起重机械与架桥设备

4.4　起重机械与架桥设备

4.4.1　分类

1.起重机械的分类

起重机械是一种做循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。

通常，起重机械由起升机构（使物品上下运动）、运行机构（使起重机械移动）、变幅机构和回转机构（使物品作水平移动），再加上金属机构、动力装置、操纵控制及必要的辅助装置组合而成。

在建桥工程中所用的起重机械，根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥架类型起重机械和臂架类型起重机械三大类。轻小型起重设备如千斤顶、起重葫芦、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类型起重机械如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、轮胎、履带式起重机等。

2.架桥设备的分类

架桥设备是一种将预制钢筋混凝土（或预应力混凝土）梁片（或梁段），吊装在桥梁支座上的专用施工机械。我国目前的公路架桥设备虽说形式各异，但概括起来可以分为导梁式架桥设备、缆索式架桥设备和专用架桥机三大类。

（1）导梁式架桥设备

这类架桥设备是利用贝雷架（或万能杆件、战备军用桁梁）拼装成的导梁作为承载移动支架，再配置部分起重装置与移动机具来实现架梁。

（2）缆索式架桥设备

这类架桥设备是利用万能杆件，或者圆木拼成索塔架式人字形扒杆，用架设的钢丝绳组成吊装设备和行走装置，将梁架设在墩台上，直接就位或横移就位。

（3）专用架桥机

专用架桥机是在导梁式架桥设备的基础上，通过对其结构和起吊、行走设备进行改善而发展起来的专用施工机械，按导梁形式可分为双导梁型和单导梁型两种。

双导梁型架桥机目前在公路架桥机中应用最广泛，其导梁的承载能力强，整机横向稳定性能较好。单导梁型架桥机具有结构紧凑，对曲线及斜交桥梁适应能力强，容易实现架设外边梁等特点，其横移一般靠导梁整机横移来实现移梁、落梁工序。

4.4.2　简单起重设备

简单起重设备一般只备有起升机构，用以起升重物。其构造简单、重量轻，便于携带，移动方便。常用的简单起重设备有液压千斤顶和卷扬机等。

1.液压千斤顶

千斤顶是一种起重高度小（小于1m）的最简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，由于起重量小，操作费力，一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，故使用广泛。其缺点是起重高度有限，起升速度慢。液压千斤顶分为通用和专用两类。

通用液压千斤顶适用于起重高度不大的各种起重作业。它由油缸1、油泵2、储油腔3、活塞4、摇把5、回油阀6等组成，如图4-44所示。工作时，只要往复扳动摇把5，使手动油泵2不断向油缸1内压油，由于油缸内油压的不断增高，就迫使活塞4及活塞上面的重物一起向上运动。打开回油阀6，油缸内的高压油便流回储油腔3，于是重物与活塞也就一起下落。

图4-44　液压千斤顶工作原理
1—油缸；2—油泵；3—储油腔；4—活塞；5—摇把；6—回油阀；7—油泵进油阀；8—油缸进油阀

专用液压千斤顶是专用的张拉机具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力。专用液压千斤顶多为双作用式。常用的有穿心式和锥锚式两种。

穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分组成。它的特点是：沿拉伸机轴心有一穿心孔道，钢筋（或钢丝）穿入后由尾部的工具锚锚固。其工作原理如图4-45所示。张拉时，打开前后油嘴，从后油嘴向张拉工作油室内供油，张拉缸缸体向后移动。由于钢索锚固在千斤顶尾部的工具锚上，因此千斤顶通过工具锚将钢索张拉。当钢索张拉到需要的长度时，关闭后油嘴，从前油嘴进油至顶压缸内，使顶压活塞向前伸移而顶住锚塞，并将锚塞压入锚圈中，从而使钢索锚固。打开后油嘴并继续从前油嘴进油，这时张拉缸向前移动，缸内油液回流。最后打开前油嘴，使顶压缸内的油液回流，顶压活塞由于复位弹簧的作用而复还原位。

图4-45　穿心式千斤顶工作原理示意图
1—工作锚；2—张拉回程油室；3—顶压工作油室；4—张拉工作油室；5—工具锚；6—钢丝；7—张拉缸；8—顶压缸；9—顶压活塞；10—弹簧；11—后油嘴；12—前油嘴

