CN110644377A - 滚轮式梁体顶推施工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滚轮式梁体顶推施工装置，包括下支撑结构和位于其上方的上支撑结构，下支撑结构用于连接于基座上，下支撑结构和上支撑结构铰接于主铰轴，上支撑结构上方设有至少一组滚轮组，每组支撑滚轮组和上支撑结构铰接于副铰轴，上支撑结构和所有支撑滚轮组的转动方向均沿顺桥向设置，所有支撑滚轮组用于支撑梁体，还包括限位结构，限位结构用于限制梁体横桥向位移。运用本发明的一种滚轮式梁体顶推施工装置，通过自由转动的铰轴适应不同线型变化的梁底，既可以用于传统等高度梁或梁底齐平的梁的顶推施工，也可以适用于变高度梁的顶推施工，顶推过程中主要克服滚动摩阻力做功，可以降低顶推施工的难度，加快顶推速度，节约资源。

Description

滚轮式梁体顶推施工装置
技术领域
本发明涉及桥梁施工领域，特别涉及一种滚轮式梁体顶推施工装置。
背景技术
桥梁的顶推法脱胎于钢桥的拖拉法，自1959年首次成功应用于奥地利Ager桥，1962年在委内瑞拉Caroni桥的顶推施工中又首次引入导梁和辅助墩，随后经过几十年的发展，已成为桥梁工程建设领域的一项重要施工方法，能够有效解决跨河(江)、跨线且无设置支架和浮运吊装条件的桥梁的架设施工问题。在欧洲多国相继采用顶推法建造的多座桥梁中，如德国的Aichtai桥(1161m)、瑞士的捷拉东斯桥(1370m)的顶推总长度均已超过1000m，而2004年竣工通车的法国米约大桥顶推跨度一度达到171m，双向跨径342m，代表了世界顶推技术的先进水平。我国在1977年首次利用顶推法实现了西延铁路狄家河4×40m预应力连续梁桥的架设，在随后我国基础设施建设迅速发展的浪潮里，顶推法在我国桥梁建设领域得到迅速发展，相继又采用顶推法建造了东莞万江大桥、山西平顺曲线桥、衡山湘江斜拉桥、邵阳西湖钢管混凝土拱桥、佛山平胜大桥、杭州九堡大桥等多座不同跨度和类型的桥梁。
传统的顶推法是将桥梁上部结构在施工平台上分段浇筑拼装后，利用顶推或拖拉设备提供推力，克服梁体(或胎架小车)与滑道之间的滑动摩阻力后逐段向前推送，直到完整上部结构的浇筑拼装和顶推就位。在传统顶推法中，较常用的主要有液压爬行顶推滑移和连续千斤顶拖拉滑移两种。前者利用夹轨器将纵向液压千斤顶固定在滑动轨道上后控制千斤顶推动胎架小车带着梁体向前移动，完成一个千斤顶油缸的行程后，胎架小车竖向千斤顶回缩落梁，回收小车，然后小车竖向千斤顶再次顶梁后重复顶推动作，直到将梁体顶推就位。后者利用在各临时墩上布置的液压千斤顶的夹持器夹紧梁底的钢绞线，通过液压千斤顶的伸缩拖拉钢绞线提供拖拉力，带动梁体沿滑道向前滑移。
2010年杭州九堡大桥的建设中首次创造性地采用了一种全新的顶推施工法——步履式顶推施工法。步履式顶推法采用计算机控制的三向液压千斤顶实现对梁体的顶升、纵向推移和横向纠偏调整，主要克服顶推装置上下部支撑结构接触面之间的滑动摩擦实现推移，同步实现了竖向顶升和纵向推移，数字化和设备集成化程度更高。
目前，随着导梁、临时墩以及顶推装置的改进，顶推法适用范围越来越广，已成为中长跨度桥梁架设施工中极具竞争力的方法，桥型也逐渐从简单的梁桥拓展到系杆拱、斜拉桥等。这一类的顶推装置虽有不同，但都是需要克服顶推时相对滑动面的滑动摩阻力做功。为了减小顶推难度，相对滑动面一般需要近似于平面，导致现有的顶推技术主要适用于梁底基本齐平的等高连续梁、钢桁梁、系杆拱以及符合等高特征的斜拉桥和悬索桥的主梁等梁型的顶推施工。
