用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装装置及工艺的制作方法

1.本发明涉及用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装装置及工艺，涉及钢桥悬臂施工技术领域，具体为一种钢箱梁悬臂施工轻量化自平衡拼装技术装置及工艺。


背景技术：

2.桥梁是交通工程系统中重要的关键节点，随着社会经济和工程技术的发展，大跨度钢结构桥梁的使用越来越多，不论是经济上还是建造时间上大跨度钢结构桥梁往往成为工程的控制性节点。当大跨度钢桥跨越河流、山谷等利用受限空间时经常采用悬臂法施工，其中悬臂拼装法施工就大跨度钢箱梁桥应用最多的一种工程技术。这一技术最关键的环节就是如何将预制成型的梁段起吊拼装在设计位置上，并且保证最终成桥的线形和内力均能满足设计和规范要求的精度。
3.桥面吊机因其结构简单、施工快捷、造价低廉等因素在钢箱梁悬臂拼装施工中得到广泛应用，一般工作原理是首先将初始梁段安装到设计桥位，并固定固结初始梁段防止其转动，然后将桥面吊机安装在安装到位的初始梁段上，前支撑压在桥面上，后支撑锚固在后方桥面上提供锚固拉力，用吊机的起吊设备将待拼装梁段吊起到设计位置，与初始梁段匹配对位后固定焊接，然后将桥面吊机前移至下一段，循环进行下一梁段的安装直至全垮合龙，拆除桥面吊机完成桥梁安装。
4.但是这种施工方法安装在悬臂端的桥面吊机重力加大了悬臂梁的内力和变形，特别是前支撑压力引起悬臂段钢箱梁剪切变形，造成悬臂端拼接面出现转角，既不利于桥梁施工安全也使得拼装节段匹配偏差不断累偏离设计线形影响桥梁质量。
5.本发明基于梁端变形分析，提出了轻量化自平衡吊装技术，通过在桥面吊机后方设置钢扒杆和拉索，用拉索拉力平衡悬臂端吊车前支撑压力，并可以反向施力改变悬臂端箱梁变形，从而释放梁端拼接面转角达到拼接面无应力对接状态，减小拼接误差改善成桥线形，同时简化桥面吊机传力机构降低了桥面吊机自重，从整体上减小了悬臂段内力和变形，有利于降低施工风险，保证施工过程安全。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装装置及工艺。
7.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
8.一种用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装装置，包括轻量化装置、自平衡组件及配套的液压系统；
9.液压系统，用于给轻量化装置及自平衡组件提供液压动力；
10.自平衡组件，行走设置在已铺设梁上，用于将悬臂段受力传递到已铺设梁上或悬臂段的后部；
11.轻量化装置，设置在自平衡组件端前端，用于吊装待拼装段升降。
12.作为上述技术方案的进一步改进：
13.轻量化装置包括采用钢结构拼接的直角三角形结构的三角钢架；在三角钢架的上直角边的前端的斜角部上方设置有吊装千斤顶，在千斤顶下端连接有吊装卡具，用于起吊待拼装段；在三角钢架的上直角边的后端的直角部设置有吊装驱动部，吊装驱动部驱动吊装千斤顶工作；
14.三角钢架的后直角边的下端的斜角部铰接在轻量化装置的支撑机架的前方支撑腿处；三角钢架内设加强筋；
15.三角钢架的直角部连接有预紧拉索i，以牵拉三角钢架绕前方支撑腿俯仰摆动；
16.液压系统包括泵站、油箱、液压管路及阀组。
17.自平衡组件包括支撑机架；在支撑机架下端分布升降式行走轮组，用于在已铺设梁上行走到悬臂段上；支撑机架包括前后铰接或固定连接的前铰接底板及后铰接底板；
18.在前铰接底板前端设置有预紧拉索i的根部，在预紧拉索i下部设置有张拉千斤顶i；预紧拉索i用于牵拉轻量化装置的三角钢架的直角部；
19.在后铰接底板前部及后端分别设置有中间锚固支点组件及后方锚固支点，在中间锚固支点组件上铰接有钢扒杆的根部；在钢扒杆的顶部设置有滚轮，
