6客运专线大型施工装备架桥机和运梁车设计与施工1.docx
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6客运专线大型施工装备架桥机和运梁车设计与施工1
客运专线大型施工装备—
架桥机和运梁车设计与施工
一、“全跨预铸、逐跨架设”工法概况
采用“全跨预铸、逐跨架设”的施工方法,在铁路桥梁建设上己积累了成熟的经验,从上个世纪五十年代开始,自主研发的各种类型架桥机如红旗型、胜利型、长征型等,可架设160t以下、16m、20m、24m、32m的T型梁,此时的施工工法是“先铺后架”,即架桥机的桥间转移和T梁的运输必须通过己铺轨道进行。
由于受到工序的约束,架桥作业只能独头进行;受路基质量和1435mm轨距影响,架桥机横向稳定性差,是造成事故的主要原因;架桥机净空有限,只能进行单片梁架设,现虽然实现了空中移量作业,也无法完成更大吨位梁型的架设。
为适应秦沈客运专线大量24m/550t双线箱梁的架设,首次采用“先架后铺”的施工工法,即架桥机的桥间转移和待架梁的运输,是利用巳修筑的路基或在已架设的梁上进行,由此可在全线范围内根据桥梁数量分段进行制梁、架梁施工,从而缩短了全线桥梁架设工期;所架梁型和重量完全满足高速铁路的要求;架桥机外轮廓尺寸确保了它的横向稳定性,安全性大大提高。
“全跨预铸、逐跨架设”的施工方法,在一定数量范围内具有明显效率和效益性;它实现了施工生产的流水式工艺过程,便于掌握全局和局部进度、控制施工工期简单明了,可控性强;预铸场制梁不受气侯影响,标准化流程,进度可控制;制梁作业的周期性,使工序过程操作熟练,生产效率高;工厂化生产,质量控制、检验、测量、制度完善可靠,使产品质量有保证。
“全跨预铸、逐跨架设”的施工工法越来越受到人们的重视并得到发展和提高,表一显示近年来“全跨预铸、逐跨架设”的施工业绩。
表1国内、外全跨预铸简支架设工法业绩
國別
年代
工程類型
梁型
跨距m
梁量t
桥长m
台数
義大利
1972
公路
简支箱梁
32
500
3000
1
義大利
1985
高铁
简支箱梁
25
520
8900
2
義大利
1991
公路
连续箱梁
42
900
1
義大利
1994
单线铁路
简支箱梁
25
300
4600
1
巴林
1995
公路
简支箱梁
50
12000
義大利
1997
高铁
简支箱梁
300
2
義大利
高铁
简支箱梁
33
800
印尼
公路
连续箱梁
33
700
12000
韓國
1998
高铁
三跨箱梁
25
600
2
葡萄牙
1998
公路
连续箱梁
30
17000
大陆
1999
秦沈客运
简支箱梁
20/24
550
65000
8
台灣
2000
高铁
简支箱梁
35/30/25
915/540
133000
9
大陆
2004
宁波跨海大桥
简支箱梁
50
1430
10100
1
台湾高速铁路全长345Km,其中桥梁251Km(占73%),在桥梁工程中采用“全跨预制、逐跨架设”工艺的有4309跨,占桥梁长度的55%,使用九台瑞士、意大利架桥机,见表2。
表2台湾高铁采用“全跨预铸简支架设”各段资料表
梁跨长35m
梁跨长30m
梁跨长25m
架梁合计
运粱车
台数/自重
架桥机
台数/自重
C215
480/780t
68/540t
548
2/370
2/370
C250-1
95/915t
271
43/540t
409
1/246.7
1/560
C250-2
20/915t
432
48/540t
500
1/246.7
1/560
C260
486/880t
193
679
1/220
1/600
C270
915/880t
340
1255
