计参数

锚固系统的设计首先取决于1 800 t变幅式桥面吊机设计参数的确定［3-4］。吊机的主体构造形式，决定了本系统的桁架结构设计形式，吊重决定了本系统的额定载荷能力；钢梁上锚固耳板横向间距大小，决定了本系统横移装置和旋转装置的横向间距；吊机走行需规避障碍，决定了设备横移装置和旋转装置的功能设计；对于不同吊机结构形式，锚固系统应满足不同的纵横向调整要求。

3.2 设计方法

确定设计参数后，需要确定锚固系统总体结构形式，首先把锚固系统分成相对独立的几大系统。主要包含主承载结构体系、后锚结构系统、辅助系统（包括连接装置、推拉装置等）等3大系统。主承载结构体系是以适应1 800 t变幅式桥面吊机构造形式为目的而设计，后锚结构可依据节段梁的构造形式，确定其布置形式。考虑拆装方便，主承载结构与吊机的连接采用销轴，后锚结构采用螺杆与桥面吊点连接。

4 锚固系统结构设计

基于锚固系统设计方法的研究，将锚固系统分为主承载结构体系、后锚结构系统、辅助系统（包括连接装置、推拉装置等）等3大系统［5］。其中主承载构造体系主要指桁架结构；后锚结构系统包括旋转装置与横移装置；辅助系统包括连接装置、推拉装置、斜拉杆和倒链。锚固系统构造如图2所示。

4.1 主承载结构体系

桁架结构是整个锚固系统的主构架，如图1所示，主要用于连接旋转装置和横移装置，使3种结构形成一个整体，从而增强后锚系统的整体稳定性。由于桁架结构本身的结构特点，也减少了弯矩和剪力的影响。旋转装置和横移装置分别位于桁架结构两侧，并设计为不等长，主要是对桥面横坡影响的补偿。使整个体系可简化为简支梁形式，各杆件的受力也更加明确。同时考虑1 800 t变幅式桥面吊机在喂梁时，由于旋转和横移装置刚度一样，可引起桁架结构产生偏斜侧向力，故旋转装置和横移装置设计为柔性与刚性连接，工作时桁架结构横向严格水平［6］，如图 2a 所示。

4.2 后锚结构系统

4.2.1 横移装置

（1）横移装置设置于桁架结构端部（无连接装置一侧），通过小横联和横联下的通孔，与钢梁上的耳板连接。且在横联上的滑移量为500 mm，如图3所示。主要用以避免1 800 t变幅式桥面吊机纵移时对钢梁上的锚箱与斜拉索的影响。小横联和横联下通孔左右两侧设置钢板加强。横移装置也可做100 mm的高度调节，满足安装和功能需要的便捷性。横移装置与桥面耳板的锚固结构设计为多铰接杆件，确保锚固结构受力均匀［7］。

图3 横移装置总成（单位：mm）

（2）在横移装置安装时应注意，将螺母与吊轴通过垫套顶死，不能存在间隙，以保证1 800 t变幅式桥面吊机的部分载荷通过吊轴与卡座传递给钢梁。吊轴连接下部卡座与耳板结构前，应将螺母和卡座与吊轴旋紧，保证吊轴下部挡块与卡座顶紧。通过吊轴调节卡座、吊耳结构和钢梁耳板的间隙，来满足钢梁2%的横坡。横移装置构造如图3所示。

4.2.2 旋转装置

（1）旋转装置设置于连接装置对应耳座处，通过销轴与连接装置铰接。旋转装置可沿桁架结构纵向做微小摆动，方便满足整个结构受力需要，旋转装置下部与设置于钢梁上的耳板铰接。根据1 800 t变幅式桥面吊机的结构特点确定，旋转装置的锚固力均大于横移装置。同时旋转装置的结构也相对复杂，且在横联上可转动90°。主要用以避免1 800 t变幅式桥面吊机纵移时对钢梁上的锚箱与斜拉索的影响。旋转装置构造如图4所示。

图4 旋转装置总成（单位：mm）

（2）安装时注意，保证旋转装置在摆动时与连接装置不发生碰撞。位于吊梁耳板两侧的吊轴在安装螺母之后刚好不与耳板干涉，保证整个结构设计合理且满足锚固的功能。由于旋转装置下部结构的设计与横移装置类似，其他安装注意事项可参考横移装置。

4.3 辅助系统

4.3.1 连接装置

（1）连接装置通过高强螺栓和桁架结构的横联下结构连为一个整体。故桁架结构与旋转装置可通过连接装置间接相连。连接装置作为可拆卸结构主要是方便拆除，通过拆卸螺栓断开与桁架结构的连接，来满足旋转动作，进而带动旋转装置的转动。同时连接装置也是重要的受力构件，旋转装置可通过连接装置实现对1 800 t变幅式桥面吊机的锚固作用。连接装置构造如图2b所示。

