阅读说明：本技术 上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统及方法 (Double-machine cooperative hoisting system and method for overpass railway deep cutting highway bridge under construction ) 是由 俞剑 熊华涛 杨涛 石运庆 杜英杰 王超 谌文玉 惠可震 聂成燕 李盼盼 陈世钊 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统及方法,在桥址吊装区域处的起重机A(2)与起重机B(3),桥址旁设预设梁场,在梁场与桥址之间设置有用于运送梁件(1)至吊装区域的炮车；在梁件(1)两端预设预设有与起重机A(2)对应的A吊点(9)及与起重机B(3)对应的B吊点(10)；在桥墩(4)中间预设有中间跨(5),中间跨(5)两端设置有边侧跨(6),在边侧跨(6)将堑顶设置为桥梁上工位(8),在安装边侧跨(6)的梁体(1)的时候,在中途将边坡平台设置为转换工位(7)；本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。(The invention relates to a double-crane cooperative hoisting system and a double-crane cooperative hoisting method for an overpass railway deep cut highway bridge, wherein a crane A (2) and a crane B (3) at a hoisting area of a bridge site are provided with a preset beam field beside the bridge site, and a gun truck for conveying a beam piece (1) to the hoisting area is arranged between the beam field and the bridge site; presetting a lifting point A (9) corresponding to the crane A (2) and a lifting point B (10) corresponding to the crane B (3) at two ends of the beam (1); a middle span (5) is preset in the middle of the pier (4), side spans (6) are arranged at two ends of the middle span (5), a moat is set as an upper station (8) of the bridge at the side span (6), and a side slope platform is set as a conversion station (7) midway when a beam body (1) of the side span (6) is installed; the invention has reasonable design, compact structure and convenient use.)

上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统及方法

技术领域

本发明涉及上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统及方法。

背景技术

新建铁路路堑地段与既有低等级公路的立体交叉工程，常用的实施方法是中断既有公路，待铁路路堑主体工程完工后，修建上跨铁路路堑公路桥恢复既有公路工程。上跨在建铁路深路堑公路桥梁的吊装由于起重机走行区域小，吊臂作业空间受限，吊装距离和高度要求高，因此吊装作业难度大、安全风险高。目前，相关研究未见报道。部分学者研究了上跨既有铁路公路桥梁的吊装技术。马雪梅研究了上跨京沪高速铁路钢盖梁的吊装施工参数、各工况起重机负荷率、施工质量控制措施；古兰玉结合工程实例分别研究了上跨铁路营业线高架桥梁单机吊装、双机吊装的顺序和作业流程；王雨楠针对跨线高架箱梁桥施工区域交通复杂、施工范围受限等特点，研究了复杂吊装条件下跨线高架箱梁桥的起重机选型及吊装顺序。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统及方法。本发明提出双机协同分步提升法和双机协同一次就位吊装法，分别用于上跨在建铁路深路堑公路桥的边跨和中跨梁吊装。通过设置梁体改：吊点转换工位，经空中换钩、起重机工位转移及改：吊点转换等一系列作业环节，实现了边跨箱梁的远距离、大高度提升吊装。研究了主要施工参数，分析了起重机吊装安全性。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装方法，借助于上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统；该方法包括以下步骤；

步骤一，执行边跨箱梁吊装方案；

步骤一一，首先，起重机A与起重机B均位于路基上，根据作业工况及起重机性能参数确定站位；然后，将吊运辅助装置安装在梁件上；其次，起重机A与起重机B分别钩吊梁体的A吊点及B吊点，其中，起重机B的钢丝绳连接位于B吊点的移动吊耳座，进行试吊，确认安全稳定后，开始吊装，并观察监测侧垂直架与监测摆动杆之间的夹角，实现对梁体(1)的观察，确定其是否吊正；