2/220
2/600
C280a
310/900t
88/690t
398
1/220
1/510
C280bc
500/690t
29/540t
529
1/186
1/510
合计(跨)
1826
2304
188
4318
9台
9台
二架桥机、运梁车概况
1架桥机概况
多种型式架桥机,适应全跨预铸,简支架设工法的施工需要,例如下导梁式(见图1)、运架一体机(见图2)、两跨连续式等。
图1600t下导梁式架桥机
图2运架一体机
两跨连续、筒支架设的架桥机方案,见图3,是简支架桥机的经典方案,这种方案的架桥机结构简单、受力明确、操作方便、适应各种重量梁型的架设,在它基础上可以派生、演变和改进成其他机型。
图3两跨连续简支型架桥机示意图
这种机型架桥机作为架桥机的主力,巳有几十年的的历史,它曾在欧洲、韩国和我国得到广泛应用,见图4、图5、图6。
它可以方便的实现架梁过程中的过孔作业、也可在短距离的桥间距内进行步进,长距离桥间距时用运梁车驮运转移。
图4韩国使用的600t/25m架桥机
图5秦沈线使用的550t/24m架桥机
图6秦沈线使用的450T/32m架桥机
两跨连续式架桥机也存在一些不足:
1、架梁工序繁复,现将架梁步骤列下:
(1)吊梁小车移至主梁前支腿附近;
(2)打开后支腿;(3)运梁车运梁进入架桥机后跨腹部;(4)落下后支腿;(5)二台吊梁小车后移至后跨吊梁位;(6)提升(打开)中支腿;(7)后跨提梁;(8)运梁车退出;(9)吊梁小车吊梁在大臂上纵移到位;(10)前跨落梁到位;(11)放下中支腿;(12)二台吊粱小车后移至主梁尾部;(13)调整前支腿与大臂联接方式;(14)提起中支腿;(15)铺设辅助轨道;(16)利用后支腿走行机构推动主梁在前支腿上前移、到位;(17)支立中支腿、后支腿;(18)移动前支腿沿主梁到达前方墩;(19)前支腿到位、调整与大臂联接、支立。
经上述各工序,即可完成架设一跨梁、过孔作业。
从中明显看出,为了实现重量平衡吊梁小车需要前后移动二次,架设工序较为繁复。
虽然现在的控制技术可以通过PLC,达到架梁过程中的程序控制,避免发生安全事故,但其架梁速度不高。
2、运梁车进入架轿机腹内,需将后支腿打开,待运梁车位于中、后支腿合适位置时,后支腿再支撑;吊梁小车提梁后,中支腿需打开让梁从后跨纵移到前跨,落梁到位后再将中支腿支撑。
此结构型式造成中、后支腿的机构复杂。
3、主梁受力恶劣,截面尺寸较大、重量较重,架梁状态下支承反力大,特别是后支腿可能成为设计中的控制因素。
见表3,架桥机自重与起吊重量比。
表3两跨连续式架桥机自重、大臂重资料
序
尼古拉
JQ600型
DF450型
所架梁长×重量
25m×600t
24m×550t
32m×420t
整机外型尺寸
57.81×12.3×14.79m
68.6×8.9×9.7m
整机重量/吊重
423/600=70.5%
499/550=83%
328/420=78%
大臂尺寸m
57.81×12.3×3.74
68.6×1×2.2
大臂重量/整机重量
265/423=62.6%
275/499=55%
160/328=48.8%
为了克服和改进两跨连续式架桥机存在的不足,人们进行了认真研究并着手解决:
(1)简化喂梁工况、避免后支腿来回打开、支承;
(2)改进中支腿的结构形式,避免纵移梁时中支腿来回收缩、支承;(3)提高架桥机过孔过程中的机动灵活和稳定性;(4)设法改善主梁受力状态,减轻自重。
2000年意大利尼古拉公司为台湾高速铁路修筑工程提供的几台架桥机,具有一定创新性,见图7。
