大噸位短行程液壓同步頂升下放系統(tǒng)的研制

周平

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 400042）

1 朝天門大橋主橋移梁施工概況

重慶朝天門大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為190m＋552m＋190m的三跨連續(xù)中承式鋼桁系桿拱橋，跨度在同類型橋梁中居世界第一。橋面為雙層，總寬36m，如圖1。

圖1 朝天門大橋?qū)嵕皥D

主橋鋼梁安裝施工過程中，橋梁的空間位置和姿態(tài)由于安裝工藝的需要或者安裝誤差的影響往往需要在安裝的不同階段對橋梁進行調(diào)整，其中，需要同步頂升、下放鋼梁的工況主要發(fā)生在以下兩階段：

1）主橋有4個支點，邊支點 P6、P9，中支點P7、P8。除P7中支點為固定球形支座，其余均為活動球形支座，只有P7中支點準確就位，以保其余支點的就位精度，才能保證全橋鋼梁安裝的位置精度。

鋼梁是從邊支點往中支點進行安裝的，當北岸安裝到P7墩時，由于理論計算與實際存在的偏差以及因鋼梁制作、安裝累計誤差的影響，鋼梁與固定支座之間會存在一定的水平偏差。主橋施工到18號節(jié)間時，如圖2，實測鋼梁相對于固定支座向南偏位27 cm，為消除鋼梁安裝位置誤差，實現(xiàn)鋼梁與支座的精確對位，須將鋼梁整體向北水平縱向頂推27 cm。此時P7墩上下游支座反力總共為7600 t。

圖2 北岸側(cè)安裝到18號節(jié)間示意圖

2）中支點P7或P8墩球形支座安裝后，上下游支座頂標高在會存在一定誤差，導(dǎo)致中跨鋼梁在后續(xù)中跨安裝過程中往標高較低的一側(cè)偏斜。如果偏斜值過大，則需要在標高較低一側(cè)的支座、墊座之間加設(shè)墊板消除兩支點高差，以矯正橋梁軸線偏移。

南岸側(cè)施工曾出現(xiàn)了這種情況。當鋼梁安裝到22號節(jié)間時，如圖3，發(fā)現(xiàn)橋梁縱向軸線往下游偏移了31mm。實測P8墩上下游支座標高相差6mm，需要用千斤頂將下游支座頂離墊座，在支座、墊座之間鋪設(shè)墊板消除兩支點高差。此時P8墩下游支座反力為7000 t。

圖3 南岸側(cè)安裝到22號節(jié)間示意圖

為了實現(xiàn)以上兩種工況下鋼梁的頂升和下放，需要在P7或P8墩頂布置一套同步頂升下放系統(tǒng)，這套設(shè)備需要從適用性、安全性和經(jīng)濟性等方面進行研制。

2 液壓同步系統(tǒng)的設(shè)計

液壓同步系統(tǒng)的設(shè)計流程是逆向進行的，即首先根據(jù)移梁施工對系統(tǒng)的要求確定系統(tǒng)執(zhí)行元件（液壓千斤頂）的技術(shù)規(guī)格，再根據(jù)執(zhí)行元件確定泵站的設(shè)計。

2.1 千斤頂?shù)脑O(shè)計

第一階段對千斤頂設(shè)計要求：能整體承受P7墩7600 t垂直負荷；千斤頂能夠同步頂升將墊座頂離支座約20 mm，移梁到位，墊座、支座螺栓孔對位成功后，再將鋼梁同步緩慢下放，千斤頂布置示意圖如圖4。

圖4 P7墩千斤頂布置圖

第二階段對千斤頂設(shè)計要求：能整體承受P8墩下游支點7000 t垂直負荷。所有千斤頂能夠同步頂升和下放，需要將墊座頂離支座約20mm，加設(shè)墊板后同步緩慢下放。

綜合考慮上述技術(shù)要求及通用性，決定將垂直頂升千斤頂規(guī)格設(shè)定為800 t，數(shù)量為16臺，第二階段采用其中12臺千斤頂，同步頂升下放液壓系統(tǒng)能同時兼顧上述兩種工況的需要。

2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

由于橋梁E15整體節(jié)點的剛性很強，因而只要保證輸入到這一組千斤頂?shù)囊簤河褪峭瑝旱?，即可確保每個千斤頂?shù)耐叫浴Ｋ皂斏簤和娇刂葡到y(tǒng)采用了同壓控制。

P7主墩上下游支點間距達29m，為方便布設(shè)，采用兩組泵站。由于兩支點間距大、頂升行程小，頂升過程中兩組千斤頂?shù)耐揭蟛恍枰芨撸圆捎脙商妆谜静粫Π踩┕ぴ斐刹涣加绊憽?/p>

曾有同類橋梁采用常規(guī)預(yù)應(yīng)力張拉油泵系統(tǒng)進行鋼梁頂升、下放，本工程沒有采用，因為這種系統(tǒng)容易產(chǎn)生以下問題：