步骤一二，首先，起重机A与起重机B抬起梁件后进行回转动作至顺桥方向；然后，双机协同操作提升梁件至转换工位，将梁件一端平稳置于设置在路堑边坡平台的临时支撑点；其次，移动吊耳座移动到A吊点并通过吊耳A端横向档杆进行阻挡，实现起重机B钩吊在A吊点；

步骤一三，首先，起重机A转移至堑顶吊装工位；然后，辅助转轴带动辅助摆动臂上摆动，同时，利用惯性力，将辅助挂绳端部送至堑顶吊装工位；其次，起重机A钩挂辅助挂绳，将梁件到达边侧跨位置后落梁完成吊装。

一种上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统，包括起重机A、起重机B及用于安装在梁件上的吊运辅助装置；在吊运辅助装置两端具有A吊点与B吊点。

作为上述技术方案的进一步改进：

吊运辅助装置包括：

支撑装置，用于套在梁件上；

平衡监测装置，用于监测吊运过程中，梁件是否水平；

工艺底座，用于支撑梁件从而方便安装；

移动吊耳装置，用于改变吊运的悬挂的位置。

支撑装置，包括两个侧支撑架及两个侧支撑架之间的中间支撑架；两个侧支撑架及中间支撑架通过侧连接杆连接为一体；在侧支撑架及中间支撑架上设置有用于与梁件对应的侧中心豁口；在侧支撑架的侧中心豁口通过螺栓安装有放置梁件纵向滑出的侧挡块，在两个侧支撑架及中间支撑架上均设置有侧固定挂圈；

平衡监测装置，包括垂直安装在支撑装置上的监测升降导向架；在监测升降导向架中升降设置有监测铰接轴，在监测铰接轴下端设置有用于压在梁件上表面之上的监测下压头，在监测下压头一侧垂直设置有监测侧垂直架，在监测侧垂直架上垂直设置有监测水平垂直横杆，在监测水平垂直横杆下端摆动设置有监测摆动杆；在监测侧垂直架上设置有竖直标记线，通过观察监测摆动杆相对于竖直标记线摆动来判断梁件是否水平；

移动吊耳装置，包括纵向设置在支撑装置上的吊耳纵向移动架；A吊点与B吊点设置在吊耳纵向移动架两端；在吊耳纵向移动架上由推杆驱动纵向移动有移动吊耳座；

在B吊点设置有吊耳B端限位块，在吊耳B端限位块输出端设置有用于阻挡移动吊耳座移动的吊耳B端横向档杆；

A吊点与B吊点结构相同；在A吊点输出端设置有用于阻挡移动吊耳座移动的吊耳A端横向档杆。

辅助提升装置包括设置在支撑装置上的辅助支架，在辅助支架上设置有由电机传动驱动的辅助转轴，在辅助转轴带动摆动的辅助摆动臂，在辅助摆动臂下摆动连接有辅助挂绳。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

附图说明

图1是本发明的施工情况示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的边跨施工示意图1。

图4是本发明的边跨施工示意图2。

图5是本发明的边跨施工示意图3。

图6是本发明的边跨施工示意图4。

图7是本发明的中跨施工示意图。

图8是本发明的吊装示意图。

图9是本发明的吊运结构示意图。

图10是本发明的吊车结构示意图。

图11是本发明的辅助结构示意图。

图12是本发明的辅助结构局部示意图1。

图13是本发明的辅助结构局部示意图2。

图14是本发明的辅助结构局部示意图3。

图15是本发明的施工示意图1。

图16是本发明的施工示意图2。

其中：1、梁件；2、起重机A；3、起重机B；4、桥墩；5、中间跨；6、边侧跨；7、转换工位；8、桥梁上工位；9、A吊点；10、B吊点；11、吊运辅助装置；12、支撑装置；13、平衡监测装置；14、工艺底座；15、移动吊耳装置；16、辅助提升装置；17、侧支撑架；18、侧连接杆；19、侧中心豁口；20、侧挡块；21、侧固定挂圈；22、中间支撑架；23、监测升降导向架；24、监测铰接轴；25、监测下压头；26、监测侧垂直架；27、监测水平垂直横杆；28、监测摆动杆；29、吊耳纵向移动架；30、吊耳B端限位块；31、移动吊耳座；32、吊耳B端横向档杆；33、吊耳A端横向档杆；34、辅助支架；35、辅助转轴；36、辅助摆动臂；37、辅助挂绳。

