樊榴丽+屈拓拓

【摘要】西宝铁路客运专线因咸阳西立交特大桥的地理环境约束，施工设计从跨咸阳西上行联络线开始进入-20‰坡度。实际施工中机械设备（架桥机）是属于老式900T设备，由一、二、三号柱组成的双主梁门式起重机，一号柱支立在即将架设箱梁前端，二号柱和三号柱均支立在已架箱梁梁面。设计要求架桥机机臂（由一、二、三号柱支立于上端位置，它的水平即能说明一、二、三号柱是否水平）水平度不超出设计范围的7‰，要求一号柱垂直度在±15mm以内，这就严重制约了架梁、增加了架梁的不安全因素。铁路建设越来越倾向于理性、合理、环保以及可持续的能源发展。国家 “十二五”规划中不断将高铁、客专向各类地质、地形延伸，这也同时要求在高铁、客专建设过程中架桥机能满足不同地形的架设箱梁任务。

【关键词】架桥机；机臂水平；垂直度；安全因素

【Abstract】Xibao Railway Passenger Dedicated Line is bounded by the geographical environment of Xianyang West Interchange Bridge， and the construction design enters the -20 ‰ slope from the westward line of Xianyang West Line. The actual construction of machinery and equipment （bridge machine） is the old 900T equipment， by the first， second and third column composed of double main girder gantry crane， one column stand in the erection of box girder front， Pillars are supported in the frame beam beam surface. The design requirements of the bridge machine arm （from one， two， three pillars stand in the upper position， its level that can explain the first， second and third column is the level） level does not exceed the design range of 7 ‰， Column verticality within ± 15mm， which severely restricted the beam， an increase of the beam of unsafe factors. Railway construction is becoming more and more rational， rational， environmentally friendly and sustainable energy development. National "Twelfth Five-Year Plan" will continue to high-speed rail， passenger dedicated to all types of geology， terrain extension， which also requires high-speed rail， passenger construction process bridge function to meet the different terrain erection box girder task.

【Key words】Bridge machine；Arm level；Vertical degree；Safety factor

1. 高铁现状

（1）随着我国客运专线铁路建设高潮的不断深入，铁路建设越来越倾向于理性、合理、环保以及可持续的能源发展。国家 “十二五”规划中不断将高铁、客专向各类地质、地形延伸——隧道、曲线、高山等等，这也同时要求在高铁、客专建设过程中架桥机能满足不同地形的箱梁架设任务。为了避免资源浪费，在选择过程中，需要同时结合架桥机安全性能、使用性能、技术参数以及环保性能。

（2）新运公司现拥有的架桥机和国内其他兄弟单位使用的架桥机种类繁多，每种设备都有自身的优缺点，怎样根据不同地形条件选择不同的架桥机呢？在选择过程中需要考虑架桥机的安全性能、使用性能、技术参数、环保性能，尤其突出重点为技术参数和使用性能要符合相应客专的施工特点，不能盲目投资，避免成本加大投入。

（3）西宝铁路客运专线因咸阳西立交特大桥的地理环境约束，施工设计从跨咸阳西上行联络线开始进入-20‰坡度。实际施工中机械设备（架桥机）是属于老式900T设备，由一、二、三号柱组成的双主梁桥式起重机，一号柱支立在即将架设的箱梁前端，二号柱和三号柱均支立在已架箱梁的梁面。设计要求架桥机机臂（由一、二、三号柱支立于上端位置，它的水平即能说明一、二、三号柱是否水平）水平度不超出设计范围的7‰，這就严重制约了架梁、增加了架梁的不安全因素。

（4）如何保证架桥机机臂水平不超出设计范围呢？三号柱因设计要求必须增垫钢垫箱，三号柱落到最低孔位仍比一号柱高330mm（即钢垫箱高度）。我们不能改变三号柱设计，只能着手调整一、二号柱的高低。

2. 方案可行性分析

2.1技术分析。

（1）根据中铁科工提供的《JQ900B架桥机使用说明书》要求在架设-10.5‰～ -20.‰坡度箱梁时（正常架梁，除末跨），三号柱插销孔位必须为最低插销孔位BF，一号柱为最高插销孔位BC，同时一号柱还必须支垫240mm枕木才能保证架桥机机臂水平度在设计7‰。endprint

