熊華濤

(中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司 河北高碑店 074000)

1 引言

新建鐵路路塹地段與既有低等級(jí)公路的立體交叉工程，常用的解決方法是中斷既有公路，待鐵路路塹主體工程完工后，修建上跨鐵路路塹公路橋恢復(fù)既有公路工程。上跨在建鐵路深路塹公路橋梁的吊裝由于起重機(jī)走行區(qū)域小、吊臂作業(yè)空間受限、吊裝距離和高度要求高，因此吊裝作業(yè)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。目前，相關(guān)研究鮮有報(bào)道。馬雪梅[1]研究了上跨京滬高速鐵路鋼蓋梁吊裝施工參數(shù)、各工況起重機(jī)負(fù)荷率、施工質(zhì)量控制措施；古蘭玉[2]結(jié)合工程實(shí)例分別研究了上跨鐵路營(yíng)業(yè)線高架橋梁?jiǎn)螜C(jī)吊裝、雙機(jī)吊裝的順序和作業(yè)流程；王雨楠[3]針對(duì)跨線高架箱梁橋施工區(qū)域交通復(fù)雜、施工范圍受限等特點(diǎn)，研究了復(fù)雜吊裝條件下跨線高架箱梁橋的起重機(jī)選型及吊裝順序。本文結(jié)合工程實(shí)例，提出雙機(jī)協(xié)同分步提升法和雙機(jī)協(xié)同一次就位吊裝法，分別用于上跨在建鐵路深路塹公路橋的邊跨和中跨梁吊裝施工。通過(guò)設(shè)置梁體吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換工位，經(jīng)空中換鉤、起重機(jī)工位轉(zhuǎn)移及吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換等一系列作業(yè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了邊跨箱梁的遠(yuǎn)距離、大高度提升吊裝。對(duì)吊裝過(guò)程主要施工參數(shù)進(jìn)行研究，并計(jì)算分析起重機(jī)吊裝的安全性。

2 工程概況與施工難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

橫山區(qū)寇墩村側(cè)既有道路與新建靖神鐵路于DK169＋475處交叉。該段鐵路為路塹地段，路塹邊坡高14 m，邊坡坡率為1:1，路塹邊坡分兩級(jí)，邊坡平臺(tái)寬2 m。依據(jù)設(shè)計(jì)，鐵路路塹主體工程完工后，修建上跨鐵路公路橋恢復(fù)既有公路工程。橋址概況如圖1所示。上跨公路橋?yàn)橄群?jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋，橋跨布置為3×20 m，橋梁軸線與鐵路右前夾角120°。橋?qū)? m，每跨橫向布置兩片箱梁，梁寬3.1 m，橋墩高度12 m。公路橋橋型布置如圖2所示。在鐵路DK169＋600線路左側(cè)設(shè)梁場(chǎng)，通過(guò)運(yùn)梁便道運(yùn)至橋址架設(shè)。

圖1 橋址概況示意

圖2 公路橋橋型布置(單位:cm)

2.2 施工難點(diǎn)

(1)吊裝距離和高度要求高。本橋地處深路塹，邊坡高14 m，坡腳至橋臺(tái)支座的橫向距離為16 m。因此，吊裝最大距離和高度分別達(dá)到25.0 m和20.6 m。

(2)起重機(jī)走行區(qū)域小。橋址處路基寬度僅10 m，且兩個(gè)橋墩布置于路基面范圍內(nèi)，公路橋與鐵路呈較小夾角，可供起重機(jī)走行的區(qū)域狹小。

(3)起重機(jī)作業(yè)過(guò)程碰撞風(fēng)險(xiǎn)高。由于起重機(jī)在深路塹內(nèi)作業(yè)，且作業(yè)范圍內(nèi)有橋墩，加之雙機(jī)吊裝過(guò)程需要經(jīng)過(guò)梁體調(diào)轉(zhuǎn)、空中換鉤、工位轉(zhuǎn)換等協(xié)同作業(yè)，因此吊臂與橋墩、梁之間，以及起重機(jī)吊臂之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)高。

