跨在建铁路深路堑大跨箱梁多机协同吊装技术

石运庆

(中铁十六局集团铁运工程有限公司,河北 高碑店 276200)

新建铁路路堑地段与既有低等级公路的立体交叉工程,常用的实施方法是中断既有公路,待铁路路堑主体工程完工后,修建上跨铁路路堑公路桥恢复既有公路工程。上跨在建铁路深路堑公路桥梁的吊装由于起重机走行范围小,吊臂作业空间受限,作业半径和吊装高度要求高,因此吊装作业难度大、安全风险高。目前相关研究未见报道。有部分学者研究了上跨既有铁路公路桥梁吊装技术。古兰玉[1]结合具体工程分别研究了上跨铁路运营线高架桥梁单机吊装、双机吊装的顺序和作业流程;马雪梅[2]研究了京沪高速铁路钢盖梁的吊装施工参数、各工况起重机负荷率、施工质量控制措施;王雨楠[3]针对跨线高架箱梁桥施工区域交通复杂、施工环境受限等特点,研究了复杂吊装条件下跨线高架箱梁桥的起重机选型及吊装顺序。本文结合工程实例,提出了堑顶、路基面多工位多台起重机协同炮车喂梁的架设方法,实现了大跨度、大重量箱梁的平移吊装，研究了架设方案、工艺流程和主要施工参数,进行了吊装安全性分析。

1 工程概况

横山区境内张庙梁村东侧既有村道与新建靖神铁路于DK166+929处交叉。该段铁路为深路堑地段,路堑边坡高27.7 m,路堑边坡分四级,边坡坡率为1∶1.25。依据设计,铁路路堑主体工程完工后,修建上跨铁路公路桥恢复既有公路工程。桥址概况示意图如图1所示。

图1 桥址概况示意图

上跨公路桥为先简支后连续预应力钢筋混凝土连续箱梁桥,桥跨布置为3×40 m,与铁路交叉角度为90°。桥宽7 m,每跨横向布置2片箱梁,梁宽3.1 m,桥墩高度25.7 m。公路桥桥型布置图如图2所示。在铁路DK166+800右侧及DK166+900左侧分别设2个制梁场,修便道至既有道路,通过既有道路运至桥头堑顶架设。

图2 公路桥桥型布置图

由于箱梁长度长、重量大,且由堑顶运达,所以箱梁属于平移吊装。如使用堑顶起重机吊装作业半径过大,难以实现;如使用路基起重机吊装,由于坡脚距桥台的横向距离达43 m、垂直高度达27.7 m,起重机作业半径和吊装高度均过大,难以实现。另外,由于起重机在深路堑内作业,且作业范围内有桥墩,加之多机吊装过程需要转换吊点,因此吊臂与桥墩、梁之间,以及起重机吊臂之间发生碰撞的风险高。

2 施工方案研究

2.1 架设方法

常用的简支箱梁架设方法有架桥机法[4]、现浇法[5]和吊装法[6]。

采用预制梁的形式上跨铁路营业线时,一般采用架桥机或起重机架梁。铁路管理部门基于对铁路营业线安全考虑,在条件允许的前提下,一般优先选择架桥机架梁方式。不具备架桥机架梁条件时,可以考虑采用起重机架梁方式。

架桥机法适用于跨数较多的箱梁架设。本工程跨数较少,仅为三跨且吊装现场交通不便,若采用架桥机施工,需要修建施工便道、拼装平台;此外,架桥机组装、拆卸需要大吨位起重机配合,配备较多的专业人员,工程成本较大。现浇施工法现场作业量大,与边坡防护、排水工程存在交叉作业,也影响后续工序的开展,难以保证工期。起重机吊装法现场作业量小,对在建铁路工程施工影响小;通过平行作业,可尽早开通公路,对地方交通影响小。因此,本工程采用起重机吊装方案,起重设备采用全地面汽车式起重机。

2.2 吊装顺序

箱梁吊装顺序总体上采用先左边跨后中跨最后右边跨的吊装顺序,即先吊装左边跨箱梁,再吊装中跨箱梁,后吊装右边跨箱梁。对于每一跨,从一侧起依次吊装。

2.3 吊装方案

采用堑顶、路基面多工位多台起重机协同炮车喂梁的架设方法。

对于边跨箱梁,用炮车由桥头既有道路倒推递送箱梁,接近堑顶时炮车尾部撤离,由堑顶起重机配合炮车平移箱梁,炮车接近堑顶时,进行吊点转换,炮车撤离,由路基起重机和堑顶起重机多机协同作业平移箱梁就位。