20.在后方锚固支点引出拉索ii，拉索ii绕过钢扒杆的顶部的滚轮后与前方支撑腿铰接；
21.在拉索ii上设置有张拉千斤顶ii。
22.在后铰接底板和/或前铰接底板的下表面安装有用于与已铺设梁接触的下充气支撑垫；在下充气支撑垫下表面设置有抓地接触胶垫，用于在下充气支撑垫被充气后，抓地接触胶垫与地面压力接触。
23.在后铰接底板后部设置有后抱合装置，用于抱合在已铺设梁上或悬臂段的后部，其包括设置在后铰接底板上且带有齿轮的抱合液压马达轴，在抱合液压马达轴两侧对称设置有结构相同的第一横向侧臂装置与第二横向侧臂装置；
24.第一横向侧臂装置与第二横向侧臂装置的啮合横向齿条分别啮合与抱合液压马达轴的上下两侧且同速同步反向运动；在后铰接底板上设置有横向导向套，啮合横向齿条横向端连接有横向调节杆或直杆，啮合横向齿条沿着横向导向套横向移动；
25.在横向调节杆或直杆头部设置有铰接杆，铰接杆在带长槽摆动座的长槽中；在带长槽摆动座下端竖直设置有侧向从动伸长臂，在侧向从动伸长臂下端横向设置有固定侧夹持手，
26.横向调节杆、侧向从动伸长臂及固定侧夹持手组成勾头结构；
27.在后铰接底板侧部设置有作为摆动支点的侧向支撑座，
28.在侧向支撑座中部通过轴承座纵向旋转有侧向中心转动轴，在侧向中心转动轴上键连接有中心旋转齿轮，
29.在侧向从动伸长臂中部设置有与侧向中心转动轴键连接的连接通孔；
30.侧向中心转动轴绕侧向支撑座摆动，使得固定侧夹持手端部摆动进出于已铺设梁或悬臂段的侧部并夹持；
31.在固定侧夹持手悬臂端纵向设置有第四从动轴，在侧向从动伸长臂下端部同轴设置有第一中间齿轮及第二中间介轮；在第四从动轴上同轴设置有第三输出齿轮及第五偏心
轮；
32.第五偏心轮用于与桥梁的下表面压力接触；
33.作为两个并列传动方案：
34.方案一，在中心旋转齿轮与第一中间齿轮之间设置有联动传送带且第二中间介轮与第三输出齿轮啮合；
35.方案二，在中心旋转齿轮与第三输出齿轮之间设置有联动传送带。
36.一种用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装工艺，在钢箱梁悬臂施工时，配套执行以下步骤；
37.s1，通过轻量化装置吊装待拼装段上升到待拼装工位；
38.s2，在s1执行的同时，自平衡组件，行走设置在已铺设梁上，将悬臂段受力传递到已铺设梁上或悬臂段的后部。
39.作为上述技术方案的进一步改进：
40.在步骤s1中，吊装驱动部驱动吊装千斤顶工作，通过吊装卡具起吊待拼装段；通过预紧拉索i，牵拉三角钢架绕前方支撑腿俯仰摆动角度。
41.在步骤s2中，执行以下步骤；
42.s2.1，首先，支撑机架行走到已铺设梁上；然后，升降式行走轮组上缩回，并对下充气支撑垫充气，使得抓地接触胶垫与已铺设梁的上表面地面压力接触；
43.s2.2，首先，抱合液压马达轴旋转，使得第一横向侧臂装置与第二横向侧臂装置的啮合横向齿条分别啮合与抱合液压马达轴的上下两侧且同速同步反向运动；然后，使得横向调节杆或直杆推动带长槽摆动座对向移动，使得固定侧夹持手绕侧向中心转动轴摆动向梁下表面压力接触，同时，侧向中心转动轴被带动中心旋转齿轮同步旋转；
44.s2.3，首先，侧向中心转动轴通过联动传送带输出动力；然后，联动传送带直接或通过第一中间齿轮及第二中间介轮带动第三输出齿轮传动；第三输出齿轮带动第五偏心轮旋转，通过第五偏心轮的高点与已铺设梁下表面压力接触。
45.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
46.图1是本发明的使用原理示意图。
47.图2是本发明的基本结构示意图。
48.图3是图2的b-b处结构示意图。
49.图4是图2的a-a处结构示意图。
50.图5是本发明的三角钢架结构示意图。
51.图6是本发明的行走施工简易示意图。
52.图7是本发明的一实施例的立体结构示意图。
53.图8是本发明的后平衡部分结构示意图。
