张荣

摘要:缆索起重机是用在承载缆索上行走的起重小车进行吊运作业的起重机，在桥梁施工中应用十分广泛,它能有效地解决施工中起重构件需长距离的垂直和水移动问题,跨度、吊重、吊高等可根据需要设计。通过对某大桥设计和使用的大跨度缆索起重机阐述其优化设计和施工应用。

关键词:缆索起重机; 工程；应用

Abstract: the cable crane is used in carrying the cable car to walk on lifting the lifting operation of the crane, in bridge construction application is very extensive, it can effectively solve the construction component long vertical lifting to move and water problems, span, hanging heavy, hanging higher according to requirements design. By the bridge design and use of long-span suspension cable crane explains the optimization design and construction application.

Key words: the cable crane; Engineering; application

中图分类号：TH21文献标识码：A 文章编号：

1 基本情况

某大桥桥跨为3 ×24 m + 8 ×32 m预应力混凝土简支梁+ (84 + 144 + 84) m预应力混凝土连续刚构+ 8 ×32 m+ 4 ×24 m 预应力混凝土简支梁,正线桥长1 025. 06m ,双线等长,桥高110 m。上部结构为单箱单室变高度变截面箱形梁,主桥主墩处梁高10 m ,跨中及边跨梁端处梁高5. 2 m ,箱梁顶宽11 m ,箱宽7 m ,梁体设纵向、横向、竖向三向预应力。主墩均为钢筋混凝土圆端形空心墩,墩身高69 m。江水暴涨暴落,年内洪枯水位差达20多m。由于该桥工期紧,主墩基础施工必须在一个枯水期完成,故采用缆索起重机辅助施工,解决汛期构件吊装、材料设备运输、缆索吊跨内的高墩墩身施工和刚构梁体施工。该缆索起重机跨度为锚固跨110 m + 吊重跨739 m + 锚固跨105 m,矢跨比f / L =1/ 16 ,额定吊重为2 ×100 kN,2 台缆吊缆索系统共用1个塔架。主索为2-2Ф52 mm钢丝绳(6 ×37 S + IWR,强度1 870 MPa) ,起重索为Ф20 mm 钢丝绳, 起重卷扬机为5 t 单快;牵引索为Ф24 mm钢丝绳,牵引卷扬机为10t 单快。所有卷扬机均设在鱼嘴侧缆索吊机后主锚碇前,牵引索在团结村岸设置转向滑轮转向,采用一端牵引,解决了以往两端设卷扬机牵引易发生对拉事故问题。塔架为N型万能杆件拼成2 m ×2 m方格形双立柱加5 道横梁的门形钢架,塔底铰结,塔架横向桁宽:团结村侧24 m ,主要为使曲线上主桥简支梁架桥机能通过塔架,鱼嘴侧14 m ,纵向桁宽均为2 m;团结村侧塔架高84. 13 m ,鱼嘴侧塔架高为82. 13 m ,塔架基础均为钢筋混凝土刚性扩大基础。主锚碇和缆风绳锚碇两岸均采用重力式浆砌片石砌体结构。该桥缆索起重机总体立面如图1 所示。

图1 缆索起重机总体立面(单位:m)

2 缆索系统的设计

(1) 主索设计与计算本桥主索在鱼嘴岸锚碇采用固结形式, 直接锚固在锚碇上;在团结村侧采用可调形式,每根Ф52 主索与2 Фδ2 预应力高强精轧螺纹钢筋可调杆连接作成可调结构,用以精调主索垂度。

本桥缆索起重机为3 跨主索,中跨为承重跨,采用自编缆索起重机计算程序设计。根据地形、地质条件选择合理的矢跨比f / L = 1/ 16 和塔高84 m。利用既有的跑车和索鞍来选择主索。多跨主索体系的特点是,当其中一跨荷载变化使该跨的垂度增大, 其余跨垂度相应减小,主索在中间塔架的索鞍滑轮上滑动,用改變了的多跨主索的垂度来适应变化了的张力。缆索体系矢跨比f / L ≤1/ 10 可认为属小垂度悬索,缆索起重机矢跨比一般在1/ 10 ～ 1/ 20 取值设计较为合理。忽略中间塔架顶索鞍的摩阻力,主索在各跨跨中的张力均应相等。