具体实施方式

如图1-16，实施例，XX市XX区XX村侧既有道路与XX铁路于DK169+475处交叉。桥址概况如图1所示。上跨公路桥为先简支后连续预应力钢筋混凝土连续箱梁桥，桥跨布置为3×20m，桥梁轴线与铁路右前夹角120°。桥宽7m，每跨横向布置两片箱梁，梁宽3.1m，桥墩高度12m。公路桥桥型布置图如图2所示。在铁路DK169+600线路左侧设梁场，通过运梁便道运至桥址架设。

存在技术问题，(1)吊装距离和高度要求高。本桥地处深路堑，边坡高14m，坡脚至桥台支座的横向距离16m。因此，吊装最大距离和高度分别达到25.0m和20.6m。(2)起重机走行区域小。桥址处路基宽度仅10m，且两个桥墩布置于路基面范围内，公路桥与铁路呈较小夹角，可供起重机走行的区域狭小。(3)起重机作业过程碰撞风险高。由于起重机在深路堑内作业，且作业范围内有桥墩，加之双机吊装过程需要经过梁体调转、空中换钩、工位转换等协同作业，因此吊臂与桥墩、梁之间，以及起重机吊臂之间发生碰撞的风险高。常用的简支箱梁架设方法有架桥机法、现浇法和吊装法。架桥机法适用于跨数较多的箱梁架设。本工程跨数较少，仅为三跨且吊装现场交通不便，若采用架桥机施工，需要修建施工便道、拼装平台；此外，架桥机组装、拆卸需要大吨位起重机配合，配备较多的专业人员，工程成本较大。现浇施工法现场作业量大，与边坡防护、排水工程存在交叉作业，也影响后续工序的开展，难以保证工期。起重机吊装法现场作业量小，对在建铁路工程施工影响小；通过平行作业，可尽早开通公路，对地方交通影响小。因此，本工程采用起重机吊装方案，起重设备采用全地面汽车式起重机。

具体方案内容：

吊装顺序：

由于边跨吊装受路堑边坡的制约，吊装难度大，为避免中跨的影响，总体上采用先边跨后中跨的吊装顺序，即先吊装一端边跨箱梁，再吊装另一端边跨箱梁，后吊装中跨箱梁。对于每一跨，从一侧起依次吊装。

步骤一，执行边跨箱梁吊装方案；

边跨箱梁吊装的难点在于坡脚至桥台的横向距离16m、垂直高度14m，如果一次吊装到位，起重机的作业半径至少要达到25m，同时还要满足起升重量的要求，对起重机的技术性能要求高，安全风险大。

因此，为了保证吊装安全、降低施工成本，提出了双机协同分步提升法，即炮车运梁至吊装区域，先使用位于路基上的两台起重机抬吊箱梁，以边坡平台作为转换工位，进行改：吊点转换；然后，其中一台起重机转移至堑顶，堑顶起重机和路基起重机协同吊梁就位。

步骤二，执行中跨箱梁吊装方案；

中跨箱梁采用双机协同一次就位吊装法，即炮车运梁至吊装区域，两台起重机在铁路路基上就位后进行双机抬吊提升箱梁一次到位、落梁完成吊装。

具体吊装工艺流程

在步骤一中，边跨箱梁吊装工艺流程

边跨箱梁采用双机协同分步提升法进行吊装。其工艺原理为：通过运梁炮车将箱梁运至吊装区域，两台起重机A、B均位于路基上，根据作业工况及起重机性能参数确定站位；起重机A、B分别钩吊箱梁左、右端，进行试吊，确认安全稳定后，开始吊装；双机抬起箱梁后进行回转动作至顺桥方向，双机协同操作提升箱梁至边坡平台高度，将箱梁一端平稳置于设置在路堑边坡平台的临时支撑点；起重机B摘钩并钩吊在梁的左端；起重机A摘钩收车，转移至堑顶吊装工位，并钩吊在梁的右端；双机协同再次提升箱梁，至安装位置后落梁完成吊装。吊装施工工艺流程如图15所示。吊装过程如图16所示。