但是，现有的顶推法施工工艺主要是需要克服滑动摩阻做功，顶推难度较大且消耗较多的设备动力能源。其次，为了尽量减小顶推难度，现有的顶推装置的接触面基本上为平面，无法任意转动来适应变化的接触面，导致现有的顶推技术主要适用于等高度梁或梁底基本水平的系杆拱等梁型的顶推施工，限制了顶推法施工桥梁的梁型选择；再者，基于现有技术的顶推施工，为了减小滑动摩擦，需要耗费大量钢板和聚四氟乙烯滑板。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有的顶推法施工工艺主要是需要克服滑动摩阻做功，顶推难度较大且消耗较多的设备动力能源，顶推装置的接触面基本上为平面，无法任意转动来适应变化的接触面，导致现有的顶推技术主要适用于等高度梁或梁底基本水平的系杆拱等梁型的顶推施工，限制了顶推法施工桥梁的梁型选择，同时需要耗费大量钢板和聚四氟乙烯滑板的上述不足，提供一种滚轮式梁体顶推施工装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种滚轮式梁体顶推施工装置，包括下支撑结构和位于其上方的上支撑结构，所述下支撑结构用于连接于基座上，所述下支撑结构和所述上支撑结构铰接于主铰轴，所述上支撑结构上方设有至少一组滚轮组，每组所述支撑滚轮组和所述上支撑结构铰接于副铰轴，所述上支撑结构和所有所述支撑滚轮组的转动方向均沿顺桥向设置，所有所述支撑滚轮组用于支撑梁体，还包括限位结构，所述限位结构用于限制梁体横桥向位移。
采用本发明所述的一种滚轮式梁体顶推施工装置，通过自由转动的铰轴适应不同线型(线性、二次曲线等)变化的梁底，既可以用于传统等高度梁或梁底齐平的梁的顶推施工，也可以适用于变高度梁的顶推施工，打破了传统顶推法施工工艺对于梁型选择的限制性条件，丰富了顶推法施工工艺的同时，也拓展了顶推法施工桥梁的梁型选择范围，可以实现在顶推法施工中由变高度梁替代等高度梁，有效降低材料用量，提高设计的经济性；同时该滚轮式顶推施工装置在顶推过程中主要克服滚动摩阻力做功，远小于传统顶推工艺中的滑动摩阻力且不需要耗费大量钢板和聚四氟乙烯滑板，可以降低顶推施工的难度，加快顶推速度，节约资源。
优选地，梁体腹板底部中心抵接于所述支撑滚轮组上。
优选地，所述下支撑结构通过预埋螺栓结构连接于基座上。
优选地，所述下支撑结构包括底板和相对设置的两个支撑板，所述支撑板连接于所述底板，两个所述支撑板之间设置所述主铰轴。
优选地，所述上支撑结构包括顶板和相对设置的两个连接板，所述连接板连接于所述顶板，两个所述连接板位于两个所述支撑板之间，且每个所述连接板贴合于对应一侧的所述支撑板，所述主铰轴穿过两个所述连接板。
优选地，每个所述支撑滚轮组包括框架和若干个滚轮，所述滚轮设于所述框架内，且所述滚轮顶端高于所述框架顶端，所述框架和所述上支撑结构铰接于所述副铰轴。
优选地，所述限位结构包括导向轮组，所述导向轮组抵接于梁体腹板外侧底端，所述导向轮组用于梁体顶推过程中的导向和纠正方向。
优选地，所述框架上设有支撑梁，所述支撑梁上设置所述导向轮组。
优选地，所述导向轮组包括至少一个导向轮，所述支撑梁位于所述框架的一端。
优选地，沿顺桥向设置若干个所述下支撑结构，所有所述下支撑结构分列两排，两排之间的间距适配梁体底部宽度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、运用本发明所述的一种滚轮式梁体顶推施工装置，通过自由转动的铰轴适应不同线型(线性、二次曲线等)变化的梁底，既可以用于传统等高度梁或梁底齐平的梁的顶推施工，也可以适用于变高度梁的顶推施工，打破了传统顶推法施工工艺对于梁型选择的限制性条件，丰富了顶推法施工工艺的同时，也拓展了顶推法施工桥梁的梁型选择范围，可以实现在顶推法施工中由变高度梁替代等高度梁，有效降低材料用量，提高设计的经济性；同时该滚轮式顶推施工装置在顶推过程中主要克服滚动摩阻力做功，远小于传统顶推工艺中的滑动摩阻力且不需要耗费大量钢板和聚四氟乙烯滑板，可以降低顶推施工的难度，加快顶推速度，节约资源；