3 跨主索的缆索起重机计算公式是根据吊重P 在承重跨跨中与在距左塔x 处两种状态时, 在考虑由于张力变化的弹性变形和其他因素(如温度、支座位移) 的变形影响后索长相等条件下推导出来的。公式如下

(1)

式中Eη ———钢丝绳的弹性模量;

F ———主索的截面面积;

l ———承重跨跨度, G = gl ;

g ———主索的换算线重(含主索承托的起重牵引索等) ;

β ———两塔架间的倾斜角;

P ———全部集中荷载(包括跑车重、集中在跑车处支索器重、绳重、配重、设计吊重等)

H ———荷载P 作用于跨中主索的水平横拉力;

Px ———安装状态的集中荷载;

Hx ———在Px 作用下主索的横拉力;

x ———Px 距左塔索鞍顶水平距离;

W ———温度、索鞍变位等的支座位移影响值。温度位移的W = ε·Δt ·l1 , 升温为“+”、降温为“- ”;支座位移的W = δ,向主索跨内位移取“+”, 向跨外位移取“- ”。跑车所在跨主索垂度(跨中)

用以上公式计算跑车在吊重100 kN 位于跨中时,最大主索垂度为46. 187 5 m, 单根主索张力为487. 5kN,矢跨比f / L = 1/ 16。当跑车为双跑车间距为a (单跑车a = 0) 时,跑车所在跨主索垂度(跨中)

(2) 缆索系统设计安全系数(表1)

表1 缆索系统设计安全系数

(3)缆索系统实际安全系数的选取根据本地钢丝绳的实际情况、计算结果及现场情况,确定缆索系统的实际安全系数如表2 所示。

表2 缆索系统实际安全系数

3 塔架与缆风系统的设计

塔架的计算包括强度、整体稳定和特别部位杆件与节点板的局部稳定计算。塔架一般分塔底固结与塔底铰接2 种, 塔架一般设计成门型钢架, 横向刚度较大, 抵抗横向外力(主要指横向风力等) 一般均无问题;塔身受纵向风力, 塔顶受缆索系统产生的水平力,对于塔底固结塔架, 靠塔架自身刚度和有初始力的缆风绳产生的抗力平衡, 而塔底铰接塔架主要靠有初始力的缆风绳产生的抗力平衡。吊重跨内缆风绳如受地形限制时可设通风缆(又名压塔索) 来解决。为了有效发挥缆风绳的作用,一般缆风绳的初始力,按照主跨受1/ 2 吊重时塔顶无纵向水平位移(即塔架竖直) 、且塔顶在发生小于允许变位Δ 时, 产生水平力ΔH 大于无吊重和最大吊重时缆索系统产生的水平力差与不利方向风荷载作用下总水平力。塔底固结时塔顶位移应小于1/ 400 ～ 1/ 600 塔高, 塔底铰结时塔顶位移应小于1/ 150 ～ 1/ 200 塔高。本桥缆索起重机塔架上、下游侧各设置1 组纵桥向的前后缆风索。两塔前缆风索上、下游均为2 Ф28 mm 钢丝绳,后缆风索均为2Ф44 mm 钢丝绳。未设腰缆时塔架的整体稳定安全度λ > 5 ,由于该缆索吊机塔架较高,为增强塔的纵向整体稳定性,在塔的上、下游中间与前后各设1 道腰缆, 腰缆为Ф20 mm钢丝绳。

按跨中吊重50 kN 塔架保持竖直的原则, 前缆风绳初始水平力为30 kN,后缆风绳初始水平力为113. 75kN,2 个初始水平力之差为H0 ,变位Δ后水平力为H,增量ΔH = H - H0 ,其计算实质上就是无集中荷载的两支座不等高且有支座位移为Δ的悬索计算公式,如图2 所示。

式中,Δ为塔顶变位; H0 为缆风绳安装时的初始水平力, 向缆风绳跨内取“+”, 向缆风绳跨外取“- ”。缆风绳安装时初始水平力最好由测力计测得, 如无测力计可由观测缆风绳垂度算得