54.其中：1、吊装千斤顶；2、液压系统；3、三角钢架；4、支撑机架；5、预紧拉索i；6、张拉千斤顶i；7、中间锚固支点组件；8、钢扒杆；9、后方锚固支点；10、拉索ii；11、张拉千斤顶ii；13、悬臂段；12、吊装驱动部；14、待拼装段；15、吊装卡具；16、已铺设梁；17、升降式行走轮
组；18、前铰接底板；19、后铰接底板；20、下充气支撑垫；21、抓地接触胶垫；22、后抱合装置；23、抱合液压马达轴；24、第一横向侧臂装置；25、第二横向侧臂装置； 26、啮合横向齿条；27、横向导向套；28、横向调节杆；29、带长槽摆动座； 30、侧向支撑座；31、侧向中心转动轴；32、侧向从动伸长臂；33、固定侧夹持手；34、中心旋转齿轮；35、联动传送带；36、第一中间齿轮；37、第二中间介轮；38、第三输出齿轮；39、第四从动轴；40、第五偏心轮；41、待拼装段。
具体实施方式
55.如图1-8所示，作为一实施例，本实施例的用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装装置，包括轻量化装置、自平衡组件及配套的液压系统2；
56.液压系统2，用于给轻量化装置及自平衡组件提供液压动力；从而实现了提供液压动力；
57.自平衡组件，行走设置在已铺设梁16上，用于将悬臂段13受力传递到已铺设梁16上或悬臂段13的后部；从而优化了受力分析。
58.作为一实施例，轻量化装置，设置在自平衡组件端前端，用于吊装待拼装段14升降。从而减轻重力，还可以是调节其摆动高度及角度。
59.轻量化装置包括采用钢结构拼接的直角三角形结构的三角钢架3；在三角钢架3的上直角边的前端的斜角部上方设置有吊装千斤顶1，在千斤顶1下端连接有吊装卡具15，用于起吊待拼装段14；在三角钢架3的上直角边的后端的直角部设置有吊装驱动部12，吊装驱动部12驱动吊装千斤顶1工作；
60.三角钢架3的后直角边的下端的斜角部铰接在轻量化装置的支撑机架4 的前方支撑腿41处；三角钢架3内设加强筋；
61.三角钢架3的直角部连接有预紧拉索i5，以牵拉三角钢架3绕前方支撑腿 41俯仰摆动；从而实现了角度及位置调节。
62.液压系统2包括泵站、油箱、液压管路及阀组。
63.作为一实施例，自平衡组件包括支撑机架4；在支撑机架4下端分布升降式行走轮组17，用于在已铺设梁16上行走到悬臂段13上；支撑机架4包括前后铰接或固定连接的前铰接底板18及后铰接底板19；当采用铰接结构，其可以实现受力向后传递，尽可能使得后部受力。
64.在前铰接底板18前端设置有预紧拉索i5的根部，在预紧拉索i5下部设置有张拉千斤顶i6；预紧拉索i5用于牵拉轻量化装置的三角钢架3的直角部；
65.在后铰接底板19前部及后端分别设置有中间锚固支点组件7及后方锚固支点9，在中间锚固支点组件7上铰接有钢扒杆8的根部；在钢扒杆8的顶部设置有滚轮，从而实现了滚动低阻力支撑。
66.在后方锚固支点9引出拉索ii10，拉索ii10绕过钢扒杆8的顶部的滚轮后与前方支撑腿41铰接；
67.在拉索ii10上设置有张拉千斤顶ii11。
68.本发明实现悬臂端受力传递到后部，减轻了受力传递。
69.作为一实施例，在后铰接底板19和/或前铰接底板18的下表面安装有用于与已铺设梁16接触的下充气支撑垫20；在下充气支撑垫20下表面设置有抓地接触胶垫21，用于在
下充气支撑垫20被充气后，抓地接触胶垫21与地面压力接触。其通过气垫接触，从而实现压力均匀分布，减轻悬臂端压力。
70.作为一实施例，在后铰接底板19后部设置有后抱合装置22，用于抱合在已铺设梁16上或悬臂段13的后部，其包括设置在后铰接底板19上且带有齿轮的抱合液压马达轴23，在抱合液压马达轴23两侧对称设置有结构相同的第一横向侧臂装置24与第二横向侧臂装置25；从而实现抱合，避免底部后端翘起，改善受力效果。
71.第一横向侧臂装置24与第二横向侧臂装置25的啮合横向齿条26分别啮合与抱合液压马达轴23的上下两侧且同速同步反向运动；在后铰接底板19上设置有横向导向套27，啮合横向齿条26横向端连接有横向调节杆28或直杆，啮合横向齿条26沿着横向导向套27横向移动；