（2）连接装置采用变截面形式，并在变截面处设置钢板加强［8］。以保证旋转装置的竖向安装空间。同时给推拉装置预留了安装空间。

4.3.2 推拉装置与斜拉杆

（1）推拉装置主要用以调整旋转装置与桁架结构水平方向的夹角。消除1 800 t变幅式桥面吊机纵移时对钢梁上锚箱与斜拉索的影响。推拉装置构造如图2b所示。

（2）斜拉杆将桁架结构横联上与连接装置连为一体，减弱连接装置与桁架结构连接处螺栓承受的剪力，把部分载荷传到横联上的节点处，保证连接装置与桁架结构形成一个整体，增强整体稳定性。需要注意当连接装置与桁架结构断开的同时保证斜拉杆与连接装置断开。此时斜拉杆通过连接在桁架结构上的倒链托拽，完全与连接装置脱离，整个结构就完成了从拆除到旋转的动作。斜拉杆构造如图2a所示。

4.3.3 倒链

倒链的主要作用是辅助斜拉杆完成拆除动作。斜拉杆在拆除之前倒链处于收起状态，可防止磨损。注意，准备拆卸连接装置时，倒链中链条伸出，吊钩连接斜拉杆，链条收紧，当连接装置完全拆除时，倒链需要继续收紧直到不与连接装置的耳座干涉。当连接装置回转需要和斜拉杆重新连接时，倒链可缓慢放松，直到斜拉杆放置到合适位置停止。通过销轴连接之后，倒链方可收回。倒链构造如图2a所示。

5 锚固系统结构安全验算

本次验算包括受力说明和关键结构计算两部分。

5.1 受力说明

（1）针对锚固系统受力状况，分析其载荷来源。

（2）本锚固系统主要用于1 800 t变幅式桥面吊机的吊装作业，基于此作用，可知锚固系统主要承受载荷来自吊重。由于在吊装过程中，存在环境因素的影响，在验算时还需考虑风荷载引起的偏载，考虑整机在架梁工况时，由前支点和后锚点共同承载，因此锚固系统载荷为部分吊重及风载。经对荷载来源分析，锚固系统最不利工况为吊机架梁工况［9-10］。1 800 t变幅式桥面吊机性能参数见表1［11］。

表1 1 800 t桥面吊机性能参数

①吊重：1 800 t。

②风荷载：考虑吊机在承受当地最大风载时停止作业，节段梁吊装时按当地最大风载考虑。

工作状态最大风荷载：

式中，C为风力系数；PⅡ为工作状态最大风压（N/m2）；A为实体迎风面积（m2），以钢桁梁为例考虑实体迎风面积由钢梁各杆件的面积总和构成。

因此，工作状态下最大风荷载为60 kN。

5.2 关键结构计算

根据上文受力说明以及锚固系统的结构尺寸，对其在最不利工况下受力和变形进行了计算分析。针对结构分析的准确性，需增加1 800 t变幅式桥面吊机主框架一起建模计算。

受力状况通过桥梁专用计算软件Midas/Civil建模进行验算，计算模型采用梁单元和桁架单元，材料选用Q345C和Q420D，吊机整机计算模型如图5所示，锚固系统主承载桁架结构各杆件计算结果见表2。

表2 锚固系统主承载桁架结构各杆件计算结果

图5 吊机计算模型

由表2计算可得，最不利工况下锚固系统主承载桁架结构各杆件的强度、刚度、整体稳定性，均满足要求。

由图6可知，最不利工况下横移装置最大拉力不超过500 t，旋转装置最大拉力不超过450 t，根据锚固拉力手工验算横移和旋转装置强度、刚度及稳定性，结构均满足设计和规范要求。

图6 锚固系统计算反力

由图7可知，主承载桁架结构最大应力为201 MPa＜293 MPa，并对局部焊缝进行手工验算，同样满足受力要求，并且具有较大安全系数。

图7 锚固系统计算应力

计算分析表明：通过对锚固系统的受力验算，各构件均在安全范围内，能满足1 800 t变幅式桥面吊机吊装施工要求。

6 结束语

通过理论计算验证了本次设计的锚固系统能够满足1 800 t变幅式桥面吊机所需的锚固力要求，并且可拆分为2台，适用于不同的桥宽，便于反复利用。对未来桥梁的吊装施工存在一定的参考价值。设计细节表明该锚固系统具有结构轻便、拆装方便、操作简单、控制精度较高等特点。巧妙的旋转设计为吊机走行过程中遇到的桥面障碍进行了规避，提高了现场工作效率，通过有限元软件对结构的安全进行验证，保证了施工安全，降低了施工成本［12］。