2、运用本发明所述的一种滚轮式梁体顶推施工装置，所述限位结构包括导向轮组，所述导向轮组抵接于梁体腹板外侧底端，所述导向轮组用于梁体顶推过程中的导向和纠正方向。
附图说明
图1为本发明所述的滚轮式梁体顶推施工装置的结构示意图；
图2为图1的右视图；
图3为顶推横断面支撑示意图；
图4为顶推纵断面支撑示意图(等高度梁底)；
图5为顶推纵断面支撑示意图(变高度曲线梁底)；
图6为滚轮式梁体顶推施工装置多重转动示意图；
图7为滚轮式梁体顶推施工装置几何及平衡分析示意图；
图8为刚性滚轮组曲面滚动分析示意图(凹曲线滚动)；
图9为刚性滚轮组曲面滚动分析示意图(凸曲线滚动)；
图10为刚性滚轮组曲面滚动分析示意图(凸曲线滚动双轮着地临界状态)；
图11为中支点过渡曲线示意图。
图中标记：1-下支撑结构，2-上支撑结构，3-主铰轴，4-副铰轴，5-滚轮组，6-导向轮组，7-支撑梁。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
如图1-11所示，本发明所述的一种滚轮式梁体顶推施工装置，包括若干个下支撑结构1、若干个上支撑结构2和限位结构。
如图1-3所示，所有所述下支撑结构1沿顺桥向分列两排设置，两排之间的间距适配梁体底部宽度，每个所述上支撑结构2对应一个所述下支撑结构1、且位于所述下支撑结构1上方。
所述下支撑结构1通过预埋螺栓结构连接于基座上，所述下支撑结构1和所述上支撑结构2铰接于主铰轴3，所述下支撑结构1包括底板和相对设置的两个支撑板，所述支撑板连接于所述底板，两个所述支撑板之间设置所述主铰轴3，所述上支撑结构2包括顶板和相对设置的两个连接板，所述连接板连接于所述顶板，两个所述连接板位于两个所述支撑板之间，且每个所述连接板贴合于对应一侧的所述支撑板，所述主铰轴3穿过两个所述连接板。
所述上支撑结构2上方设有两组滚轮组5，分别位于所述上支撑结构2顶部两端，每组所述支撑滚轮组5和所述上支撑结构2铰接于副铰轴4，每个所述支撑滚轮组5包括框架和两个滚轮，所述滚轮设于所述框架内，且所述滚轮顶端高于所述框架顶端，所述框架和所述上支撑结构2铰接于对应的所述副铰轴4。
所述上支撑结构2和所有所述支撑滚轮组5的转动方向均沿顺桥向设置，所有所述支撑滚轮组5用于支撑梁体，梁体腹板底部中心抵接于所述支撑滚轮组5上。
所述限位结构用于限制梁体横桥向位移，所述限位结构包括导向轮组6，所述导向轮组6抵接于梁体腹板外侧底端，所述框架上设有支撑梁7，所述支撑梁7上设置所述导向轮组6，所述导向轮组6包括一个导向轮，所述支撑梁7位于所述框架的一端，所述导向轮组6用于梁体顶推过程中的导向和纠正方向。
如图4所示，当梁体为等高粱时，在顶推过程中，梁底为水平面，由相同半径组成的两组刚性所述支撑滚轮组5支撑梁体时，所述滚轮中心应位于同一直线上，且支撑反力相同，此时所述主铰轴3和所述副铰轴4的转动角度都为0。
如图5-7所示，当梁体为变高度梁，即梁底为一曲线时，由两点确定一条直线可知，一组刚性所述支撑滚轮组5上能同时支撑于同一曲线上的所述滚轮最大数量为两个，因此在设计时，一组由刚性链杆串联而成的所述支撑滚轮组5采用两个所述滚轮即可。
