橋面吊機(jī)在我國斜拉橋建設(shè)中的應(yīng)用及發(fā)展

周衍領(lǐng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

近年來，隨著我國橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁建造數(shù)量越來越多，建造速度越來越快，橋型越來越豐富，而斜拉橋已成為大跨度橋梁的主要橋型之一。斜拉橋主梁的施工，特別是以鋼箱梁、鋼桁梁為主要結(jié)構(gòu)形式的主梁施工，近年來大多采用預(yù)制節(jié)段懸拼的施工方法。橋面吊機(jī)是斜拉橋主梁預(yù)制節(jié)段懸拼施工中使用的主要特種裝備，橋面吊機(jī)自身具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和懸臂高度，工作時后方錨固在橋面上，通過起吊系統(tǒng)起升預(yù)制節(jié)段梁，在我國還出現(xiàn)了利用橋面吊機(jī)施工懸索橋的成功案例。橋面吊機(jī)是由鋼桁架主體支撐系統(tǒng)、走行系統(tǒng)，錨固系統(tǒng)、提升下放系統(tǒng)、吊具系統(tǒng)、調(diào)位系統(tǒng)、電氣液壓系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個復(fù)雜系統(tǒng)組成的綜合體，要根據(jù)施工需求、橋位氣候環(huán)境、交通運(yùn)輸限制等綜合因素進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)。橋面吊機(jī)的使用不僅提高了建造斜拉橋的施工效率，而且為斜拉橋設(shè)計(jì)者提供了更廣闊的想象和創(chuàng)造空間，使得斜拉橋超大跨度設(shè)計(jì)、超大節(jié)段工廠工業(yè)化建造、超大節(jié)段懸拼施工成為可能[1-3]。

1 橋面吊機(jī)在我國斜拉橋建設(shè)中的應(yīng)用

1.1 我國斜拉橋發(fā)展情況

自從1975年四川和上海建成了兩座跨度分別為76 m和54 m的斜拉試驗(yàn)橋以來，40多a過去了，這種在二次大戰(zhàn)后復(fù)興的橋型，在中國改革開放的大好形勢下得到了充分的發(fā)展和推廣，目前我國建成的斜拉橋已超過100多座[1]。我國已建成部分跨度較大斜拉橋，統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 我國已建成部分跨度較大斜拉橋統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，我國跨度超過700 m的斜拉橋大多在2008年之后建成，主梁結(jié)構(gòu)大部分設(shè)計(jì)為鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，少數(shù)幾座橋主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼桁梁的鋼結(jié)構(gòu)形式。同年我國首次成功建造了跨度超1 000 m的斜拉橋，標(biāo)志著我國斜拉橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)在超大跨度上取得突破，2008年成為我國斜拉橋建設(shè)歷史的突破年。

1.2 斜拉橋主梁建造方法

每座斜拉橋在設(shè)計(jì)和建造過程中都有其難點(diǎn)和復(fù)雜性，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，我國已建成的斜拉橋中除貴黔高速鴨池河大橋鋼桁梁采用纜索吊機(jī)進(jìn)行預(yù)制節(jié)段梁懸拼施工外，其它跨度超700 m的斜拉橋主梁在建造過程中均采用了橋面吊機(jī)起升預(yù)制節(jié)段梁進(jìn)行懸拼施工的方法，斜拉橋主梁施工采用的裝備見表2所示。

表2 斜拉橋主梁施工采用的裝備統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，我國2019年之前建成的斜拉橋預(yù)制節(jié)段鋼梁單體重量幾乎都在500 t以下，2019年以后建成的斜拉橋，預(yù)制節(jié)段鋼梁單體重量突破了1 000 t，特別是滬通長江大橋，其預(yù)制節(jié)段鋼梁單體重量突破了1 600 t。隨著吊裝重量的增加，橋面吊機(jī)自身重量相應(yīng)的增大，就目前統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果，橋面吊機(jī)自重一般為其起重量的一半左右，這無疑給橋面吊機(jī)及相應(yīng)的橋梁設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)和要求[4-5]。

2 橋面吊機(jī)的分類及功能比較[6-7]

2.1 橋面吊機(jī)的分類

橋面吊機(jī)按動力源分類，可分為卷揚(yáng)機(jī)動力源和液壓千斤頂動力源兩類。

以卷揚(yáng)機(jī)為動力源的橋面吊機(jī)，一般把卷揚(yáng)機(jī)設(shè)置在橋面吊機(jī)后部的下橫縱梁主結(jié)構(gòu)之上，采用鋼絲繩傳力方式，通過導(dǎo)向滑輪改變鋼絲繩方向，與調(diào)繩動滑輪及吊具配合，實(shí)現(xiàn)對預(yù)制節(jié)段梁的起升，靠卷揚(yáng)機(jī)自身的制動功能保障整機(jī)吊裝工作的安全。卷揚(yáng)機(jī)動力源橋面吊機(jī)如圖1所示。