72.在横向调节杆28或直杆头部设置有铰接杆，铰接杆在带长槽摆动座29的长槽中；在带长槽摆动座29下端竖直设置有侧向从动伸长臂32，在侧向从动伸长臂32下端横向设置有固定侧夹持手33，从而形成c型结构，抱合梁，从而解决了后部翘脚的问题。
73.横向调节杆28、侧向从动伸长臂32及固定侧夹持手33组成勾头结构；
74.在后铰接底板19侧部设置有作为摆动支点的侧向支撑座30，
75.在侧向支撑座30中部通过轴承座纵向旋转有侧向中心转动轴31，在侧向中心转动轴31上键连接有中心旋转齿轮34，
76.在侧向从动伸长臂32中部设置有与侧向中心转动轴31键连接的连接通孔；
77.侧向中心转动轴31绕侧向支撑座30摆动，使得固定侧夹持手33端部摆动进出于已铺设梁16或悬臂段13的侧部并夹持；
78.在固定侧夹持手33悬臂端纵向设置有第四从动轴39，在侧向从动伸长臂 32下端部同轴设置有第一中间齿轮36及第二中间介轮37；在第四从动轴39 上同轴设置有第三输出齿轮38及第五偏心轮40；
79.第五偏心轮40用于与桥梁的下表面压力接触；本发明通过齿轮随动同时转动，从而对偏心轮旋转，使得接触桥梁。
80.作为保护扩展，作为两个并列传动方案：
81.方案一，在中心旋转齿轮34与第一中间齿轮36之间设置有联动传送带35 且第二中间介轮37与第三输出齿轮38啮合；
82.方案二，在中心旋转齿轮34与第三输出齿轮38之间设置有联动传送带 35。
83.本实施例的用于钢箱梁悬臂施工的轻量化自平衡拼装工艺，在钢箱梁悬臂施工时，配套执行以下步骤；
84.s1，通过轻量化装置吊装待拼装段14上升到待拼装工位；
85.s2，在s1执行的同时，自平衡组件，行走设置在已铺设梁16上，将悬臂段13受力传递到已铺设梁16上或悬臂段13的后部。
86.在步骤s1中，吊装驱动部12驱动吊装千斤顶1工作，通过吊装卡具15 起吊待拼装段14；通过预紧拉索i5，牵拉三角钢架3绕前方支撑腿41俯仰摆动角度。
87.在步骤s2中，执行以下步骤；
88.s2.1，首先，支撑机架4行走到已铺设梁16上；然后，升降式行走轮组 17上缩回，并对下充气支撑垫20充气，使得抓地接触胶垫21与已铺设梁16 的上表面地面压力接触；
89.s2.2，首先，抱合液压马达轴23旋转，使得第一横向侧臂装置24与第二横向侧臂装置25的啮合横向齿条26分别啮合与抱合液压马达轴23的上下两侧且同速同步反向运动；然后，使得横向调节杆28或直杆推动带长槽摆动座 29对向移动，使得固定侧夹持手33绕侧向中心转动轴31摆动向梁下表面压力接触，同时，侧向中心转动轴31被带动中心旋转齿轮34同步旋转；
90.s2.3，首先，侧向中心转动轴31通过联动传送带35输出动力；然后，联动传送带35直接或通过第一中间齿轮36及第二中间介轮37带动第三输出齿轮38传动；第三输出齿轮38带动第五偏心轮40旋转，通过第五偏心轮40的高点与已铺设梁16下表面压力接触。
91.作为一实施例，本发明包括液压式的吊装千斤顶1及配套液压系统2；
92.吊装千斤顶1固定在支撑三角钢架3上，用于起吊待拼装梁段，三角钢架 3通过前方支撑4支撑在悬臂段13的主梁顶面上，三角钢架3上部由预紧拉索 i5拉锚固定，预紧拉索i5由张拉千斤顶i6提供拉力并可用于调剂吊装幅长，通过预紧拉索i5和三角钢架3将吊装千斤顶1的荷载传递到中支腿7和支撑机架4上，张拉千斤顶i6通过中间锚固支点组件7锚固在悬臂段13的主梁顶面上。中间锚固支点组件7处设钢扒杆8的根部，钢扒杆8下端设置于中间锚固支点组件7上，后方锚固装置9设置拉索ii10的根部，通过设置在拉索ii10 上的吊装千斤顶11可以调节拉索ii10的拉力，平衡前方支撑4的支反力，可以调节悬臂端梁的内力和变形状态达到减小匹配偏差，降低成桥状态控制难度的目的。用吊装千斤顶11张拉拉索ii10,带动钢扒杆8转动由拉索ii10对支撑机架4施加拉力，从而平衡由于吊装千斤顶1起吊待拼装梁段对支撑机架4产生的压力，进而减小钢箱梁悬臂端的竖向变形和剪切变形，达到降低拼接匹配难度的目的。用通长地梁将前方支撑、中间锚固支点组件和后方锚固支点连接起来形成整体。全轻量化自平衡拼装装置的液压动力均由设置在后部的液压系统2提供，总体上降低整体装置的重量。