在步骤二中，中跨箱梁吊装工艺流程

中跨箱梁采用双机协同一次就位吊装法进行吊装。其工艺原理为：通过运梁炮车将箱梁运至吊装区域，两台起重机A、B均位于路基上，根据作业工况及起重机性能参数确定站位；起重机A、B分别钩吊箱梁左、右端，进行试吊，确认安全稳定后，开始吊装；双机抬起箱梁后进行回转动作至顺桥方向，双机协同操作提升箱梁至安装位置，落梁完成吊装。吊装施工工艺流程如图15所示。吊装过程如图16所示。

主要施工参数研究

预设箱梁属于简支构件，为了保证吊装过程中箱梁的受力点及受力状态与其使用时保持一致，采用平行吊装两点吊，保证箱梁吊装过程中改：吊点处受力均衡以及吊梁和落梁时的稳定性。

改：吊点距物体两端的距离以箱梁自身力矩平衡为计算标准，即保证改：吊点处正负弯矩相等。因此，两个改：吊点分别设于距梁端0.2L处。如图15所示。改：吊点采用钢丝绳捆绑兜吊式，本工程各片箱梁重量均为62.0t，双机抬吊情况下两个改：吊点的理论承重量均为31.0t。

起重机选型的目的是根据吊装任务确定起重机具体型号，使起重机的作业半径、起升高度、起升重量等参数满足作业工况要求。本工程采用双机吊装，起重机应尽量选择相同型号，若两台起重机型号不同，则应尽可能选择相近的工作速度，便于协同操作。

首先，确定被吊物的计算荷载G_j

G_j＝K₁×K₂×G₀ (1)

式中，G₀为被吊物的重量、吊耳及索具重之和(t)，取33.0t；K₁为动载系数，取1.1；K₂为双机抬吊不均衡系数，取1.2，计算可得G_j＝43.6t。

然后，根据起重机参数性能表，选择额定起重量Q≥G_j。在满足起升重量的前提下，根据吊装高度H和场地情况，选择吊臂长度L和工作半径R。根据吊装工艺，分不同工况计算各起重机的作业半径及起升高度，查阅不同吨位起重机性能表进行对比分析，在满足起升重量要求的前提下考虑经济性因素，起重机A选用QAY200型起重机，起重机B选用QAY300型起重机。

钢丝绳选型

钢丝绳选型要同时满足文献相关要求。粗直径钢丝绳的使用标准为

式中，Dmin为吊装钢丝绳应满足的最小直径(mm)；Q为起重机吊索承受重量(t)；β为载荷分配系数，一般取66％。考虑双机抬吊不均衡系数K，一般取1.2，故双机抬吊工况下取每台起重机吊索承受重量Q＝31.0×1.2＝37.2t。根据式(2)计算可得应达到Dmin＝37.0mm。

单侧单股钢丝绳受力FN按下式计算

式中：1.05为夹角系数，Q为起重机吊索承受重量(t)，取37.2t。计算可得FN＝9.8t。

拉力总和Z_n＝k·F_N (4)