对于中跨箱梁,用炮车沿桥头既有道路及已架设箱梁倒推递送箱梁,由位于路基面工位的多台起重机配合炮车平移箱梁就位。

3 吊装工艺流程

3.1 边跨箱梁吊装工艺流程

边跨箱梁吊装采用堑顶、路基面多工位多台起重机协同炮车喂梁的架设方法,以右边跨箱梁吊装为例,其工艺原理为:用炮车由桥头既有道路倒推递送箱梁,梁左端接近堑顶时堑顶工位上的起重机A钩吊箱梁左端吊点,炮车尾部撤离;堑顶起重机A配合炮车继续平移递送箱梁;炮车接近堑顶时,路基工位上的起重机B、C通过平衡梁钩吊箱梁左端吊点,起重机A摘钩并钩吊箱梁右端吊点,实现吊点转换后,炮车撤离;由堑顶工位起重机A与路基工位起重机B、C三机协同操作,平移箱梁就位。吊装工艺流程如图3所示。吊装过程示意图如图4所示。

图3 三机协同炮车喂梁吊装工艺流程图

图4 边跨箱梁吊装过程示意图

3.2 中跨箱梁吊装工艺流程

中跨箱梁采用路基工位双起重机协同炮车喂梁平移法吊装,其工艺原理为:用炮车沿桥头既有道路及已架设箱梁倒推递送箱梁,梁左端接近右边跨箱梁左端时,路基工位上的起重机B钩吊箱梁左端吊点,炮车尾部撤离;起重机B配合炮车继续平移递送箱梁;炮车接近右边跨箱梁左端时,路基工位上的起重机C钩吊箱梁左端吊点,起重机B摘钩并钩吊箱梁右端吊点,实现吊点转换后,炮车撤离;由路基工位起重机B、C双机协同操作,平移箱梁就位。吊装工艺流程如图5所示。吊装过程示意图如图6所示。

图5 双机协同炮车喂梁吊装工艺流程图

图6 中跨箱梁吊装过程示意图

4 主要施工参数研究

预制箱梁属于简支构件,为了保证吊装过程中箱梁的受力点及受力状态与其使用时保持一致,采用平行吊装两点吊,保证箱梁吊装过程中吊点处受力均衡以及吊梁和落梁时的稳定性。

吊点距物体两端的距离以箱梁自身力矩平衡为计算标准,即保证吊点处正负弯矩相等。因此,2个吊点分别设于距梁端0.2L处，如图7所示。吊点采用钢丝绳捆绑兜吊式,本工程各片箱梁重量均为161.2 t,双机抬吊情况下2个吊点的理论承重量均为80.6 t。

图7 箱梁吊点示意图

4.1 起重机选型

起重机选型的目的是根据吊装任务确定起重机具体型号,使起重机的作业半径、起升高度、起升重量等参数满足作业工况要求。本工程采用双机吊装,起重机应尽量选择相同型号,若两台起重机型号不同,则应尽可能选择相近的工作速度,便于协同操作。

首先确定被吊物的计算荷载Gj:

Gj=K1K2G0

(1)

式中:G0为被吊物的重量、吊耳及索具重之和,t,取82.6 t;K1为动载系数,取1.1;K2为双机抬吊不均衡系数,取1.2,计算可得Gj=109.0 t。

然后根据起重机参数性能表,选择额定起重量Q≥Gj。在满足起升重量的前提下,根据吊装高度H和场地情况,选择吊臂长度L和工作半径R。根据吊装工艺,分不同工况计算各起重机的作业半径及起升高度。各工况起重机性能参数见表1。

表1 各工况起重机性能参数需求表

根据上述起重机性能参数的要求,查阅不同吨位起重机性能表进行对比分析,在满足起升重量要求的前提下考虑经济性因素,起重机A选用QAY200型起重机,起重机B、C选用QAY650型起重机。