3 施工方案研究

(1)架設(shè)方法比選

常用的簡(jiǎn)支箱梁架設(shè)方法有架橋機(jī)法[4]、現(xiàn)澆法[5]和吊裝法[6-8]。

架橋機(jī)法適用于跨數(shù)較多的箱梁架設(shè)。本工程跨數(shù)較少，僅為三跨且吊裝現(xiàn)場(chǎng)交通不便，若采用架橋機(jī)施工，需要修建施工便道、拼裝平臺(tái)；此外，架橋機(jī)組裝、拆卸需要大噸位起重機(jī)配合，配備較多的專業(yè)人員，工程成本較大。現(xiàn)澆施工法現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大，與邊坡防護(hù)、排水工程存在交叉作業(yè)，也影響后續(xù)工序的開展，難以保證工期。起重機(jī)吊裝法現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量小，對(duì)在建鐵路工程施工影響?。煌ㄟ^(guò)平行作業(yè)，可盡早開通公路，對(duì)地方交通影響小。因此，本工程采用起重機(jī)吊裝方案，起重設(shè)備采用全地面汽車式起重機(jī)。

(2)吊裝順序

由于邊跨吊裝受路塹邊坡的制約，吊裝難度大。為避免中跨的影響，總體上采用先邊跨后中跨的吊裝順序，即先吊裝一端邊跨箱梁，再吊裝另一端邊跨箱梁，最后吊裝中跨箱梁[9]。對(duì)于每一跨，從一側(cè)起依次吊裝。

(3)邊跨箱梁吊裝方案

邊跨箱梁吊裝的難點(diǎn)在于坡腳至橋臺(tái)的橫向距離16 m、垂直高度14 m，如果一次吊裝到位，起重機(jī)的作業(yè)半徑至少要達(dá)到25 m，同時(shí)還要滿足起升重量的要求，對(duì)起重機(jī)的技術(shù)性能要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

為了保證吊裝安全、降低施工成本，提出了雙機(jī)協(xié)同分步提升法，即炮車運(yùn)梁至吊裝區(qū)域，先使用位于路基上的兩臺(tái)起重機(jī)抬吊箱梁，以邊坡平臺(tái)作為轉(zhuǎn)換工位，進(jìn)行吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換；然后，其中一臺(tái)起重機(jī)轉(zhuǎn)移至塹頂，塹頂起重機(jī)和路基起重機(jī)協(xié)同吊梁就位。

(4)中跨箱梁吊裝方案

中跨箱梁采用雙機(jī)協(xié)同一次就位吊裝法，即炮車運(yùn)梁至吊裝區(qū)域，兩臺(tái)起重機(jī)在鐵路路基上就位后進(jìn)行雙機(jī)抬吊提升箱梁一次到位后落梁完成吊裝。

4 吊裝工藝流程

(1)邊跨箱梁吊裝工藝流程

邊跨箱梁采用雙機(jī)協(xié)同分步提升法進(jìn)行吊裝。其工藝原理為:通過(guò)運(yùn)梁炮車將箱梁運(yùn)至吊裝區(qū)域，兩臺(tái)起重機(jī)A、B均位于路基上，根據(jù)作業(yè)工況及起重機(jī)性能參數(shù)確定站位；起重機(jī)A、B分別鉤吊箱梁左、右端，進(jìn)行試吊，確認(rèn)安全穩(wěn)定后，開始吊裝；雙機(jī)抬起箱梁后進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作至順橋方向，雙機(jī)協(xié)同操作提升箱梁至邊坡平臺(tái)高度，將箱梁一端平穩(wěn)置于設(shè)置在路塹邊坡平臺(tái)的臨時(shí)支撐點(diǎn)；起重機(jī)B摘鉤并鉤吊在梁的左端；起重機(jī)A摘鉤收車，轉(zhuǎn)移至塹頂?shù)跹b工位，并鉤吊在梁的右端；雙機(jī)協(xié)同再次提升箱梁，至安裝位置后落梁完成吊裝。吊裝施工工藝流程見(jiàn)圖3，吊裝過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖3 雙機(jī)協(xié)同分步提升法工藝流程

