步履自锚式全回转桥面吊机
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摘 要：在大型桥梁施工建设中，桥面结构的吊装及吊装设备的选取尤为重要，且西固大桥处于不通航地区，无法采用大型浮吊施工，为了保证施工顺利进行，本文设计了一种步履自锚式全回转桥面吊机，使用ANSYS有限元软件对不同工况的分析，验证了该设备的合理性及可行性。最终该设备在本项目得到成功应用，为类似桥面吊机的设计提供借鉴。
关键词：自锚式;全回转;桥面吊机;工况分析
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2019）06-0110-03
随着我国交通量的逐步增大，在建桥梁日益增加，桥梁规模也逐渐增大，对桥面结构吊装设备的研究也越来越多，柳鑫星[1]等对之江大桥进行了桥面吊机的设计，研发一种分离式可快速行走的桥面吊机结构;余玮玮[2]在三塔钢箱梁斜拉桥施工中设计了桥面吊机，吊装过程采用软连接的方式，缩短了桥面吊机与吊耳的连接时间;陈鸣[3]等在苏通大桥施工中设计了多功能桥面吊机，实现了集梁段吊装和长索梁端牵引入索角度调整装置为一体;唐斌华[4]等对椒江二桥桥面吊机进行了结构设计;吴乾坤等对变幅式桥面吊机进行设计与验算，解决了三峡库区内无法采用大型浮吊的问题。
针对本桥的特点，本文研发了一种步履自锚式全回转桥面吊机，在全回转移动式桅杆起重机的基础之上进行创新，在纵移滑道上设置锚固机构装置。该桥面吊机的设计对本桥施工较好的技术价值及经济效益。
1工程概况
西固大桥是西北地区在黄河上跨度最大、塔身最高的结合梁斜拉桥，也是甘肃省首座高速公路斜拉桥。大桥跨过黄河，为国内8级及以上地震区最大斜拉桥。本桥主塔形式为菱形塔，下横梁高度较高（距离地面61m），落地支架搭设受限，且本桥处于黄河中上游不通航地区，针对桥面结构吊装，研发出一种步履自锚式全回转桥面吊机。
2桥面吊机主要构造
本机主要由吊臂、上部构造、起升及变幅机构、回转机构、下部构造、步履机构、电气及液压系统等部分组成。
2.1吊臂
吊臂（主臂）长度28.5m，由四节组成，截面为矩型，格构式组合构件。主肢材料为20号钢，缀条材料为20号钢。主臂前端另有一节长1.8m副臂。吊臂通过臂根铰轴安装于上转台上，与上转台一起回转。臂头内装有取力装置及滑轮组。
2.2上部结构
上部结构由三角架、上部转台（上车体）组成;
三角架采用Q345c钢板焊成箱形杆件，形成直角人字形主结构;顶部安装变幅滑轮组，主副钩钢丝绳转向滑轮，底部与转台销接;
上部转台采用工字型及圈梁断面，转台前部设有吊臂铰轴，下部有圈梁，通过回转支承与下部转台相连。转台上装有司机室，起升、变幅卷扬机，回转机构。
2.3下部结构
下部结构由各种工字形及箱形梁组成，通过回转支承与上车体相连;安装有六个带机械锁定的油缸，用于工作时的支承。安装的滑移支承块在步履轨道上前后移位，移位动力来源于油缸。步履轨道横桥向间距为12.5m。
2.4起升、变幅机构
主起升机构：采用单出绳卷扬机，单绳拉力10t，钢丝绳倍率4，采用φ28mm不旋转钢丝绳，型号为28-18x19W-IWS-1770，钢丝绳长度500米，卷扬机上安装有排绳装置，吊钩滑轮为直径φ500mm轧制滑轮。
副起升机构：采用单出绳卷扬机，单绳拉力5t，钢丝绳倍率2，采用φ20mm钢丝绳，型号为20-18x19W+IWS-1770，钢丝绳长度为270米，吊钩滑轮为直径φ480mm轧制滑轮。
变幅机构：采用单出绳卷扬机，单绳拉力6t，钢丝绳倍率12，采用φ24mm不旋转钢丝绳，型号为24-6x19W+IWR-1770，钢丝绳长度为440米，滑轮为φ460mm轧制滑轮。
2.5回转机构
由驱动装置和支承装置组成。驱动装置采用双驱动系统，机构型式为制动电机+减速机+齿轮传动，采用变频电机驱动;支承装置是联接上下车体的关键部件，由三排滚柱、固定和转动圈组成，通过M30螺栓分别与上下车体连接，螺栓预紧力矩为1100N·M。
2.6走行机构
本机构由轨道梁、轨道梁支座、步履油缸组成。轨道梁支撑在桥体纵梁上。纵移时在支顶油缸收缩，整机支撑在轨道梁上，通过步履油缸顶升和收缩，实现整机步履式前行8m或12 m至下一架设工位。纵移滑道上设置反钩装置，防止倾覆。
2.7锚固机构
锚固机构为反钩式，通过反钩挂在横梁上翼缘根部，机构包括锚杆、锚座、反钩、螺旋扣等。
2.8电气系统