93.三角钢架3为空间刚性构件，代替一般桥面吊机的菱形支架，在其上部焊接平台支撑吊装千斤顶1，用于吊装待拼装梁段；下部与前方支撑4采用铰接实现可转动；三角钢架顶直角部与预紧拉索i5上端铰连接，可以平衡吊装千斤顶1的吊重；调节预紧拉索i5的长度实现吊装千斤顶1一定范围内的纵向移动，达到吊装悬臂幅长可调之目的。
94.预紧拉索i5上端连接三角钢架3，下端通过张拉千斤顶i6锚固在中间锚固支点组件7上，使用液压控制系统2对张拉千斤顶i6实施张拉或放松，带动三角钢架3绕前方支撑4转动，实现吊装千斤顶1的位置纵向移动。
95.自平衡组件包括钢扒杆8，拉索10活动连接在钢扒杆8顶部与前方支撑4 的底部和后方锚固支点9之间，并在拉索ii10后方连接张拉千斤顶11，使用液压控制系统2对张拉千斤顶11实施张拉或放松，带动拉索ii10对前方支撑 4提供拉力，从而平衡掉吊装千斤顶1吊重引起的前方支撑4的压力，加大张拉千斤顶11的拉力可以对前方支撑4提供拉力，使得悬臂段梁体产生反向受力用于调节悬臂端截面的变形，实现减小悬臂拼装匹配偏差。
96.轻量化包括预紧拉索i5采用高强度钢丝或纤维代替传统钢杆减轻了结构自重；采用优化的三角钢架取代一般用的菱形钢架，减少了构件数量，进一步降低了结构自重。
97.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
98.1.本发明提出的通过设置钢扒杆和拉索，用张拉千斤顶张拉拉索对前方支撑施加拉力，平衡前方支撑压力，实现悬臂段结构内力改变、反向变形，达到保持悬臂端拼接时处
于无应力状态，消除拼接面匹配偏差，降低了匹配偏差导致的桥梁成桥线形偏离设计状态；
99.2.本发明采用三角钢架作为桥面吊机的支撑装置，并用高强度钢丝或纤维代替一般钢拉杆，优化了桥面吊机结构，减少了构件数量，减少了结构自重，从而实现轻量化，降低悬臂段桥梁内力和变形，有利于施工过程安全；
100.3.本发明采用预紧拉杆和可转动三角钢架，通过预紧拉杆张拉或放松实现吊装点的纵向位移，达到悬臂吊装幅长可调节，简单快捷，简化了桥面吊机构造，进一步降低了结构消耗。
101.工作原理：当悬臂端起吊待拼装梁段时，吊装千斤顶1将吊重传递给支撑机架4压力，传递给中支腿7拉力，造成悬臂端钢箱梁承受较大剪力和弯矩产生竖向变形和剪切变形，是拼装匹配差异的主要因素；本发明为改善传统悬臂拼装施工匹配差异导致的施工控制困难，本发明设计的钢扒杆8拉索张拉平衡系统通过拉索张拉千斤顶11张拉拉索ii10，通过钢扒杆8将拉力传递到支撑机架4，将支撑机架4承受的压力平衡并可以转换到拉力，而中支腿7则由钢扒杆8的压力传递转换成压力，如此已施工钢箱梁悬臂段受力状态改变，甚至反向，从而减小了悬臂端的剪切变形，降低拼接匹配难度。
102.本发明采用在已施工的主梁上安装锚固吊机装置，通过支撑机架4、中支腿7和后支腿9将全部施工荷载传递到已安装主梁结构上，实现吊装荷载的自平衡；同时在吊重装置后设置钢扒杆8拉索ii10系统，通过拉索ii10的张拉将支撑机架4的压力转换成拉力，压力后移，改变已安装梁段悬臂端变形状态，实现结构变形状态的自平衡。将传统的吊装起重设备全部改为液压传导系统，既提高了系统的稳定性又降低了装置的总体重量实现轻量化。
103.本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列举。
104.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。