如图6所示，假设变高度梁由左至右接触所述滚轮式梁体顶推施工装置，首先左侧所述支撑滚轮组5的滚轮一受到支撑压力，同时打破了滚轮一和二绕副铰O1的平衡以及左右所述支撑滚轮组5绕主铰O0的平衡，导致左侧所述支撑滚轮组5绕副铰O1自由转动，左右所述支撑滚轮组5连同所述上支撑结构2整体绕主铰O0自由转动，转动后使得左侧所述支撑滚轮组5的滚轮一和滚轮二、右侧所述支撑滚轮组5的滚轮三和滚轮四均与梁体接触并提供支撑反力，在所有滚轮接触梁底后，滚轮之间出现支撑反力的重分布和转动角度的重调整，当主铰O0和副铰O1和O2分别转动角度α、β、γ后达到瞬态平衡，但随着顶推的进行，这个平衡又不断被打破，由于铰轴可以充分自由转动，又能很快达到新的平衡，这里的平衡始终是一个瞬态平衡。
如图5所示，在任意一个时间点，通过两级主副铰的联动转动，可以使得在一定支撑范围内曲线梁底同时支撑于四个所述滚轮上，有效地分散了支撑的集中力，改善梁体腹板在顶推过程中的受力状态，从转动的状态可知需满足FN1＞FN2＞FN3＞FN4。
如图7所示，对于某处已设定的所述滚轮式梁体顶推施工装置，可以以主铰O建立坐标系，对于所述滚轮固定半径r的所述支撑滚轮组5，当梁底变高曲线为某已知函数(如圆曲线或抛物线)时，假定所述滚轮式梁体顶推施工装置为刚性，则可以得到滚轮中心(O3、O4、O5和O6)位于与梁底变高曲线任意切点的垂直距离为r的点集组成的曲线y＝f(x)上，设副铰及滚轮中心坐标分别为O1(x1，y1)、O2(x2，y2)、O3(x3，y3)、O4(x4，y4)、O5(x5，y5)、O6(x6，y6)，可知O3、O4、O5和O6为曲线y＝f(x)与以O1和O2为圆心、半径为
Figure BDA0002223745530000081
的圆的四个交点，而O1和O2位于以O为圆心，半径为的圆上，根据支撑结构刚性假定，可知O到O1O2连线的距离为定值，O1、O2分别到O3O4和O5O6的距离为定值，满足以下函数关系，且有任意初始条件时(如O3与梁底的接触位置)，可以唯一确定所述滚轮式梁体顶推施工装置的位置关系：
Figure BDA0002223745530000091
yk＝f(xk)，(k＝3，4，5，6)
Figure BDA0002223745530000092
Figure BDA0002223745530000093
特别地，对于梁底为半径R的圆弧时，则滚轮中心O3、O4、O5和O6同位于半径为R-r的梁底变截面圆弧的同心圆上，而副铰O1和O2同位于半径为
Figure BDA0002223745530000095
的梁底变截面圆弧的同心圆上，同时满足各铰心间距为定值的关系。
支撑力系满足绕主铰O和副铰O1和O2的力矩平衡，以及总支撑力与外力平衡，平衡方程数量与未知力的数量相等，因此当位置确定时，可以得到满足瞬态平衡条件的唯一力系解。
如图8所示，由刚性链杆串联而成的双滚轮组在凹曲线上滚动时，既发生平移又发生刚体的转动，刚性链杆始终与曲面不相交，因此任意时刻都将能满足两个滚轮同时与曲面接触。
如图9所示，当由刚性链杆串联而成的双滚轮组在凸曲线上滚动时，固定半径为r的一对刚性滚轮组，滚轮中心间距d满足
Figure BDA0002223745530000096
时，可以保证两个滚轮同时与曲面接触。
如图9-10所示，随着d增大达到
Figure BDA0002223745530000101
的临界状态时，滚轮将脱离凸曲线滑动面，因此，当顶推梁体中间支点截面过所述滚轮式梁体顶推施工装置时，为减小顶推难度，应将该处做反向过渡曲线(如图11所示)，形成的过渡凸曲线等效半径R与滚轮半径r及滚轮中心间距d的关系应满足
Figure BDA0002223745530000102
(式中a为考虑滚轮的实际刚性连杆的宽度影响)，可以保证在顶推过程中不发生跳越和滚轮脱空。