（2）同时由于此台架桥机属于老式900T架桥机，三号柱即便插销孔位为最低位置，在宽式状态（窄式）下均需要支垫330mm钢垫箱，才能进入到架梁工况。如若不支垫钢垫箱，将导致三号柱无法支立，支立在钢筋网上，需要将每孔箱梁三号柱支立相应位置的钢筋网砸倒，在最后架设完成后恢复。

（3）由上面两种情况叠加起来，那么一号柱相应需要支垫240mm+330mm枕木高度。枕木纵向尺寸为200mm*250mm。一号柱下柱体柱体脚蹼尺寸为1350mm*1020mm，下柱体中心尺寸为488mm*445mm，架设箱梁过程中，必须要满足下柱体中心对应位置有承力部分，即支垫枕木必须要支垫在中心位置。由下柱体中心位置确定了枕木支垫必须两层以及纵断面为两根枕木才能满足受力要求。

（4）支垫枕木给架梁增加了危险因素，因一根枕木的受力面积较小，同时几根枕木不是一个整体。架桥机在同步出梁时，架桥机一号柱（根据中铁科工提供的荷载分布图）受力最大，一号柱受力达到极限值。若在此期间出现其中一根枕木变形，则会导致一号柱垂直度偏差增大，为避免此类现象出现以及事故的发生，最终摒弃枕木支垫方法。

（5）采用钢支墩支垫，受力面积大，且与下柱体中心密贴并由螺栓进行固接，故不会出现局部变形，即便局部变形。考虑用高强螺栓连接。

2.2经济分析。

（1）一号柱若支垫枕木，需要大量的人力、物力。

（2）一号柱在35号至15号墩之间，墩柱高度均在20m以上，一号柱在架桥机整机过跨后必须要支垫好，等待下一孔箱梁架设任务。支垫一号柱必须同时满足垂直度，也要满足整机机臂水平度在7‰以内。每孔均需要重新支垫，需要至少多余前桥台一倍的工人投入其中，支垫还需要保证支垫的枕木水平，一般一号柱支立时间为5分钟，若支垫枕木则需要30分钟。大大增加了工序时间。

（3）枕木如何从已架箱梁梁面到达待架箱梁前端呢？需要雇佣25T吊车（主臂可达31.5m高度，重量随工作半径不同而吊车起吊重量不同），由吊车每孔梁跟班作业，进行一号柱支垫。台班费增加，人工费增加。

（4）采用钢支墩固定在一号柱下柱体脚蹼位置，不需要拆卸，在整机过跨过程中，便支立良好，支立时间仍然为五分钟。

2.3确定方案。

（1）选用了钢支墩支垫一号柱，钢支墩高度为360mm，对比零坡度，一号柱仍然比三号柱低210mm左右。210mm相对高差计算出一号柱和三号柱之间水平度为-2.19‰，满足机臂水平度要求。

（2）但是在测算机臂水平度只是满足了水平方向要求，同时还要求一号柱必须满足垂直度要求，即一号柱支立完成后垂直度在±15mm以内。

3. 实施过程

3.1一号柱下柱体连接螺栓受力分析。

3.1.1在确定了采用钢支墩支垫后，如何保证钢支墩与一号柱下柱体密贴的同时还能满足受力要求。采用多大的螺栓进行连接，怎么样才能满足受力要求？在同步出梁过程中一号柱下柱体连接螺栓所承受的剪力以及压力，通过计算单个螺栓的承压力以及抗剪力以及一号柱载荷分布图设计要求值，从而计算出螺栓直径。由于一号柱脚蹼位置限制，只能打孔7个，这就限制只能采取相应螺栓才能满足要求。（此处不考虑摩擦型螺栓，原因此处无摩擦板，也无相应设计，忽略为普通高强螺栓）。

单栓承压承载力 [Nc]=dΣδ·[σc ] 公式1

单栓抗剪承载力 [Nj]= nj · πd2 4·[τ] 公式2

式中 d——螺栓直径；

Σδ——在同一方向承压的板件总厚度，取两个方向板件总厚度较小者；此处四面板件厚度相同，均为30mm（脚蹼下钢板厚度）+16mm（新加钢板厚度）=46mm；

nj ——剪切面数目，单剪nj =1，双剪 nj =2；此处属于单剪，原因为只有上下两块板，其余作用载荷不存在；

σc ——孔壁的许用承压应力，对粗制螺栓 [σc ] =1.4[σ]，精制螺栓 [σc ]=1.8[σ]（ [σ]为螺栓材料许用正应力）；此处采用的是粗制螺栓，查机械设计手册1， [σ]=360Mpa，即 [σc ]=1.4[σ]=504MPa；