以液壓千斤頂為動力源的橋面吊機(jī)，液壓千斤頂通常設(shè)置在橋面吊機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)上縱梁之上，采用鋼絞線直接與吊具連接，不需要導(dǎo)向滑輪，就可實(shí)現(xiàn)對預(yù)制節(jié)段梁的垂直起升。此類型橋面吊機(jī)需為鋼絞線配置收線盤，靠液壓千斤頂自帶的錨具錨固力保障整機(jī)吊裝工作的安全。液壓千斤頂動力源橋面吊機(jī)如圖2所示。

圖1 卷揚(yáng)機(jī)動力源橋面吊機(jī)

圖2 液壓千斤頂動力源橋面吊機(jī)

2.2 兩種類型動力源橋面吊機(jī)比較

卷揚(yáng)機(jī)動力源橋面吊機(jī)和液壓千斤頂動力源橋面吊機(jī)各有特點(diǎn)，兩者比較見表3所示。

3 橋面吊機(jī)主要結(jié)構(gòu)[8-13]

3.1 桁架支撐結(jié)構(gòu)

橋面吊機(jī)桁架支撐結(jié)構(gòu)形式多樣，市場上出現(xiàn)過步履變幅式、組合梁式、桁架式等結(jié)構(gòu)形式。目前使用比較廣泛的支撐結(jié)構(gòu)為菱形桁架式，根據(jù)施工需要，可設(shè)計(jì)成單機(jī)單吊點(diǎn)桁架，見圖3所示。這種桁架結(jié)構(gòu)一般在上縱梁懸臂頂端設(shè)置一個吊點(diǎn)，起升較小噸位預(yù)制節(jié)段梁，施工橋面寬度較小橋梁，其最大起升重量約120 t。

圖3 單機(jī)單吊點(diǎn)桁架

表3 兩種動力源橋梁吊機(jī)特點(diǎn)比較

單機(jī)雙吊點(diǎn)桁架，見圖4所示。這種桁架結(jié)構(gòu)在上縱梁懸臂頂端設(shè)置兩個吊點(diǎn)，起升較大噸位預(yù)制節(jié)段梁，施工橋面較寬的橋梁，其最大起升重量約200 t。

雙機(jī)并聯(lián)三吊點(diǎn)桁架，見圖5所示。這種結(jié)構(gòu)桁架由兩個橋面吊機(jī)并聯(lián)成一個超大吊機(jī)，上縱梁懸臂頂端設(shè)置一個分配梁和3個吊點(diǎn)，起吊超大噸位預(yù)制節(jié)段梁，施工超寬斷面橋梁用，其最大起升重量可達(dá)1 800 t左右。

3.2 橋面吊機(jī)走行系統(tǒng)

橋面吊機(jī)施工完成一個預(yù)制節(jié)段梁吊裝懸拼工作之后，整機(jī)需移動到下一工作面繼續(xù)循環(huán)施工，橋面吊機(jī)自重大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除少數(shù)橋面吊機(jī)采用履帶式移動外，大部分橋面吊機(jī)整機(jī)采用軌道步進(jìn)滑移的移動方式移動，滑移動力為液壓千斤頂。在移動前完成整機(jī)自重從橋面支撐到軌道面支撐的轉(zhuǎn)換，移動到位后，吊裝工作前完成整機(jī)自重從軌道面支撐到橋面支撐的轉(zhuǎn)換。

圖4 單機(jī)雙吊點(diǎn)桁架

圖5 雙機(jī)并聯(lián)三吊點(diǎn)桁架

橋面吊機(jī)軌道布置形式分兩軌道、三軌道、四軌道三種。

兩軌道布置形式如圖6所示，每根軌道前后為通長，整體移動，軌道較長，重量較大，移動需要約100 t左右較大水平推力。

圖6 兩軌道布置形式

三軌道布置形式如圖7所示，軌道布置為前二后一，后部軌道設(shè)置在橋面吊機(jī)結(jié)構(gòu)中心線處，前部兩軌道設(shè)置在兩側(cè)下縱梁下方，橋面吊機(jī)在液壓缸的推動下，通過軌道交替倒換前移，實(shí)現(xiàn)整機(jī)在軌道面步進(jìn)式滑動前移。相對兩軌道布置形式，三軌道布置形式可減少整個軌道用量，減輕軌道重量，減小水平推力，整機(jī)移動需要約50 t左右水平推力。橋面吊機(jī)后部兩邊角處需設(shè)置穩(wěn)定支點(diǎn)。