1）張拉用高壓油泵由于流量較小，用在這里須采用八臺（或更多）油泵并聯(lián)工作，油泵之間容易產(chǎn)生相互干擾，而且管路太多，操作上難以做到步調(diào)一致。

2）張拉千斤頂難以確保帶載下放的安全。張拉千斤頂沒有平衡閥，油泵與千斤頂之間的任一高壓軟管爆裂，所有千斤頂都無法自鎖，會帶載急速下滑，釀成嚴重事故。

3）頂升到位后需要垂直千斤頂在持荷狀態(tài)下對橋梁進行水平調(diào)整，而普通液壓千斤頂在持荷狀態(tài)下傳遞水平力是非常危險的。

為解決以上問題，確保頂升移梁安全，需采用群控泵站系統(tǒng)對千斤頂進行集中控制。千斤頂和液壓系統(tǒng)進行特殊設(shè)計，具備上述功能。通過多種方案比選，最終采用了以下系統(tǒng)設(shè)計，如圖5。

圖5 液壓同步頂升、下放系統(tǒng)原理圖

千斤頂裝備螺母機械鎖緊裝置，在千斤頂頂升到位后將螺母擰至缸體上端鎖緊，將油壓卸荷。這樣進行水平調(diào)整時，水平力通過機械裝置進行傳遞，可以避免對千斤頂?shù)膫Α?/p>

2.3 泵的選擇方案

泵的選擇方案有兩種：采用單泵系統(tǒng)或者雙泵系統(tǒng)。

采用單泵系統(tǒng)，存在兩個弊端：1）頂升、下放系統(tǒng)壓力同為超高壓，下放時不安全；2）需要外加一個換向閥實現(xiàn)頂升和下放動作的切換，由于換向閥的內(nèi)泄會增大系統(tǒng)的容積損失，降低系統(tǒng)的工作效率。

采用雙泵系統(tǒng)分別對千斤頂?shù)捻斏拖路胚M行控制則可以避免上述問題。頂升油泵和下放油泵的選型如下：

1）頂升油泵④用以向千斤頂無桿腔輸入壓力，控制千斤頂向上頂升。

頂升油泵的選型：由于800 t千斤頂額定油壓為53 MPa，所以泵的額定油壓應(yīng)不小于53MPa；800 t千斤頂活塞面積約為0.16m2，如果8臺千斤頂需要在30min完成20 cm行程的話，泵的排量應(yīng)不小于8.5 L/min。在國內(nèi)沒有找到這樣排量的超高壓油泵，所以采用了德國HAWE公司的R11.65超高壓油泵，用以向千斤頂無桿腔輸入壓力，控制千斤頂向上頂升。油泵額定壓力為70MPa，排量達11.65 L/min，如果同時供8臺800 t千斤頂工作的話，可以在約22min完成一個頂升行程200mm。

2）下放油泵⑤有兩個作用：向平衡閥先導(dǎo)油口輸入控制壓力油，打開平衡閥主閥芯，讓無桿腔油液回流泄菏；千斤頂依靠載荷自重回落，下放油泵向千斤頂有桿腔補充油液。

下放油泵的選型：千斤頂下放可以依靠載荷自重而不需要油壓實現(xiàn)，所以泵的額定油壓取決于平衡閥的開啟壓力，且應(yīng)不小于平衡閥的開啟壓力；800 t千斤頂無桿腔有效面積約為0.05m2，如果8臺千斤頂需要在30min完成下放，泵的排量應(yīng)不小于2.6 L/min?？紤]到通用性，選用了額定壓力不小于45MPa的油泵，該油泵將來可以改作張拉油泵用。于是采用HAWE公司R2.5油泵，油泵額定壓力為45MPa，流量約2.5 L/min，可以在約32min完成回落行程。

下放油泵⑤設(shè)定為低壓的另一原因在于千斤頂有桿腔不能承受太大的油壓，且千斤頂下放時有桿腔壓力會疊加到無桿腔油壓上，導(dǎo)致無桿腔壓力增大，甚至?xí)斐沙瑝?，對無桿腔工作不利。根據(jù)后文的介紹，選用的平衡閥其開啟壓力可以在4～12MPa之間，所以平衡閥開啟壓力應(yīng)設(shè)定在其下限4MPa，下放系統(tǒng)安全壓力大于此值設(shè)定在8MPa。

2.4 閥的選型

超高壓液壓閥件國內(nèi)十分罕見，所以閥件全部采用了HAWE的產(chǎn)品。閥的選擇比較簡單，額定流量和額定壓力確定后，就基本可以確定閥的型號。

1）兩位兩通電磁換向閥（帶溢流閥）⑧⑨。換向閥的作用是決定泵輸出油液的流向，是進入工作回路還是直接回油箱。溢流閥的作用是設(shè)定系統(tǒng)的最大工作壓力，以保證整個系統(tǒng)的工作安全。

控制頂升的電磁換向閥⑧，當電磁鐵未得電時，高壓管路與油箱通，油壓卸荷；當其得電時，切斷高壓回路與油箱的聯(lián)系，在頂升系統(tǒng)建立壓力。這里選用了HAWE的VB11AM-2/550-Y-1-G24換向閥，頂升溢流閥溢流壓力設(shè)定為50MPa，即頂升系統(tǒng)安全壓力為50MPa。