圖4 邊跨箱梁吊裝過(guò)程示意

(2)中跨箱梁吊裝工藝流程

中跨箱梁采用雙機(jī)協(xié)同一次就位吊裝法進(jìn)行吊裝。其工藝原理為:通過(guò)運(yùn)梁炮車將箱梁運(yùn)至吊裝區(qū)域，兩臺(tái)起重機(jī)A、B均位于路基上，根據(jù)作業(yè)工況及起重機(jī)性能參數(shù)確定站位；起重機(jī)A、B分別鉤吊箱梁左、右端，進(jìn)行試吊，確認(rèn)安全穩(wěn)定后，開始吊裝；雙機(jī)抬起箱梁后進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作至順橋方向，雙機(jī)協(xié)同操作提升箱梁至安裝位置，落梁完成吊裝。吊裝施工工藝流程見(jiàn)圖5，吊裝過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖5 雙機(jī)協(xié)同一次就位吊裝法工藝流程

圖6 中跨箱梁吊裝過(guò)程示意

5 主要施工參數(shù)研究

預(yù)制箱梁屬于簡(jiǎn)支構(gòu)件，為了保證吊裝過(guò)程中箱梁的受力點(diǎn)及受力狀態(tài)與其使用時(shí)保持一致，采用平行吊裝兩點(diǎn)吊，保證箱梁吊裝過(guò)程中吊點(diǎn)處受力均衡以及吊梁和落梁時(shí)的穩(wěn)定性。

吊點(diǎn)距梁體兩端的距離以箱梁自身力矩平衡為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，即保證吊點(diǎn)處正負(fù)彎矩相等。因此，兩個(gè)吊點(diǎn)分別設(shè)于距梁端0.2L處，見(jiàn)圖7。吊點(diǎn)采用鋼絲繩捆綁兜吊式。

圖7 箱梁吊點(diǎn)示意

本工程各片箱梁重量均為62.0 t，雙機(jī)抬吊情況下兩個(gè)吊點(diǎn)的理論承重量均為31.0 t。

5.1 起重機(jī)選型

起重機(jī)選型的目的是根據(jù)吊裝任務(wù)確定起重機(jī)具體型號(hào)，使起重機(jī)的作業(yè)半徑、起升高度、起升重量等參數(shù)滿足作業(yè)工況要求。本工程采用雙機(jī)吊裝，起重機(jī)應(yīng)盡量選擇相同型號(hào)，若兩臺(tái)起重機(jī)型號(hào)不同，則應(yīng)盡可能選擇相近的工作速度，便于協(xié)同操作。

首先確定被吊物的計(jì)算荷載Q≥Gj。

式中，G0為被吊物的重量、吊耳及索具重之和，取33.0 t；K1為動(dòng)載系數(shù)，取1.1；K2為雙機(jī)抬吊不均衡系數(shù)，取1.2。計(jì)算可得Gj＝43.6 t。

根據(jù)起重機(jī)參數(shù)性能表，選擇額定起重量Q≥Gj。在滿足起升重量的前提下，根據(jù)吊裝高度H和場(chǎng)地情況，選擇吊臂長(zhǎng)度L和工作半徑R。根據(jù)吊裝工藝，分不同工況計(jì)算各起重機(jī)的作業(yè)半徑及起升高度。各工況起重機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各工況起重機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)上述起重機(jī)性能參數(shù)的要求，查閱不同噸位起重機(jī)性能表進(jìn)行對(duì)比分析，在滿足起升重量要求的前提下考慮經(jīng)濟(jì)性因素，起重機(jī)A選用QAY200型起重機(jī)，起重機(jī)B選用QAY300型起重機(jī)。

5.2 鋼絲繩選型

鋼絲繩選型要同時(shí)滿足文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]相關(guān)要求。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，粗直徑鋼絲繩的使用標(biāo)準(zhǔn)為:

式中，Dmin為吊裝鋼絲繩應(yīng)滿足的最小直徑(mm)；Q為起重機(jī)吊索承受重量(t)；β為載荷分配系數(shù)，一般取66%?？紤]雙機(jī)抬吊不均衡系數(shù)K，一般取1.2，故雙機(jī)抬吊工況下取每臺(tái)起重機(jī)吊索承受重量Q＝31.0×1.2＝37.2 t，根據(jù)式(2)計(jì)算可得Dmin應(yīng)達(dá)到37.0 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，單側(cè)單股鋼絲繩受力FN按下式計(jì)算:

式中，1.05為夾角系數(shù)；Q為起重機(jī)吊索承受重量(t)，取 37.2 t。計(jì)算可得FN＝9.8 t。

拉力總和:

式中，k為起重吊裝鋼絲繩安全系數(shù)，取8。計(jì)算可得Zn＝784 kN。鋼絲繩材質(zhì)為纖維芯，故需要對(duì)其破斷力進(jìn)行換算，換算式為:

式中，α為換算系數(shù)，取1.226。可得鋼絲繩破斷拉力為Z＝639.5 kN。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，破斷拉力:

式中，Z為破斷拉力(kN)；FC為鋼絲繩抗拉強(qiáng)度，取1 670 kg/mm2。計(jì)算可得D＝36.0 mm。

經(jīng)上述分析與計(jì)算，鋼絲繩選取?37-6×37zs＋FC-1670規(guī)格。

5.3 支腿地基承載力

由吊裝方案可知，起重機(jī)A、B承重量相等。單個(gè)起重機(jī)地基的總承重N按式(7)計(jì)算。

式中，γG、γQ為靜、動(dòng)荷載組合系數(shù)，分別取 1.2、1.4；GL為箱梁重量，為303.8 kN。

G0為起重機(jī)自重、超起配重、吊索及索具重量之和(kN)。對(duì)起重機(jī)A，G0＝1 360 kN；對(duì)起重機(jī)B，G0＝1 520 kN，按照后者進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算可得N＝2 322 kN。

假定起重機(jī)四個(gè)支腿受力均勻，每個(gè)支腿施加于地基的平均壓應(yīng)力為:

式中，A為起重機(jī)支腿鋼墊板面積(m2)，支腿墊板采用2.5 m×3.0 m×0.05 m鋼板。計(jì)算可得，p＝77.4 kPa。

考慮到上跨鐵路架梁施工，取1.2倍的安全系數(shù)，則地基承載力要求為fa≥1.2P＝92.9 kPa。如現(xiàn)場(chǎng)地基承載力不滿足上述要求，可采用夯實(shí)或換填等處理措施。

6 吊裝安全性分析

為保證起重機(jī)在吊裝過(guò)程中的穩(wěn)定，需要對(duì)起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為:

式中，∑M為抗傾覆力矩；KG為自重加權(quán)系數(shù)，取1；KQ為起升荷載加權(quán)系數(shù)，取1.15；KW為風(fēng)動(dòng)載加權(quán)系數(shù)，取1；MG、MQ、MW分別為起重機(jī)自重、起升荷載、風(fēng)荷載對(duì)傾覆邊的力矩(kN·m)。起重機(jī)工作受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8。

圖8 起重機(jī)工作受力示意

圖中，G為起重機(jī)自重(kN)；Q為起升物重量(kN)；W為風(fēng)動(dòng)載(kN)，按起升物重量的20%考慮；a為起重機(jī)重心至支腳傾覆支點(diǎn)的距離(m)；R為起重機(jī)作業(yè)半徑(m)；h為風(fēng)動(dòng)載合力點(diǎn)高度(m)。

QAY300型起重機(jī)G＝179 t，a＝5.85 m，最不利工況下R＝25 m，Q＝33 t，W＝6.6 t，風(fēng)動(dòng)載合力點(diǎn)取吊物重心，h＝16.3 m，計(jì)算可得∑M＝212.8 kN·m>0，滿足要求。

同理，對(duì)于QAY200型起重機(jī)，∑M＝449.4 kN·m>0，滿足要求。

7 結(jié)論

(1)上跨在建鐵路深路塹公路橋箱梁吊裝宜采用起重機(jī)吊裝方案。

(2)采用雙機(jī)協(xié)同分步提升法可以解決上跨在建鐵路深路塹公路橋邊跨箱梁吊裝的遠(yuǎn)距離、大高度提升問(wèn)題。

(3)選用QAY200型和QAY300型起重機(jī)，?37-6×37zs＋FC-1670鋼絲繩可滿足吊裝能力需求。地基承載力需達(dá)到92.9 kPa。

(4)起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求，能保證施工的安全性。

(5)實(shí)踐證明，上跨在建鐵路深路塹公路橋箱梁雙機(jī)協(xié)同吊裝技術(shù)方法新穎、實(shí)用，安全可靠，應(yīng)用效果良好。