2.卷扬机

卷扬机又称绞车，它主要用于提升和拖曳重物。它可以单独使用，也可配合滑车作其他起重机构使用。

卷扬机实际上是由一个卷筒再配上齿轮或蜗轮减速器而组成的简单起重设备，有手动、机动和电动三种。

电动式卷扬机，见图4-46（a），由机架1、卷筒2、减速箱3、制动器4、电动机5等部分组成。电动机的动力输出轴通过弹性联轴器和制动器4与减速箱相连。它的传动系统如图4-46（b）所示。

图4-46　电动式卷扬机
1—机架；2—卷筒；3—减速箱；4—制动器；5—电动机

4.4.3　自行式动臂起重机

1.自行式动臂起重机的类型及特点

自行式动臂起重机是起重机中应用较广泛的一种类型，按行走装置的不同，可分为汽车式起重机、轮胎式起重机和履带式起重机三种。其产品型号的编制方法分别是：机械式汽车起重机代号为Q，液压式代号为QY；机械式轮胎起重机代号为QL，液压式为QLY；机械式履带起重机代号为QU，液压式为QUY。自行式动臂起重机由于都装有行走装置，灵活性好，因此，被广泛应用于流动性较大的路桥施工现场等作吊运、安装工作，具体特点分述如下。

汽车起重机是在通用或专用载货汽车底盘上装上起重工作装置及设备的起重机。它具有汽车的通过性好、机动灵活、行驶速度高，可快速转移，到达目的地能马上投入工作等优点。因此，它特别适用于流动性大、不固定的工作场合。由于它是在现成的汽车底盘上改装而成，故制造容易且较经济。汽车起重机因为具有上述这些特点，所以，近年来随着汽车工业的迅速发展，各国汽车起重机的品种和产量都有很大发展。但汽车起重机车身较长，转弯半径大（因受汽车底盘的限制）。

轮胎起重机是将起重工作装置和设备装设在专门设计的自行式轮胎底盘上的起重机。由于其底盘是专门设计的，因此，其轴距、轮距及外形尺寸可根据总体设计的要求合理布置。

近年来，随着起重机技术的迅速发展，汽车起重机吨位越来越大，轮胎起重机行驶速度越来越高，使两者之间的差别逐渐缩小，出现了快速越野型轮胎起重机。这种起重机采用了动力换挡、全轮转向、油气弹簧悬架，从而提高了起重机的机动性、越野性及作业稳定性，很有发展前途。

履带式起重机是把起重工作装置和设备装在履带式底盘上的起重机。与轮胎起重机相比，履带对地面的平均比压小，可在松软、泥泞等恶劣的地面上作业。此外，它爬坡能力强，牵引性能好，能带载行驶，并可借助附加装置实现一机多用，所以起重量大于100t的大型履带式起重机在桥梁施工中占有重要地位，目前世界上起重量最大的履带式起重机的起重量可达3000t。但履带式起重机自身质量大，行驶速度低（1～5km/h），且对公路路面有破坏作用。因此目前轻型履带式起重机（100t以下）已逐渐被快速方便的液压式汽车起重机所取代。

2.QY12型全液压汽车起重机的工作原理

汽车起重机是成批生产的系列产品，种类较多，现以QY12型全液压汽车起重机为例介绍其主要组成部分的结构及工作原理。

图4-47所示为QY12型汽车起重机的外形图。其主要技术参数如下：

最大起重量：　 工作半径为3m时为12 000kg

最大起重量力矩：385kN⋅m

主臂：　　　　 3节

整机重量：　　 13 200kg

行驶性能：　　 最大车速70km/h，最大爬坡度为12.9°

QY12型汽车起重机为一种具有三节伸缩臂、全回转液压起重机。其取力装置位于起重机底盘变速器右侧，起重机从行驶状态转入起重作业时，在驾驶室内操纵取力操纵杆使取力装置接合之后，汽车发动机动力经过取力装置传至齿轮泵，则齿轮泵工作。齿轮泵输出的压力油通过液压系统驱动起重机的支腿和上车回转以及变幅、伸缩机构以及卷扬机构工作。