915t/35m自进式架桥机,喂梁在主梁尾部,一改二台起重小车同时提梁方式,采用一台起重小车先提起梁体的前端,并在主梁上向前纵移,梁体的另一端在驮梁小车上沿着运梁上的轨道滑移,它们的移动速度用步;中支腿设计成O形与主梁联接,箱梁可方便从O形腿内通过,从而简化了移梁过程。
(仍有后支腿,需来回打开、支承,特别是架桥机过孔时,需要支立后支腿作为前移中的一个支承点。
)
图7尼古拉自进式915t/35m架桥机
前导梁式架桥机,见图8。
主梁尾部很短,在喂梁、提梁、拖梁、纵移梁到位、吊梁、落梁等工序上与自进式架桥机相同,它后支腿设计为O型并与主梁联接,即方便梁体纵移到位,又解决了来回打开、支承后支腿问题,它的过孔是由后支腿在已架梁上、辅助支腿在前导梁上的纵移共同完成。
图8尼古拉前导梁880t/35m架桥机
2、运梁车概况
运梁车有轮轨式和轮胎式两种,铁路系统采用“先铺后架”施工工法,因此使用铁路平板货车运梁,在公路建设中,也有用轮轨式的运梁车,除运送宽度有限的T梁外,也运送箱形梁,见图9,修筑秦沈客运专线时,大桥局承担月牙河特大桥24m整孔箱梁架设,运梁车也采用轮轨式。
图9国外运送整孔箱梁使用的轮轨车
轮胎式运梁车有门架式和台车式两种,门架式运梁车(或称跨式搬运机)见图10,多用于断面较小的T梁,走行速度低、用于短距离梁的运输,上海磁悬浮工地也多见这种运输形式设备。
图10国外采用门架式轮胎运梁车在工地
相比之下近年台式轮胎运梁车发展较快,它更运适用于大型断面、大吨位、长距离整孔箱梁的运输,见表4。
序
供应商
承载能力
年
使用速度、重载/空载
2%
1
尼古拉
意大利
1台850吨
1989
1.5km/h
2.5%
2
尼古拉
意大利
1台560吨
1990
2.5km/h(5km/h)
小于3%
3
尼古拉
意大利
1台600吨
1996
2.5km/h(5km/h)
<3%
4
尼古拉
韩国
1台600吨
1996
2.5km/h(5km/h)
2.5%
5
尼古拉
韩国
1台600吨
1998
2.5km/h(4km/h)
2.5%
6
尼古拉
韩国
1台600吨
1999
2km/h(4km/h)
3%
7
大方
中国工总四局
1台450吨
1999
3km/h(10km/h)
3%
8
尼古拉
中国工总二局
1台600吨
1999
3.5km/h(5km/h)
3%
9
尼古拉
中国工总五局
1台550吨
2000
3.5km/h(5km/h)
3%
10
尼古拉
中国建总十五局
1台550吨
2000
3.5km/h(5km/h)
<1%
11
尼古拉
台湾
2台915吨
2000
3.5km/h(5km/h)
<1%
12
尼古拉
台湾
1台900吨
2000
3.5km/h(5km/h)
<1%
13
尼古拉
台湾
1台690吨
2000
3.5km/h(5km/h)
<1%
14
KIROW
台湾
3台880吨
2000
4km/h(8km/h)
<1%
15
尼古拉
中国上海磁悬浮
2台400吨
2001
3.5km/h(4.5km/h)
3%
16
尼古拉
中国建总
1台910吨
2002
3.5km/h(7km/h)
3%
17
DEAL
中国工总二局
4台/组1450吨
2004
2.0km/h(4km/h)
2%
18
KIROW
中国工总大桥局
1台900吨
2005
5.0km/h(8km/h)
3%
19
大方
中铁建总十五局
1台900吨
2005
4.5km/h(10km/h)
3%
表4近年国、内外大吨运梁车统计
在轮胎运梁车中,有使用大、小轮胎之分,它们之间没有本质区别,可通过性能、价格的比选以及使用要求确定。
大规格轮胎可在满足运梁条件下减少承载轴数量、便于保养,采用小规格的轮胎由于单胎承载力小,而需增加轴数,见图11。