式中，k为起重吊装钢丝绳安全系数，取8。计算可得Zn＝768.3kNZ。钢丝绳材质为纤维芯，故需要对其破断力进行换算，换算式，

式中，α为换算系数取1.226，可得钢丝绳破断拉力为Z＝626.7kN；破断拉力

式中，Z为破断拉力(kN)；FC为钢丝绳抗拉强度，取1670kg/mm2，计算可得D＝36.0mm。

经上述分析与计算，钢丝绳选取Φ37-6×37zs+FC-1670。

4.4支腿地基承载力

由吊装方案可知，起重机A、B承重量相等。单个起重机地基的总承重N按下式计算

式中，γG、γQ分别为静、动荷载组合系数，分别取1.2、1.4；G0为起重机自重、超起配重、吊索及索具重量之和(kN)，对起重机A，G0＝1360kN，对起重机B，G0＝1520kN。按照后者进行计算；GL为箱梁重量为303.8kN。计算可得，总承重N＝2322kN。

假定起重机四个支腿受力均匀，每个支腿施加于地基的平均压应力为

式中，A为起重机支腿钢垫板面积，支腿垫板采用2.5m×3.0m×0.05m钢板。计算可得，p＝77.4kPa。

考虑到上跨铁路架梁施工，取1.2倍的安全系数，则地基承载力要求为f_a≥1.2P＝92.9kPa。如现场地基承载力不满足上述要求，可采用夯实或换填等处理措施。

5吊装安全性分析

为保证起重机在吊装过程中的稳定，需要对起重机的抗倾覆稳定性进行分析。根据文献[9]，起重机抗倾覆稳定性标准为

∑M＝K_G·M_G+K_Q·M_Q+K_W·M_W≥0 (9)

式中，∑_M为抗倾覆力矩，K_G为自重加权系数，取1；K_Q为起升荷载加权系数，取1.15；K_W为风动载加权系数，取1；M_G、M_Q、M_W分别起重机自重、起升荷载、风荷载对倾覆边的力矩。起重机工作受力简图见图。

图中8，G——起重机自重(kN)；

Q——起升物重量(kN)；

W——风动载(kN)，按起升物重量的20％

考虑

a——起重机重心至支脚倾覆支点的距离(m)；

R——为起重机作业半径(m)；

h——风动载合力点高度(m)。

QAY300型起重机G＝179t，a＝5.85m，最不利工况下R＝25m，Q＝33t，W＝6.6t，风动载合力点取

吊物重心，h＝16.3m，计算可得

∑_M＝212.8kNm＞0，满足要求。

同理，对QAY200型起重机，

∑_M＝449.4kNm＞0，满足要求。

本发明的效果，(1)上跨在建铁路深路堑公路桥箱梁吊装宜采用起重机吊装方案。(2)采用双机协同分步提升法可以解决上跨在建铁路深路堑公路桥边跨箱梁吊装的远距离、大高度提升问题。(3)选用QAY200型和QAY300型起重机，Φ37-6×37zs+FC-1670钢丝绳可满足吊装能力需求。地基承载力需达到92.9kPa。(4)起重机抗倾覆稳定性满足要求，能保证施工的安全性。(5)实践证明，上跨在建铁路深路堑公路桥箱梁双机协同吊装技术方法新颖、实用，安全可靠，应用效果良好。

如图1所示，本实施例的上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统，包括起重机A2、起重机B3及用于安装在梁件1上的吊运辅助装置11；在吊运辅助装置11两端具有A吊点9与B吊点10。

吊运辅助装置11包括：

支撑装置12，用于套在梁件1上；

平衡监测装置13，用于监测吊运过程中，梁件1是否水平；

工艺底座14，用于支撑梁件1从而方便安装；

移动吊耳装置15，用于改变吊运的悬挂的位置。

支撑装置12，包括两个侧支撑架17及两个侧支撑架17之间的中间支撑架22；两个侧支撑架17及中间支撑架22通过侧连接杆18连接为一体；在侧支撑架17及中间支撑架22上设置有用于与梁件1对应的侧中心豁口19；在侧支撑架17的侧中心豁口19通过螺栓安装有放置梁件1纵向滑出的侧挡块20，在两个侧支撑架17及中间支撑架22上均设置有侧固定挂圈21；