4.2 钢丝绳选型

钢丝绳选型要同时满足文献[8]和文献[9]相关要求。

根据文献[8],粗直径钢丝绳的使用标准为:

(2)

式中:D为吊装钢丝绳应满足的最小直径(mm);Q为起重机承受重量(t);β为载荷分配系数,一般取66%。考虑双机抬吊不均衡系数K,一般取1.2,多机抬吊工况下取Q=80.6×1.2=96.7 t,根据式(2)计算可得Dmin应达到60 mm。

根据文献[9],单侧单股钢丝绳受力FN按下式计算:

(3)

式中:1.05为夹角系数;Q为起重机吊索承受重量(t),取97.2 t。计算可得FN=25.4 t。拉力总和

Zn=K×FN

(4)

式中,k为起重吊装钢丝绳安全系数,取10。计算可得,拉力总和Zn=2489.2 kN。钢丝绳为纤维芯,故需要对其破断拉力进行换算,换算式如下：

(5)

式中：α为换算系数,取1.226,可得钢丝绳破断拉力为Z=2 030.3 kN。根据文献[8],破断拉力：

(6)

式中：Z为破断拉力，kN;FC为钢丝绳抗拉强度,取1670 kg/mm2,计算可得D=65 mm。

经上述分析与计算,钢丝绳选取Φ65-6×19zs+FC-1 670。

4.3 支腿地基承载力

由吊装方案可知,起重机A、B承重量相等。单个起重机地基的总承重N按下式计算：

(7)

式中：γG、γQ为静、动荷载组合系数,分别取1.2、1.4;G0为起重机自重、超起配重、吊索及索具重量之和，kN,对于起重机B、C型号形同,G0=2 855.7 kN;GL为箱梁重量为789.9 kN。计算可得总承重N=3 979.8 kN。

假定起重机四个支腿受力均匀,每个支腿施加于地基的平均压应力为：

(8)

式中：A为起重机支腿钢垫板面积，m2；支腿垫板采用2.5 m×3.0 m×0.05 m钢板。计算可得,p=132.7 kPa。

考虑到上跨铁路架梁施工,取1.2倍的安全系数,则作业场地承载力要求为fa≥1.2p=159.2 kPa。如现场地基承载力不满足上述要求,可采用夯实或换填等处理措施。

5 吊装安全性分析

为保证起重机在吊装过程中的稳定,需要对起重机的抗倾覆稳定性进行分析。根据文献[10],起重机抗倾覆稳定性标准为：

∑M=KG·MG+KQ·MQ+KW·MW≥0

(9)

式中：∑M为抗倾覆力矩；KG为自重加权系数,取1;KQ为起升荷载加权系数,取1.15;KW为风动载加权系数,取1;MG、MQ、MW分别起重机自重、起升荷载、风荷载对倾覆边的力矩，kN·m。起重机工作受力简图如图8所示。

图8 起重机工作受力简图

图8中,G为起重机自重,kN;

Q为起升物重量,kN;

W为风动载(kN),按起升物重量的20%考虑;

a为起重机重心至支脚倾覆支点的距离,m;

R为为起重机作业半径,m;

h为风动载合力点高度,m。

QAY650型起重机G=291.4 t,a=5 m,最不利工况下R=40 m,Q=20.7 t,W=4.14 t,风动载合力点取吊物重心,h=26.7 m,计算可得∑M=513.3 kN·m>0,满足要求。

同理,对QAY200型起重机,∑M=77.3kN·m>0,满足要求。

6 结 论

(1) 上跨在建铁路深路堑公路桥大跨箱梁架设宜采用起重机吊装方案。

(2) 采用堑顶、路基面多工位多台起重机协同炮车喂梁的方法可以解决上跨在建铁路深路堑公路桥箱梁架设时,由于梁长度长、重量大,起重机平移吊装困难的问题。

(3) Φ65-6×19zs+FC-1670选用QAY200型和QAY650型起重机,型钢丝绳可满足吊装能力需求,并保证作业安全。地基承载力需达到159．2 kPa。

(4) 起重机抗倾覆稳定性满足要求,能保证施工的安全性。

(5) 实践证明,上跨在建铁路深路堑公路桥大跨箱梁多机协同吊装技术方法新颖、实用、安全可靠,应用效果良好。