也可利用单元模块进行组合方式,拼成所需承载力的运梁台车,将它改装成运梁车尚需制作分载梁,它适应运输企业在市场中的货物多变需要。
图114纵列×28轴/112个轮胎450t运梁车
三、客运专线桥梁施工对运、架设备的要求
1、桥梁概况:
预测我国当前客运专线铁路设计中桥梁数量比例较大,例如京-津城际铁路中,桥梁长度将占线路总长75%以上,其中中小跨度桥梁将达到90%以上,因此从工期、造价、质量和效益上分折全跨予铸、逐跨架设的简支箱梁及小跨度连续梁将成为主体。
客运专线常用跨度梁主要结构形式有:
(1)简支梁:
24m、32m、40m、20m(与24m简支梁等高)、24m(与32m简支梁等高);
(2)连续梁:
2×24m、3×24m、2×32m、3×32m、2×40m、24+32+24m(与24m简支梁等高)、32+48+32m(边跨与32m简支梁等高)、40+56+40m、40+64+40m、48+80+48m、60+100+60m;
(3)连续结合梁:
32+40+32m、40+50+40m、40+56+40m;
(4)联络线简支梁:
24m单线、32m单线;
(5)道岔梁:
24m、32m。
客运专线整孔预制箱梁的分类:
(1)按轨道形式:
有碴和无碴。
(2)按结构形式:
整孔预制简支箱梁、先简支后连续预应力混凝土连续梁。
(3)按预应力体系:
先张、后张。
客运专线采用整孔架设方法施工的结构类型:
(1)整孔预制简支箱梁,包括20m、24m、32m双线简支箱梁。
(2)先简支后连续的小跨度连续梁,包括2x24m、3x24m、2x32m、3x32m、24+32+24m双线箱梁。
2、结构对架桥机的性能要求:
(1)架桥机的净空应满足客运专线所架梁体的构造尺寸要求。
(2)架桥机支腿应作用于箱梁腹板上。
(3)支腿的构造及其作用力的大小与客运专线梁体及墩台尺寸
和承载力相适应。
(4)支腿作用于梁体及墩台的承压面积应满足局部承压要求。
(5)吊梁及落梁过程中,吊点位置应满足设计要求,并保持四支点均匀受力且为同一平面,误差范围应满足设计要求。
(6)架桥机应能适应千斤顶落梁工艺,并自带落梁千斤顶,;
(7)架梁时产生的支座反力不得超过设计规定的施工荷载作用下容许竖向承载力。
(8)架桥机设计审查应通过设计院相应的检算,送检材料中应有各种工况下对相关结构的明确受力简图。
3、结构对运梁车性能的要求:
(1)梁体运输支点的位置及支承面积应满足设计要求。
运梁时应保证车体平稳,减少对结构的冲击。
应保持四支点均匀受力且为同一平面,误差范围应满足设计要求。
(2)运梁车的轴重、轴距、轮距不得超过运梁时所通过结构物的容许承载能力。
(3)轮胎式运梁车的接地比压不得超过路基的容许承载能力。
(4)轮胎式运梁车横向轴距则受结构桥面板承载力的制约,运梁车的轮胎应尽量靠近箱梁腹板,运梁车如需采用千斤顶调整提梁时运梁车的轴重时,千斤顶的位置应作用于腹板附近。
(5)运梁车的构造尺寸和相应机构应与架桥机相配合。
(6)运梁车设计审查应通过设计院相应的检算,送检材料中应有各种工况下对相关结构的明确受力简图。
四、客运专线运、架设备设计中应注意的内容
1、设计标准和依据
在运、架设备的设计中应根据客运专线运、架设备研制技求条件进行,“京沪高速铁路运架设备研制技术条件”曾由路内设计院、研究院、工程局、工厂所属结构、机械、电气、液压等各方面专家起草编制及审查,是可参考的文件之一。
当前,国家有关部门正在整顿起重专业的检测标准和部门,“国家质量监督检验检疫总局”编制的“架桥机型式试验细则”,正在审议之中,因此在架桥机设计和制造中,应认真了解“架桥机型式试验细则”的有关事项,为验收工作打下基础。
现授权进行架桥机型式试验的单位是:
郑州电力研究所、北京起重研究所。
检测内容除型式试验外,还有各关键点的应力测试,只有在上述两个单位出具的合格证书后,制架桥机才能投入使用。
2、对架桥机设计中的其他建议
在进行各架桥机技术设计审查过程中,有一些共性问题值得注意:
(1)在荷载计算、送设计院检算时,梁体重量荷载系数取1.05(动载)及1.1(净载),在设计校核及型式试验时应按粱体荷载的1.1(动载)及1.25(净载)系数。
(2)按架桥机荷载组合类别,分别取不同的安全系数、许用应力,计算各结构件的实际受力状况及挠度。
(3)起升载荷动载系数按φ2=1.0的取值、运行冲击系数按φ4
=1.1取值。
(4)钢绳的安全系数取值为6。
当钢绳多层缠绕並在较大入绳角时,可考虑使用排绳器,以避免乱绳、挤绳现象发生。
(5)关于横移量±200mm,发生此工况可能有:
吊梁到位后再横移粱±200mm;在尾部提梁时即有±200mm;在1号起重小車吊梁位于跨中时有±200mm偏差。
所有可能发生的偏移工况荷载都应考虑。
(6)提高落梁精度和速度,是新型架桥机必需解决的技术之一,为此要重视起重小车横移机构的液压系统设计。
(7)提高架桥机的安全性,杜绝误操作,在设计控制系统中应完备自控、联控(互锁)功能、加装主机过孔时的自动定位功能、加装紧急停车按纽等。
五、关于轮胎式运梁车轴载、轮载及轮胎接地比压的分析
采购、设计轮胎式运梁车时,应充分了解“结构对运梁车性能的要求”的实质内容和相关标准,为此对轴载、轮载及轮胎接地比压有关内容作出详细分析。
基床表层做为路基的一部分,它不仅具有道床垫层的基本功能,而且有增强线路强度,使路基更加坚固、稳定、具有一定的刚度,使列车通过时产生的弹性变形控制在一定范围内。
由于这一过渡层对保证列车高速运行、防止基床产生病害起着重要作用,所以国外修建高速铁路路基工程中都明文规定:
“在已完工的路基面上进行运梁作业、铺枕下道碴层作业时,必须保证路基不受破坏,或待临时行驶后、铺轨之前再完成顶层的压实工作”。
在“京沪高速铁路运架设备硏制技术条件”中,也对基床表层的保护,给予高度重视。
明确要求运梁车作到:
“运梁车的轴重、轴距、轮距不得超过运梁时所通过结构的容许承载能力”;“轮胎式运梁车的接地比压不得超过路基的容许承载能力”;“轮胎式运梁车的接地比压应根据客运专线铁路路基基床表层的地基系K30确定”。
客运专线铁路的基床表层压实标准是:
填料
地基系数K30(Mpa/m)
孔隙率(%)
级配碎石
≥190
<15
表中地基系数K30是由平板荷载试验所测得一种将土体的强度和变形合为一体的综合性指标,国内、外广泛利用它来检查公路、铁路、机场跑道等填筑物的压实密度。
1关于接地比压:
运梁过程中,要设法使运粱车轮胎的接地比压等于或小于K30所标示路基的容许承载力,这需要将K30系数转化为路基承载力,以便于比较和考核。
而将K30系数转化为路基承载力的公式是根据“大秦铁路”重载路基的实际经验得出的:
б=0.0024K30+0.015
б:
为路基允许承载力
当K30=190MPa/m时
б=0.471MPa
应当说明,这亇经验公式具有其他一般经验公式的特性,即安全系数较大,其次应注意到,轮胎对路基表层的接触应力是动荷载,而非静荷载,反过来K30是静地基系数,因此应进行它们的转换:
б动=б静/0.7
当б静=0.471Mpa时
б动=(0.471/0.7)≈0.67MPa
修筑“秦沈客运专线”时,采用了上述经验公式和计算结果即:
б=0.471MPa,未加修正,目的是确保第一次应用轮胎运梁使其更具安全性,确保级配碎石基床表层不受到任何可能的扰动和破坏。
运粱车的接地比压有二种方法计算:
(1)以轮胎充气压力來计算其接地比压法。