图4-47　QY12型全液压汽车起重机外形图

支腿为“H”形结构，前后固定腿分别焊接在车架下方，四个活动支腿分别装在前后固定腿箱形内，支腿机构为液压驱动。

活动支腿通过支腿操纵阀控制，它可以同时动作，也可以单独动作，操纵支腿一般情况是先水平支腿伸出后，再伸垂直支腿，缩回时应先垂直支腿缩回后，再是水平支腿缩回。

起重臂的主臂为三节四边箱形吊臂，伸缩机构为单级油缸加钢丝绳，其结构如图4-48所示。为提高伸缩油缸的稳定性，将伸缩油缸倒置安装在伸缩臂中，活塞杆头与基本臂尾部铰接，缸筒端部与二节臂根部铰接。当伸缩油缸伸出时，活塞杆固定不动，则缸筒运动将二节臂推出，当伸缩油缸缩回时，则缸筒运动将二节臂拉回。

起升机构由液压马达、双级圆柱齿轮减速器、制动器、卷筒、钢丝绳、起重钩等组成。其制动器为常闭摩擦片干式制动器，它的控制由制动油缸实现，并可在起重过程中任何位置实现重物停稳而不下滑。在起升机构液压回路中装有平衡阀，用以控制重物下降的速度。

图4-48　起重臂及伸缩机构
1—导绳器；2—伸臂钢丝绳；3—伸臂滑轮；4—导向滑轮；5—基本臂；6—侧滑块；7—二节臂；8—三节臂；9—下滑块；10—缩臂钢丝绳；11—缩臂滑轮；12—伸缩油缸

回转机构由液压马达、涡轮涡杆减速器、回转支承等组成。回转机构工作时，由齿轮泵供给压力油，采用定量马达驱动，通过回转分配阀的控制可以实现正、反方向全回转。

变幅机构由吊臂、转台与一个前倾安装的双作用油缸构成，其变幅动作是通过双作用油缸的伸缩实现的，变幅机构的作用是改变吊臂的仰角，从而使吊钩与上车回转中心的距离（即幅度）得到改变。

4.4.4　缆索式架桥设备

如图4-49所示，缆索式架桥设备就是在两个塔架6之间张紧一根特种承重的主索1，起重小车5就在此钢索上来回移动提升重物。它的优点是跨度和起升质量较大（跨度为100～1800m，起升质量为3～50t），适用于山区丘陵地带以及有交通线或障碍物的广大施工现场作起重运输工作。特别适用于桥隧工程和水利枢纽工程。

图4-49　缆索式架桥设备
1—主索；2—左起重索；3—右起重索；4—牵引索；5—起重小车；6—塔架；7—地锚；8—扣索架；9—扣索；10—起重卷扬机；11—牵引卷扬机；12—收紧装置；13—预制梁段

缆索式起重机有固定式、移动式和转动式三种。

固定式缆索起重机的两个塔架是固定不动的，它结构简单，造价低，但工作面只是一个狭长的地带。

移动式缆索起重机的两个塔架下端都装有铁轮，能沿两根平行的轨道平移，故其工作范围为矩形面积。

转动式缆索起重机的一个塔架固定不动，另一个塔架下面装有铁轮，它可绕固定塔架在轨道上转动，其行驶轨迹是扇形或圆。

在设置缆索式起重机时，对于塔架的强度，主索、起重索和牵引索的拉力以及有关起重机的稳定性等问题，均需经过必要的力学计算，再经过现场试验，以达到经济合理和确保施工安全。

4.4.5　导梁式架桥设备

目前，利用贝雷钢桁架和万能杆件拼装成的导梁式架桥设备在桥梁的上部施工中较为常见。其中，万能杆件是用角钢制成的可拼成节间距为2m×2m的桁架杆件，因其通用性强，可根据不同桁架形式，再配制部分自制构件，如横移机构、纵移机构、行走机构等，就可以完成不同架设工序，提高机械化程度。下面对用万能杆件拼成的架桥设备（也称组拼式架桥机）作一介绍。

如图4-50所示的架桥机主要由导梁、前支腿、前后行走台车、前后起吊天车及电气系统组成。

图4-50　用万能杆件拼装的架设20m长T形梁的架桥设备（单位：m）
1—前支腿；2—前起吊天车；3—前行走台车

导梁和前支腿1由万能杆件组拼而成，导梁安装在前、后行走台车上，行走台车可在已架设好的预应力混凝土梁上的轨道上行走。行走系统由行走台车3和牵引动力组成。起吊系统的天车横梁可用万能杆件拼装，也可使用型钢组合而成，具体用哪种形式应根据施工现场情况、两个导梁的间距，以及起吊设备的状况等因素综合考虑。其电气系统可参见有关资料。