[τ] ——螺栓的许用剪应力，对粗制螺栓[τ] =0.6 [σ]，对精制螺栓 [τ] =0.8 [σ]；此处采用粗制螺栓，即 [τ]=0.6[σ]=216Mpa；

计算出单个螺栓承压为[Nc ] =24mm×46mm ×504Mpa=55416Kg·m/s2；

单个螺栓抗剪力为[Nj]=1 ×3.1415×242×10-54×216Mpa=97713Kg·m/s2

根据中铁科工提供一号柱荷载分布图，一号柱单侧受力为266.84T，

F [Nj]·n/K 公式3

式中 K ——表示安全系数，查《设备吊装便携手册》吊装作业时 K一般为2～3，此处取K=2 ；

n——表示螺栓数量；

通过公式3可计算出螺栓数量：n4.699 ，取 n=5。实际操作过程中，可取大于5條以上的螺栓。

3.1.2架桥机一号柱在同步出梁过程中下柱体承受着压力，而此时由于钢支墩与下柱体不是一体，靠螺栓连接，说明高强螺栓承受着同步出梁产生的动能带来的摩擦力。通过动量定理，可计算出螺栓所承受摩擦力f 大小。

mv-ft=0 公式4

式中 m ——梁片重量，按照32m梁重量计算，32m梁重为862.9T，m=862900Kg ；

v——起重小车重载走行速度，按照中速进行计算，取 v=1.4m/min；

t ——两小车同步出梁时间，t=8min ；

计算公式4，可得摩擦力：endprint

f=151008Kg·m/min2=41.95Kg·m/s2=41.95KN；

比较单个螺栓抗剪力，可知摩擦力远远小于螺栓抗剪力。

对比单个螺栓螺栓抗剪力和承压力，取单侧螺栓分布数量在5条以上。

3.2机加工。

（1）通过受力分析计算，可采用高强螺栓M24*80，10.9级螺栓连接，配以平垫、弹垫，保证螺栓受力。钢支墩为中铁科工集团提供，如何将钢支墩与一号柱下柱体脚蹼连接？钢支墩无螺栓孔，而且单纯地想将钢支墩与下柱体连接，是无法完成的。因为下柱体中心为空心柱体且下柱体脚蹼尺寸为1350mm*1020mm，而钢支墩尺寸为600mm*700mm，正好在脚蹼边缘，无法连接，只能将钢支墩与16mm钢板通过焊接固接在一起，在钢板上打孔，才能保证钢支墩与一号柱下柱体能密贴。

（2）为了达到足够的密贴，保证在冲击力足够大的情况下，钢支墩不产生纵向滑移，将钢支墩与钢板连接，钢板尺寸为1350mm*1020mm*16mm。钢板与钢支墩通过采用JH507焊条、焊芯为￠4.0mm进行结构焊接，保证焊缝无夹渣、无气泡等等。

（3）一号柱脚蹼筋板较多，空隙位置有至少7处，为了保证施工安全，取7条螺栓。打孔按照下图位置进行，每侧为7个孔，螺栓孔径为￠26mm。采用高强螺栓M24*80，10.9级螺栓连接，配以平垫、弹垫，保证螺栓受力要求（见图1）。

4. 架桥机架梁工况分析

4.1零坡度架梁。

4.1.1一号柱插销孔位（下柱体）（见图2）。

4.1.2三号柱插销孔位（见图3）。

（1）按照图中的插销孔位为BE，由于三号柱支垫钢垫箱高度为330mm，为保证设计高度不变，那么三号柱插销孔位必须往上走一孔即BF。正好能保证架桥机安全架梁，保证机臂水平度不超过7‰。三号柱插销位置为BF（宽式），BE（窄式即整机走行）。

（2）一、二、三号柱测量数值均在空载工况下测量，两台小车退回至二号柱之后时测量。观测值越大表示实际高度越高，反之。在以下计算中，均取一号柱与二号柱之间的中心距为32.6m，二号柱与三号柱之间的中心距为22m。采用反余切公式计算坡度（测量数据见表1）。