一般轮胎的充气压力与它产生的接地比压关系为:
бman=Pw/(1-ζ)
бman—轮胎最大接触应力并设定бman≦0.8~0.9бp(бp为土的极限强度)
Pw---轮胎充气内压力(KPa或MPa)
ζ---轮胎静刚度系数
某种轮胎在不同充气压力下的静刚度系数见表5
表5轮胎静刚度系数
轮胎充气内压(Mpa)
0.1
0.2
0.29
0.39
0.49
0.59
0.69
轮胎静止刚度系数
0.6
0.5
0.4
0.3
0.25
0.20
015
从中可以推论,当轮胎充气压力越高时,某种轮胎的静刚度系数越小,而ζ永远是正数,故接地比压较轮胎充气压力大,或接地比压等于充气压力。
修筑“秦沈客运专线”曾规定运梁车轮胎的充气压力不大于0.47Mpa,也有以上因素的考虑。
但是在修筑“秦沈客运专线”使用的轮胎运梁车中,部分轮胎的充气压力达到了7~10bar,而未发现它们对路基造成破坏现象,又如何认识?
现从三亇方面加以分析:
①未发现对路基的破坏,是肉眼的观察,有待于今后从运营时收集相关资料,深入分析、研究。
②在“秦沈客运专线”路基施工中,特别是级配碎石表层施工中,严格施工规范及工艺要求,质量得到保障,从某段路基(DK+×××)验交的“工程检查证”中数据,可以看到基床表层的K30已超过190Mpa/m的指标,见表6。
表6某工程路基K30检测值
里程
+260
+280
+320
+380
+460
K30
280
280
280
280
280
里程
+490
+540
+580
+640
725
K30
280
280
280
252
224
里程
+750
+850
+880
+900
+940
K30
258
280
280
280
261
里程
+970
+1025
+1090
+1125
+1190
K30
280
280
280
269
274
表中K30均值已达到273Mpa/m,这种较高质量的基床表层,为轮胎运输输提供了可靠的保证。
③斜交轮胎与子午线轮胎结构不同,充气压力的变化对径向变形的影响也不同,故使用子午线轮胎时应予以考虑,见图12不同结构轮胎气压变化时对其径向变形量的影响。
在轮胎设计中,气压是按轮胎允许载质量、轮胎的类别、使用特点,然后通过一系列的计算和试验方法确定的,在使用中严格执行轮胎的标准气压,是使轮胎达到应有的行驶里程的基本条件之一。
子午线轮胎与斜交轮胎相比,在同等荷载下,充气压力可高0.05~0.15Mpa。
图12不同结构轮胎气压变化时对其径向变形的影响
(1为9.00-2.0斜交轮胎2为9.00R20子午线轮胎)
从图12也可以看出:
斜交轮胎气压每发生0.1Mpa变化,径向变形0.5%;而子午线轮胎气压每发生0.1Mpa变化,径向变形达1.5%。
故在使用子午线轮胎时适度调高充气压力是合理的。
(2)以轮胎接触面积计算轮胎接地比压。
轮胎的使用寿命一方面决定于轮胎结构、花纹、材料等内部因素,另一方面也决定于气压、负荷和速度等外部因素。
当气压低于标准的20%时,轮胎寿命降低约15%,见图13充气压力与轮胎可行驶的里程关系;
图13充气压力对轮胎行驶里程的影响
行驶速度也影响着轮胎的寿命,见图14行驶速度与轮胎寿命的关系。
图14行驶速度与轮胎寿命的关系
各轮胎厂家都在其产品介绍中,列出不同型号轮胎在不同气压、速度下的承载能力。
现以米其林部分轮胎为例,说明不同型号轮胎在额定充气压力下、不同行驶速度下的最大承载力,见表7,为此说明运梁车所用轮胎只能按厂家提供的标准选择。
表7各型轮胎行驶速度与承载力关系
充气压力
静态承载
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