4.4.6　专用架桥机

目前世界各国的架桥机品种很多，这里介绍国产双导梁红旗130—78型架桥机。

如图4-51所示，红旗130型架桥机由台车7、机身2、机臂3、前门架12与前支腿17、起吊天车1及液压系统、电气系统组成。机身2下的台车7共有两辆，每辆台车均有自行装置，可自行调速行走，两侧各设有两个支腿，在架桥机上桥对位后，使支腿支撑牢固，以保证架梁和机臂摆头的安全。

图4-51　红旗130—78型架桥机
1—起吊天车；2—机身；3—机臂；4—人行道及栏杆；5—后门架；6—摆臂机构；7—台车；8—活动横梁；9—前支腿及油缸；10—翘头油缸；11—后支腿辅助油缸；12—前门架；13—行走机构；14—后支腿油缸；15—后支腿下节；16—台车支腿油缸；17—前支腿下节；18—横梁

机身依靠升降机构升高或降低，以适应架梁工作的要求。

机臂3是箱形截面的焊接结构，共4片，主梁两端各两片，对称安装。机臂上焊有供起吊天车1行走的轨道，并装有人行道和栏杆；机臂在曲线上架梁时，依靠摆臂机构6的液压推动，可随线路水平转动。

红旗130型架桥机轴重轻，梁片可以直接从运梁台车上起吊，可以一次将梁片架设就位，并可以在前后方向架梁，反方向架梁时，架桥机不需要转向，简化了架梁工艺，工作效率高。

4.4.7　钢丝绳

钢丝绳是由抗拉强度为（1.4～2.0）kN/mm²的多根钢丝编绕而成。由于钢丝绳具有强度高、自重轻、柔性好、极少骤然断裂等优点，而成为起重机的重要零部件之一。在起升机构和变幅机构中用做承载绳，在运行机构和回转机构中用做牵引绳，有时还用来捆扎货物。

1.钢丝绳的构造

根据不同的使用要求，钢丝绳的结构和编绕方法各不相同，有单绕绳、双绕绳、三绕绳等形式。起重机多采用双绕绳，即先由钢丝绕成股，再由股以绳芯为中心绕成绳。

绳芯的材料有金属芯、有机物芯（麻芯、棉芯）、石棉芯三种。有机物芯的钢绳具有较大的挠性和弹性，润滑性好，但不耐高温，承受横向压力的能力较差；石棉芯钢绳性能与前者相似，但能抗高温；金属芯钢绳强度高，能承受高温和横向压力，但润滑性较差。

一般情况下，多选用有机物芯钢绳。高温工作时宜用石棉芯或金属芯钢绳。当在卷筒上多层卷绕时，钢绳之间横向压力大，宜采用金属芯钢绳。

2.钢丝绳的种类

根据钢丝绕成股与股绕成绳的相互方向不同，可分为：

（1）顺绕绳，见图4-52（a），即丝绕成股与股绕成绳的绕向相同。这种钢丝绳挠性好、寿命较长，但有弹性恢复力，容易自行松散和扭转，故只适用于牵引绳。如电梯、小车运行机构的牵引绳，在起升机构中不宜采用。

（2）交绕绳，见图4-52（b），即丝绕成股与股绕成绳的绕向相反，其挠性与使用寿命均较顺绕绳差。但由于绳与股的扭转趋势相反，克服了易扭转和易松散的缺陷，广泛用于起重钢索。

（3）混绕绳，见图4-52（c），即半数股为左旋和半数股为右旋而绕成的钢绳。它的性能介于上述两者之间，因工艺复杂，应用极少。

图4-52　钢丝绳的绕向

3.钢丝绳的连接方法

钢丝绳在使用时需要与其他承载零件连接，以传递载荷。连接方法大致有下列几种：

（1）编结法，见图4-53（a）。利用心形套环，将末端与工作分支用钢丝绳扎紧。捆扎长度l=（20～25）d（d为钢丝绳的最小直径），同时不应小于300mm。

（2）换形套筒法，见图4-53b。用特制的钢丝绳斜楔固定，方法简便。

（3）灌铅法，见图4-53（c）。将钢丝绳端拆散，穿入锥形衬套内，并将钢丝末端弯成钩状，然后灌入熔铅，冷却后即成。此法操作复杂，较少采用。

（4）绳卡固定法，见图4-53（d）。钢丝绳套在心形套环上，用特制的钢丝绳卡头固定。固定时，将U形卡卡在钢丝绳末端的分支上，座板装在工作分支上。钢丝绳卡头数不得少于三个，并按同一方向夹紧。此法简便可靠，广泛应用。钢丝绳卡头已有标准，可查阅有关手册。