（3）说明一号柱比三号柱高276mm，计算机臂水平坡度。一号柱与三号柱之间的纵向距离为55m。计算机臂坡度为+2.88‰（上坡），即一号柱比三号柱高。机臂坡度在设计范围的7‰以内，满足架梁工况，保证了设备安全运转。

（4）测量一号柱垂直度通过如下示意图（见图4）：

（5）测量得出一号柱中心线距梁面的高度h1=8.21m ，铅垂线距梁面的高度h2=8.210014m ，利用余弦定理计算出，铅垂线在梁面相交的点与一号柱中心距在梁面上相交的点之间的距离 Δs=15mm。左右两侧通过全站仪测量均在垂直度允许范围。

一号柱插销位置为AB，即此时一号柱高度已经上升为最高孔位，无法再进行调节。下柱体下部按照要求必须支垫240mm以上的枕木，设计院提供的为360mm的钢支墩，为保证钢支墩和下柱体连接为一体，需要将钢支墩于下柱体脚蹼相连。打孔按照适当孔位进行打孔，联接采用10.9S高强螺栓。原因经过设计院计算，此处为受力较大部位，必须采用高强螺栓进行联接。

4.2.2三号柱插销孔位（见图5）。

外套A-B中心距550mm；内套C-D中心距330mm；D-E中心距330mm；E-F中心距360mm；F-G中心距870mm。三号柱插销位置为BF（宽式），BE（窄式即整机走行）。

一、二、三号柱测量数据如下表：互差正值表示一号柱低，负值表示一号柱高（见图6）（见表2）。

（1）从测量表计算以及柱状图分析，机臂水平度均在-3‰（下坡）以内，满足架梁工况，不需要变化插销孔位。

（2）对比之前测量示意图，可知一号柱铅垂线为负值，即垂直度也为负值，超出允许范围要求的±15mm，为-150mm。一号柱低头。

4.3架设末跨箱梁。

4.3.1一号柱插销孔位（上柱体）。

线路坡道：10.5～-20‰销孔位置：AB，上伸缩柱下支垫枕木（枕木高度：240mm）。

一号柱实际在架设过程中已是最高孔位，下面需要支垫300mm加长柱、360mm钢支墩，加长柱与钢支墩之间加20mm厚防滑胶皮。

4.3.2三号柱插销孔位（见图7）。

（1）實际架桥机三号柱已是最低孔位，但是此时三号柱在架梁过程中仍需要支立330mm钢垫箱。

（2）二号柱在架设末孔时，均衡已落至最低位置。可从表3中可知：

（3）一号柱此时仍较低，坡度已达到-5.7‰（下坡），此时测量一号柱垂直度（示意图）为-426mm，极大地超出了设计允许范围（±15mm），说明一号柱下柱体与二号柱之间的中心已由设计的32.6m变为现在的32.174m。而一号柱与机臂采用为铰座连接，纵向活动量较大，同时上面的垂直度已说明一号柱往前倾斜。

（4）垂直度配以示意图来表示。测量显示一号柱垂直度此时为-426mm，严重超出设计允许范围。由于未达到设计要求，故重新确定支立方案。

（5）在一号柱下柱体多增加一个钢支墩，即由原来一个钢支墩360mm高度，变为现在的740mm高度，这样即保证了整机机臂水平坡度基本保持在2‰以内，垂直度也达到了设计允许范围。

5. 总述

前期铁路项目的发展高峰期带来了设备购置数目增多，这些设备随着高铁、客专铁路项目的逐渐萎缩将会封存搁置，投入的成本无法收回。随之产生了更多的投入，拆解设备、转场、封存一系列费用投入。为了避免架桥机的出现这种情况，亟待需要将设备能进行改造，适应各种施工领域、施工环境架梁。此处所说的改造为技术改造，改造在《特种设备安全监察条例》允许范围。设备将是一项艰巨却又是可持续发展的重中之重。

参考文献

[1]《中铁科工JQ900B使用说明书》.

[2]王金诺、于兰峰，《起重运输机金属结构》，中国铁道出版社，2002年，p70～p81.

[文章编号]1619-2737（2017）10-23-820endprint