控制下放的電磁換向閥⑨，當電磁鐵未得電時，高壓管路與油箱通，油壓卸荷；當其得電時，切斷高壓回路與油箱的聯(lián)系，在下放系統(tǒng)建立壓力。這里閥選用了HAWE的VB01AM-2/450-Y-1-G24換向閥，下放溢流閥溢流壓力設(shè)定為8MPa，即下放系統(tǒng)安全壓力為8MPa。

2）平衡閥⑦。平衡閥作用是在千斤頂回落時，維持無桿腔在一定的壓力條件下卸荷，避免失壓下落釀成事故。平衡閥與千斤頂之間采用連接板或者鋼管進行剛性連接，確保管路安全。

這里選用了HAWE的LHTE30P-11-F平衡閥，其開啟壓力可以在4～12MPa之間，將開啟壓力值設(shè)定在其下限4MPa。由于各千斤頂?shù)墓苈纷枘岵灰恢?，為了保障平衡閥開啟的穩(wěn)定性，該壓力值也不能太小，否則會導(dǎo)致平衡閥開啟時間不一致，各千斤頂下放動作會出現(xiàn)不同步。

3）安全閥⑥。這里選用了HAWE的MVP13H-480安全閥，與平衡閥一起安裝在千斤頂?shù)倪B接閥塊上，其作用有兩個：

頂升過程中，如果兩組千斤頂?shù)呢摵煞峙洳痪?，其中一組的負荷過大超壓，則在達到安全閥的調(diào)定壓力下進行高壓卸荷，確保千斤頂?shù)陌踩?，當負荷重新分配均勻后才繼續(xù)正常工作。

回落過程中，千斤頂帶載開始下放的瞬間，如果平衡閥沒有同時全部開啟，則負荷會集中到未開啟平衡閥所在的千斤頂上，從而導(dǎo)致該千斤頂無桿腔壓力驟增，一旦達到安全閥的調(diào)定壓力，則油壓會通過安全閥卸荷，保護千斤頂免遭破壞。在本系統(tǒng)中，安全閥調(diào)定壓力被設(shè)定為48MPa。

2.5 電控系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)控制的操作平臺采用電控，讓集中控制得以實現(xiàn)。另外電路設(shè)計考慮了頂升和下放系統(tǒng)的互鎖，即在其中一個系統(tǒng)工作時必須保證另一系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)。

3 施工效果

第一階段的施工如圖6（a）所示，垂直千斤頂在頂升過程中，液壓同步系統(tǒng)工作正常平穩(wěn)。當移梁到位，垂直千斤頂在下放過程中，有4臺千斤頂上的安全閥出現(xiàn)超壓泄荷情況，經(jīng)分析原因是：這4臺千斤頂?shù)钠胶忾y在下放瞬間沒有與其余12臺的平衡閥同時打開，導(dǎo)致這4臺千斤頂負荷增加而發(fā)生超壓泄荷，由此可見設(shè)置安全閥的必要性。

圖6 液壓同步系統(tǒng)布置

注意到千斤頂在同步下放過程中，系統(tǒng)油壓始終保持在4MPa，且無法調(diào)高，說明下放油泵⑤的輸出流量小于千斤頂下腔泄油的流量，使上腔補油不及，壓力無法建立到8MPa的調(diào)定值。由于開啟壓力調(diào)定的微小差別以及管路阻尼的影響，有4只平衡閥始終未能打開。所以在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)詳細計算下放速度，并根據(jù)下放速度選擇下放油泵的排量，才能在下放過程中建立起可靠的系統(tǒng)壓力開啟平衡閥，這也是本系統(tǒng)所存在的一點不足。

第二階段的施工采用了12臺800 t千斤頂，如圖6（b），在南岸下游E15節(jié)點的四角分別布置3臺800 t千斤頂。由于頂升行程不高，且更好地確保同步，使用1臺泵站進行控制。施工過程與第一階段的頂升下放過程類似，這里不再贅述。

4 結(jié)語

移梁施工是朝天門大橋施工的重大舉措之一，本系統(tǒng)是此項施工得以順利實施的基礎(chǔ)和硬件保障。本系統(tǒng)適用于大噸位、短行程、剛性物體的同步頂升和下放，且對大噸位同步頂升下放系統(tǒng)的設(shè)計、施工有著重要指導(dǎo)意義，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了一些技術(shù)突破和技術(shù)創(chuàng)新：

1）同步頂升、下放荷載達7600 t，國內(nèi)鮮見。

2）采用超高壓、大排量液壓泵站對群控千斤頂進行集中控制。

3）在大噸位千斤頂上采用平衡閥和安全閥相結(jié)合的安全保護裝置，確保整個頂升下放過程的安全。

[1] 張利平.液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2] 張利平.液壓站設(shè)計與使用[M].北京：海洋出版社，2004.

[3] 張嵐，王海霞，劉宇輝.新編實用液壓技術(shù)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.