圖7 三軌道布置形式

四軌道布置方式如圖8所示，軌道布置為前后各兩條，前后部軌道均設(shè)置在兩側(cè)下縱梁下方，橋面吊機(jī)在液壓缸的推動下，通過軌道交替倒換前移，實(shí)現(xiàn)整機(jī)在軌道面步進(jìn)式滑動前移。這種軌道布置方式同樣可以減少軌道用量，減輕軌道重量，減小水平前移推力，其水平移動需要約30 t左右水平推力。

圖8 四軌道布置形式

3.3 橋面吊機(jī)吊具系統(tǒng)

根據(jù)工程實(shí)際，預(yù)制節(jié)段梁拼裝普遍采用主吊具配合副吊具進(jìn)行吊裝，鋼筋混凝土預(yù)制節(jié)段梁吊裝通過預(yù)應(yīng)力鋼筋與副吊具進(jìn)行錨固連接；鋼箱梁或鋼桁梁預(yù)制節(jié)段梁一般在橋面頂板設(shè)置吊耳，通過吊耳與副吊具連接。吊具根據(jù)吊裝需要結(jié)構(gòu)尺寸有所不同，每個吊具都具有獨(dú)立的千斤頂重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可對預(yù)制節(jié)段梁進(jìn)行水平角度的微調(diào)，方便預(yù)制節(jié)段梁的對位安裝。鋼桁梁和鋼箱梁預(yù)制節(jié)段梁起升吊具系統(tǒng)如圖9、圖10所示。

圖9 鋼桁梁起升吊具 圖10 鋼箱梁起升吊具

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁吊具如圖11所示。

3.4 橋面吊機(jī)錨固、控制、電氣、液壓系統(tǒng)

后錨是橋面吊機(jī)受力的關(guān)鍵部位，在梁段吊裝荷載條件下保持上舉狀態(tài)，后錨固點(diǎn)一般利用預(yù)制節(jié)段梁梁面預(yù)留的臨時吊點(diǎn)進(jìn)行錨固。為了整機(jī)安全高效工作，整機(jī)控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)盡量選用知名廠家生產(chǎn)的質(zhì)量上乘元器件，保證元器件能穩(wěn)定可靠的工作。

圖11 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁吊具

4 我國橋面吊機(jī)目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢[4-5,14-15]

4.1 橋面吊機(jī)存在的問題

我國2019年建成的滬通長江大橋，其主跨達(dá)到1 092 m，最大單體節(jié)段預(yù)制梁重達(dá)到1 630 t。平潭公鐵兩用海峽大橋單體節(jié)段預(yù)制梁重量超過1 000 t。盡管我國在橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)和使用方面取得了一定的成績，但橋面吊機(jī)的發(fā)展還存在如下不足：

(1)大噸位橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)自重較大，導(dǎo)致斜拉橋梁設(shè)計(jì)考慮橋面吊機(jī)重量因素過多，造成整個橋梁設(shè)計(jì)冗余過大，造成材料浪費(fèi)。

(2)大噸位橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)動力源大多采用卷揚(yáng)機(jī)動力源方式，在液壓千斤頂動力源使用上設(shè)計(jì)還沒有取得相應(yīng)的突破。

(3)新材料、新技術(shù)、智能化在橋面吊機(jī)的設(shè)計(jì)中鮮有使用。

4.2 橋面吊機(jī)發(fā)展趨勢

未來我國斜拉橋建設(shè)將朝著超1 000 m的超大跨度設(shè)計(jì)、超大節(jié)段工廠工業(yè)化預(yù)制、超大重量預(yù)制節(jié)段現(xiàn)場吊裝懸拼施工的趨勢發(fā)展。而與之相適應(yīng)的斜拉橋主梁吊裝施工裝備橋面吊機(jī)，其自身也將向具備輕量化、超大噸位起吊能力、自動化、智能化、信息化方向發(fā)展。

在橋面吊機(jī)設(shè)計(jì)上，輕質(zhì)高強(qiáng)新材料的研究使用必將成為未來研究的重點(diǎn)方向，采用輕質(zhì)高強(qiáng)新材料替換目前采用的各類型鋼材等主要受力結(jié)構(gòu)，可明顯減輕整機(jī)自重，減少橋梁設(shè)計(jì)中考慮橋面吊機(jī)自重產(chǎn)生的冗余量，大大節(jié)省橋梁建造材料，將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國液壓千斤頂技術(shù)、錨固技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展，以液壓千斤頂為動力源的起吊能力超1 000 t的超大噸位輕量化橋面吊機(jī)一定會迎來成功的突破和發(fā)展。