平衡监测装置13，包括垂直安装在支撑装置12上的监测升降导向架23；在监测升降导向架23中升降设置有监测铰接轴24，在监测铰接轴24下端设置有用于压在梁件1上表面之上的监测下压头25，在监测下压头25一侧垂直设置有监测侧垂直架26，在监测侧垂直架26上垂直设置有监测水平垂直横杆27，在监测水平垂直横杆27下端摆动设置有监测摆动杆28；在监测侧垂直架26上设置有竖直标记线，通过观察监测摆动杆28相对于竖直标记线摆动来判断梁件1是否水平；

移动吊耳装置15，包括纵向设置在支撑装置12上的吊耳纵向移动架29；A吊点9与B吊点10设置在吊耳纵向移动架29两端；在吊耳纵向移动架29上由推杆驱动纵向移动有移动吊耳座31；

在B吊点10设置有吊耳B端限位块30，在吊耳B端限位块30输出端设置有用于阻挡移动吊耳座31移动的吊耳B端横向档杆32；

A吊点9与B吊点10结构相同；在A吊点9输出端设置有用于阻挡移动吊耳座31移动的吊耳A端横向档杆33。

辅助提升装置16包括设置在支撑装置12上的辅助支架34，在辅助支架34上设置有由电机传动驱动的辅助转轴35，在辅助转轴35带动摆动的辅助摆动臂36，在辅助摆动臂36下摆动连接有辅助挂绳37。

本实施例的上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装方法，借助于上跨在建铁路深路堑公路桥梁双机协同吊装系统；该方法包括以下步骤；

步骤一，执行边跨箱梁吊装方案；

步骤一一，首先，起重机A2与起重机B3均位于路基上，根据作业工况及起重机性能参数确定站位；然后，将吊运辅助装置11安装在梁件1上；其次，起重机A2与起重机B3分别钩吊梁体1的A吊点9及B吊点10，其中，起重机B3的钢丝绳连接位于B吊点10的移动吊耳座31，进行试吊，确认安全稳定后，开始吊装，并观察监测侧垂直架26与监测摆动杆28之间的夹角，实现对梁体1的观察，确定其是否吊正。

步骤一二，首先，起重机A2与起重机B3抬起梁件1后进行回转动作至顺桥方向；然后，双机协同操作提升梁件1至转换工位7，将梁件1一端平稳置于设置在路堑边坡平台的临时支撑点；其次，移动吊耳座31移动到A吊点9并通过吊耳A端横向档杆33进行阻挡，实现起重机B3钩吊在A吊点9；

步骤一三，首先，起重机A2转移至堑顶吊装工位；然后，辅助转轴35带动辅助摆动臂36上摆动，同时，利用惯性力，将辅助挂绳37端部送至堑顶吊装工位；其次，起重机A2钩挂辅助挂绳37，将梁件1到达边侧跨6位置后落梁完成吊装。

本发明实现了梁件1基于起重机A2，起重机B3的施工，巧妙实现了吊装点的自动化变更，实现中间跨5，边侧跨6的安装，通过转换工位7的巧妙设计，实现中间缓冲调正位置，桥梁上工位8实现拉动到位，A吊点9，B吊点10实现吊装，吊运辅助装置11作为发明点，实现了对梁体的支撑，避免传统吊装引起的梁体下沉变形，从而通过支撑装置12框架，通用性好，长度可调节，其整理受力，避免变形，平衡监测装置13可以利用摆动，实现肉眼直观观察夹角，工艺底座14方便离地支撑，便于组装，移动吊耳装置15实现吊装钢丝绳的位置调节，辅助提升装置16实现自动摆动，避免人工换钩，其可以是电路控制或蓄电池控制，监测升降导向架23实现导向，监测铰接轴24具有很好的兼容性，从而使得监测下压头25压在梁体上表面，从而实现了监测侧垂直架26的垂直，利用监测水平垂直横杆27上摆动的监测摆动杆28(始终竖直状态)实现垂直与竖直的夹角调节。