周衍領

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

近年來，隨著我國橋梁建設的飛速發(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、鋼桁梁為主要結構形式的主梁施工，近年來大多采用預制節(jié)段懸拼的施工方法。橋面吊機是斜拉橋主梁預制節(jié)段懸拼施工中使用的主要特種裝備，橋面吊機自身具有一定的結構強度和懸臂高度，工作時后方錨固在橋面上，通過起吊系統(tǒng)起升預制節(jié)段梁，在我國還出現(xiàn)了利用橋面吊機施工懸索橋的成功案例。橋面吊機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、交通運輸限制等綜合因素進行系統(tǒng)設計研發(fā)。橋面吊機的使用不僅提高了建造斜拉橋的施工效率，而且為斜拉橋設計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計、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 橋面吊機在我國斜拉橋建設中的應用

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的斜拉試驗橋以來，40多a過去了，這種在二次大戰(zhàn)后復興的橋型，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)計如表1所示。

表1 我國已建成部分跨度較大斜拉橋統(tǒng)計

從統(tǒng)計結果看，我國跨度超過700 m的斜拉橋大多在2008年之后建成，主梁結構大部分設計為鋼箱梁結構形式，少數(shù)幾座橋主梁結構設計為鋼桁梁的鋼結構形式。同年我國首次成功建造了跨度超1 000 m的斜拉橋，標志著我國斜拉橋設計施工技術在超大跨度上取得突破，2008年成為我國斜拉橋建設歷史的突破年。

1.2 斜拉橋主梁建造方法

每座斜拉橋在設計和建造過程中都有其難點和復雜性，經(jīng)統(tǒng)計，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進行預制節(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起升預制節(jié)段梁進行懸拼施工的方法，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

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，我國2019年之前建成的斜拉橋預制節(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，橋面吊機自身重量相應的增大，就目前統(tǒng)計和分析結果，橋面吊機自重一般為其起重量的一半左右，這無疑給橋面吊機及相應的橋梁設計提出了更高的挑戰(zhàn)和要求[4-5]。

2 橋面吊機的分類及功能比較[6-7]

2.1 橋面吊機的分類

橋面吊機按動力源分類，可分為卷揚機動力源和液壓千斤頂動力源兩類。

以卷揚機為動力源的橋面吊機，一般把卷揚機設置在橋面吊機后部的下橫縱梁主結構之上，采用鋼絲繩傳力方式，通過導向滑輪改變鋼絲繩方向，與調(diào)繩動滑輪及吊具配合，實現(xiàn)對預制節(jié)段梁的起升，靠卷揚機自身的制動功能保障整機吊裝工作的安全。卷揚機動力源橋面吊機如圖1所示。

以液壓千斤頂為動力源的橋面吊機，液壓千斤頂通常設置在橋面吊機懸臂結構上縱梁之上，采用鋼絞線直接與吊具連接，不需要導向滑輪，就可實現(xiàn)對預制節(jié)段梁的垂直起升。此類型橋面吊機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吊裝工作的安全。液壓千斤頂動力源橋面吊機如圖2所示。

圖1 卷揚機動力源橋面吊機

圖2 液壓千斤頂動力源橋面吊機

2.2 兩種類型動力源橋面吊機比較

卷揚機動力源橋面吊機和液壓千斤頂動力源橋面吊機各有特點，兩者比較見表3所示。

3 橋面吊機主要結構[8-13]

3.1 桁架支撐結構

橋面吊機桁架支撐結構形式多樣，市場上出現(xiàn)過步履變幅式、組合梁式、桁架式等結構形式。目前使用比較廣泛的支撐結構為菱形桁架式，根據(jù)施工需要，可設計成單機單吊點桁架，見圖3所示。這種桁架結構一般在上縱梁懸臂頂端設置一個吊點，起升較小噸位預制節(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 單機單吊點桁架

表3 兩種動力源橋梁吊機特點比較

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

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

3.2 橋面吊機走行系統(tǒng)

橋面吊機施工完成一個預制節(jié)段梁吊裝懸拼工作之后，整機需移動到下一工作面繼續(xù)循環(huán)施工，橋面吊機自重大，結構復雜，除少數(shù)橋面吊機采用履帶式移動外，大部分橋面吊機整機采用軌道步進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自重從軌道面支撐到橋面支撐的轉(zhuǎn)換。

圖4 單機雙吊點桁架

圖5 雙機并聯(lián)三吊點桁架

橋面吊機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，后部軌道設置在橋面吊機結構中心線處，前部兩軌道設置在兩側(cè)下縱梁下方，橋面吊機在液壓缸的推動下，通過軌道交替倒換前移，實現(xiàn)整機在軌道面步進式滑動前移。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，整機移動需要約50 t左右水平推力。橋面吊機后部兩邊角處需設置穩(wěn)定支點。

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，前后部軌道均設置在兩側(cè)下縱梁下方，橋面吊機在液壓缸的推動下，通過軌道交替倒換前移，實現(xiàn)整機在軌道面步進式滑動前移。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 橋面吊機吊具系統(tǒng)

根據(jù)工程實際，預制節(jié)段梁拼裝普遍采用主吊具配合副吊具進行吊裝，鋼筋混凝土預制節(jié)段梁吊裝通過預應力鋼筋與副吊具進行錨固連接；鋼箱梁或鋼桁梁預制節(jié)段梁一般在橋面頂板設置吊耳，通過吊耳與副吊具連接。吊具根據(jù)吊裝需要結構尺寸有所不同，每個吊具都具有獨立的千斤頂重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可對預制節(jié)段梁進行水平角度的微調(diào)，方便預制節(jié)段梁的對位安裝。鋼桁梁和鋼箱梁預制節(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

預應力鋼筋混凝土箱梁吊具如圖11所示。

3.4 橋面吊機錨固、控制、電氣、液壓系統(tǒng)

后錨是橋面吊機受力的關鍵部位，在梁段吊裝荷載條件下保持上舉狀態(tài)，后錨固點一般利用預制節(jié)段梁梁面預留的臨時吊點進行錨固。為了整機安全高效工作，整機控制系統(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 預應力鋼筋混凝土箱梁吊具

4 我國橋面吊機目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢[4-5,14-15]

4.1 橋面吊機存在的問題

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

(1)大噸位橋面吊機設計自重較大，導致斜拉橋梁設計考慮橋面吊機重量因素過多，造成整個橋梁設計冗余過大，造成材料浪費。

(2)大噸位橋面吊機設計動力源大多采用卷揚機動力源方式，在液壓千斤頂動力源使用上設計還沒有取得相應的突破。

(3)新材料、新技術、智能化在橋面吊機的設計中鮮有使用。

4.2 橋面吊機發(fā)展趨勢

未來我國斜拉橋建設將朝著超1 000 m的超大跨度設計、超大節(jié)段工廠工業(yè)化預制、超大重量預制節(jié)段現(xiàn)場吊裝懸拼施工的趨勢發(fā)展。而與之相適應的斜拉橋主梁吊裝施工裝備橋面吊機，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。

在橋面吊機設計上，輕質(zhì)高強新材料的研究使用必將成為未來研究的重點方向，采用輕質(zhì)高強新材料替換目前采用的各類型鋼材等主要受力結構，可明顯減輕整機自重，減少橋梁設計中考慮橋面吊機自重產(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)濟效益。隨著我國液壓千斤頂技術、錨固技術和新材料技術的發(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一定會迎來成功的突破和發(fā)展。