运用本发明所述的一种滚轮式梁体顶推施工装置，通过自由转动的铰轴适应不同线型(线性、二次曲线等)变化的梁底，既可以用于传统等高度梁或梁底齐平的梁的顶推施工，也可以适用于变高度梁的顶推施工，打破了传统顶推法施工工艺对于梁型选择的限制性条件，丰富了顶推法施工工艺的同时，也拓展了顶推法施工桥梁的梁型选择范围，可以实现在顶推法施工中由变高度梁替代等高度梁，有效降低材料用量，提高设计的经济性；同时该滚轮式顶推施工装置在顶推过程中主要克服滚动摩阻力做功，远小于传统顶推工艺中的滑动摩阻力且不需要耗费大量钢板和聚四氟乙烯滑板，可以降低顶推施工的难度，加快顶推速度，节约资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滚轮式梁体顶推施工装置，包括下支撑结构(1)和位于其上方的上支撑结构(2)，其特征在于，所述下支撑结构(1)用于连接于基座上，所述下支撑结构(1)和所述上支撑结构(2)铰接于主铰轴(3)，所述上支撑结构(2)上方设有至少一组滚轮组(5)，每组所述支撑滚轮组(5)和所述上支撑结构(2)铰接于副铰轴(4)，所述上支撑结构(2)和所有所述支撑滚轮组(5)的转动方向均沿顺桥向设置，所有所述支撑滚轮组(5)用于支撑梁体，还包括限位结构，所述限位结构用于限制梁体横桥向位移。
2.根据权利要求1所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，梁体腹板底部中心抵接于所述支撑滚轮组(5)上。
3.根据权利要求2所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，所述下支撑结构(1)通过预埋螺栓结构连接于基座上。
4.根据权利要求3所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，所述下支撑结构(1)包括底板和相对设置的两个支撑板，所述支撑板连接于所述底板，两个所述支撑板之间设置所述主铰轴(3)。
5.根据权利要求4所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，所述上支撑结构(2)包括顶板和相对设置的两个连接板，所述连接板连接于所述顶板，两个所述连接板位于两个所述支撑板之间，且每个所述连接板贴合于对应一侧的所述支撑板，所述主铰轴(3)穿过两个所述连接板。
6.根据权利要求5所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，每个所述支撑滚轮组(5)包括框架和若干个滚轮，所述滚轮设于所述框架内，且所述滚轮顶端高于所述框架顶端，所述框架和所述上支撑结构(2)铰接于所述副铰轴(4)。
7.根据权利要求6所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，所述限位结构包括导向轮组(6)，所述导向轮组(6)抵接于梁体腹板外侧底端。
8.根据权利要求7所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，所述框架上设有支撑梁(7)，所述支撑梁(7)上设置所述导向轮组(6)。
9.根据权利要求8所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，所述导向轮组(6)包括至少一个导向轮，所述支撑梁(7)位于所述框架的一端。
10.根据权利要求1-9任一项所述的滚轮式梁体顶推施工装置，其特征在于，沿顺桥向设置若干个所述下支撑结构(1)，所有所述下支撑结构(1)分列两排，两排之间的间距适配梁体底部宽度。
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