电气系统主要由电源系统、主起升系统、变幅系统、副起升系统、回转系统、走行系统、安全报警、控制及监控系统、照明电路等组成，采用变频器、PLC控制。整机装机功率约为155KW。
2.9液压系统
液压站设在下部結构上，由手动换向阀控制车体两侧的走行油缸及支顶油缸。其中关于液压站参数为压力16MPa，流量68L/min，7.5kW。
本机安装在上层桥面的纵梁上，采用步履式移动，具有提升、变幅、回转、整机前、后移动的功能。传动方式为电-机械传动，控制方便，造价适中，维护简单。
3桥面吊机工况说明
3.1桥面吊机工作环境
3.2吊机站位
站位处的结合梁分两种：8m间距（0#）和12m间距（1#～14#）。所有梁均由主纵梁、横梁、小纵梁组成。主纵梁间距为25.5m，横梁间距为4m。起重最重梁为1#及其他梁的主纵梁，重量约32t，最远吊幅为H3横梁，重量15t。 作业：采用油顶支撑，油顶横向间距11.2m，纵向间距分为12m和8m两种。满足0#节段（8m）和其他节段（12m）站位。
過跨：通过纵移轨道步履式前进，轨道横向间距12.5m。
吊幅：最重主纵梁吊幅为19m，横梁最远吊幅为20m。
支撑：设有6个支撑油顶，分间距为12m和8m两种，作业时4个油顶支撑在横梁上。
锚固：采用工字钢梁和精扎螺杆钢锚固在桥横梁上。锚固横向间距10m，纵向间距8m。
4桥面吊机计算分析
运用ANSYS计算最大起重力矩（吊重35t，吊幅20m）工况时下底盘的受力情况来进行结构分析。该工况分支撑纵向间距8m和12m两种，每种均计算吊臂偏角0°、45°和90°三种情况下的应力和支反力。
4.1工况一：支撑纵向间距8m，吊臂偏角0°
由模型计算结果可得，当支撑纵向间距8m，吊臂偏角0°时，其最大支反力为69.2t，最大应力为236Mpa。
4.2工况二：支撑纵向间距8m，吊臂偏角45°
由模型计算结果可得，当支撑纵向间距8m，吊臂偏角45°时，其最大支反力为76.7t，最大应力为186Mpa。
4.3工况三：支撑纵向间距8m，吊臂偏角90°
由模型计算结果可得，当支撑纵向间距8m，吊臂偏角90°时，其最大支反力为61.3t，最大应力为166Mpa。
4.4工况四：支撑纵向间距12m，吊臂偏角0°
由模型计算结果可得，当支撑纵向间距12m，吊臂偏角0°时，其最大支反力为68.7t，最大应力为236Mpa。
4.5工况五：支撑纵向间距12m，吊臂偏角45°
由模型计算结果可得，当支撑纵向间距12m，吊臂偏角45°时，其最大支反力为88.9t，最大应力为197Mpa。
4.6工况六：支撑纵向间距12m，吊臂偏角90°
由模型计算结果可得，当支撑纵向间距12m，吊臂偏角90°时，其最大支反力为82.9t，最大应力为200Mpa。
桥面吊机的最大起重力矩（吊重35t，吊幅20m）工况时下底盘的受力情况来进行结构分析，所得结果证明其符合规范要求，可以安全使用。
5现场应用
步履自锚式全回转桥面吊机安全地使用在南绕城高速公路LRN14西北高震区跨黄河菱形高塔大跨结合梁斜拉桥项目。在边跨不便于地面运输、搭建钢栈桥的情况下，桥面吊机起吊、安装主桥工字钢梁的主纵梁和横梁、桥面板和小纵梁。
6结论
步履自锚式全回转桥面吊机行走在钢结合梁上施工作业方法新颖，科学而有效地缩减了在工序上施工作业的时间，提高了施工效率和工程进度，省去了大型吊装设备的烦恼，且周转使用率高，对梁体结构形式的要求不高，应用范围广。在增加经济效益的同时极大程度地缩短了施工周期。在结构设计上有以下技术特色：采用全变频及PLC控制系统，工作便捷、可靠;各卷扬机均采用了高速端制动器和低速端制动器;配电柜为整体集装箱式，方便整体吊装及运输;主钩滑轮组采用四倍率平行钢丝绳缠绕方式，同时采用微旋转钢丝绳设计，以保证大起升高度情况下吊钩滑轮组不会发生旋转;设置有视频监控系统。
参考文献：
[1]柳鑫星，贾兵团，周林，高权.之江大桥桥面吊机设计[J].公路，2014，59（06）：130-134.
[2]余玮玮.桥面吊机在三塔钢箱梁斜拉桥中的设计与应用[J].工程建设与设计，2017（10）：126-128.
[3]陈鸣，吴启和，罗承斌，肖文福.苏通大桥多功能桥面吊机设计与使用[J].中外公路，2008（05）：105-109.
[4]唐斌华，宋伟峰，郭杰鑫.椒江二桥桥面吊机结构设计[J].中外公路，2014，34（04）：200-204.
[5]吴乾坤，郭杰鑫，汪泉庆.变幅式桥面吊机设计与验算[J].公路，2017，62（08）：138-142.
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