（5）铝合金压头法，见图4-53（e）。将钢丝绳端头拆散后分为六股，各股留头错开，留头最长不超过铝套长度，并切去绳芯，弯转180°后用钎子分别插入主索中。然后套入铝套，在气锤上压成椭圆形，再用压模压制成型。此法加工工艺性好，重量轻，安装方便，一般常作起重机固定拉索用。

图4-53　钢丝绳端固接

4.4.8　汽车起重机在桥梁施工中的应用

用预制梁吊装施工法的预制梁吊装设备有很多，因汽车起重机本身有动力、架设迅速、可缩短工期，不需要架设桥梁用的临时动力设备，不需要如其他方法架梁时所必需的技术工种，故在中小跨径预制梁的架设安装中经常采用。

1.单汽车起重机安装

单汽车起重机安装适应条件是只要能进入一台吊车的位置即可。与其他方式方法相比较，比使用大型安装机械能加快工程进度，对于安装地点分散，安装阶段工序比较复杂的情况，单汽车吊安装是有利的。当然，停放吊车位置的地基应具有足够的承载能力。

其安装的步骤是：修筑运梁道路、清理停放吊车位置的场地；布置吊车；运进安装的梁，并将钢丝绳挂到梁上（钢丝绳与梁面的夹角不能太小，一般以45°～60°为宜，否则，应使用起重横梁）；最后用吊车起吊梁，安装到支座上。图4-54所示为单汽车起重机安装示意图。

2.双汽车起重机安装

双汽车起重机安装是在桥墩附近布置两台起重机，把平板车运来的梁用两台起重机吊起，安装到支座上的施工方法。

与单汽车起重机安装相比，双汽车起重机安装一般是在主梁质量较大或者构件跨度较长，一台起重机架设有困难时采用。

图4-54　单汽车起重机安装示意图

其安装步骤与单汽车起重机安装步骤基本相同。不过要特别注意两机的互相配合，因此现场指挥特别重要。图4-55为双汽车起重机安装示意图。

图4-55　双汽车起重机安装示意图

4.4.9　导梁式架桥设备在桥梁施工中的应用

由于桥梁工程中出现的越来越大的跨径和越来越重的预制梁，一般的起重机难以达到要求，因此通过专用架桥设备架设桥梁构件被广泛应用。

这里以用万能杆件拼装的架桥机架设钢筋混凝土公路桥梁为例，说明其工作过程。

1.移动架桥机

每孔梁架完后，必须在梁上铺好架桥机走道及标准轨距的运梁台车走道后，方可移动架桥机。移动架桥机时应先将两台起吊天车回到后部，见图4-56（a），以增加架桥机的平衡重量和稳定，再启动架桥机行走机构，使架桥机前进一定的距离，至前一个桥墩上，见图4-56（b），并对前支腿、前后轮组进行测量、调整。三点高度应基本一致，其相对高差不得大于5mm。

2.架梁

（1）梁片由制梁厂装上运梁台车，用牵引车运到桥头。

（2）当运梁线与架梁线在一个平面时，可将梁片直接运至架桥机后部。若运梁线与架梁线不在同一平面时，则在桥头设立提升站。梁片由提升站龙门式起重机自动架线提升到架梁线上的运梁台车上，再由牵引车送至架桥机的后部。

（3）用前起吊天车将梁片吊起。前进至合适位置，见图4-56（c）。

（4）再用后起吊天车将梁片后部吊起，见图4-56（d）。

（5）前、后起吊天车向前行走，将梁片送至桥孔。

（6）将梁片落下。

图4-56　架桥作业程序
1—运梁台车；2—后起吊天车；3—梁；4—前起吊天车；5—架桥机