塔底固结塔架在塔顶发生允许变位范围内的位移时,塔架自身刚度与缆风绳共同产生的水平抗力要大于塔顶的最大不平衡水平力。

4 锚碇系统的设计

缆索起重机主锚碇一般均需承受较大的水平力和上拔力,根据地形、地质条件,本着经济、安全、施工方便的设计原则,尽量利用既用资源和當地材料资源与锚碇处实际情况决定地锚的形式。重力式砌体地锚结构形状较大但较为经济,嘉陵江大桥2 ×100 kN 缆索起重机两侧主锚采用此形式,充分利用了重庆石料资源丰富的优势。常用的还有钢筋混凝土低承台人工挖孔桩形式,结构小而有效,可承受较大的水平力和上拔力。其计算采用m 法计算群桩基础,详见铁路、公路桥涵设计规范。

5 分索器与配重

为使吊钩能自由下落, 缆索起重机的吊钩一般需加配重块, 配重块与下挂架总重为P , g 为牵引索线重, x 为分索器间距离, f 为牵引索垂度, f ≤0. 01 x ,α为起重滑轮组系数, k 为经验修正系数(一般k 可根据跨度在1. 1 ～ 1. 3 取值进行设计计算,现场可根据实验确定) 。起重索提起P 所需张力

大跨度缆索起重机应考虑安装分索器来改善配重占吊重比例大的状况,另一方面设置分索器可以防止牵引、起重索和主索等相互缠绕现象。尤其是墩身施工安装模板过程中跑车来回点动的情况。本桥缆索起重机按每隔50 m 设置了1 个分索器,1 台缆索吊机设28 个,跑车下挂架另加配重19 kN。

6 施工与应用情况

该桥缆索起重机从施工到投入使用共用了3 个月时间,主要过程如下。

(1) 塔架拼装

塔架拼装根据现场条件,因吊机进场不便,采用了简易扒杆逐格散拼。塔架安装前,先检查塔架基础上预埋件位置,再安装下铰座。拼装塔架上铰座,抄垫临时支腿,调整上、下铰座位置后,使两临时支腿高差≯2mm。两立柱同步拼装,超过8 m 高后应挂拉缆风绳,并随拼装高度增加2 套缆风绳上移,拼装到腰缆位置后应挂拉腰缆,以保证构架稳定。横联采取在下面散拼桁片,两柱对称同时起吊拼装合龙,利用缆风绳收放调整尺寸,以利合龙。塔架拼装完后,挂拉前后缆风绳,在塔架顶用塔顶鹰嘴起吊安装索鞍等。

(2) 缆索挂设

用船将导索( Ф9 mm 钢丝绳) 引渡过江, 利用Ф9mm钢丝绳拖拉架设Ф20 mm 牵引索作为临时拖拉索。将主索锚头锚固于团结村岸主地锚锚碇处, 将主索的无锚头端拖拽至塔顶, 绕过索鞍支座滑轮后, 与Ф20mm牵引索用夹箍连接, 安装拖轮架, 拖轮架悬挂于Ф20 mm牵引索上,承托Ф52 mm主索。收放临时拖拉索两端卷扬机,将主索拖至团结村岸塔顶,绕过索鞍支座滑轮后,继续拖拉过鱼嘴岸塔顶至鱼嘴岸地锚,将主索端头绕过主索锚固梁弯回用绳夹夹死。回拉Ф20 mm临时拖拉索,安装另外3 根主索。

将长约1 525 mФ20 mm钢丝绳置于团结村侧主地锚附近,将其一端牵引至团结村岸塔顶绕过起重索滑轮后临时锁定于塔顶。采用先从两岸塔架外侧的卷扬机上拉出临时Ф28 mm 钢丝绳(导索) 过塔顶索鞍拉至河中船上插接,然后用Ф20 mm 钢丝绳(导索) 来回拖拉挂设起重索。

挂设主索与起重索采用先行破劲, 避免了主索可调端锚固件发生扭转和起重索在起重大钩空钩下极易发生的自行缠绕现象。

7 结语

缆索起重机在桥梁施工中使用较多,性能安全可靠,使用方便,吊装覆盖面大,不受洪水影响,但设备较多,运输安装工作量大,一次投入费用较高。其跑车、索鞍、主索、钢丝绳、塔架、铰座等设备设计上应从长远考虑。锚碇、塔架基础等一次性使用且不要求耐久性的结构,应结合地形、地质等自然条件充分利用当地资源从总体和结构形式上优化,本着经济、安全有效的原则设计。从已设计和使用的缆索起重机来看,该设计与施工今后仍需考虑以下几个问题。

（1） 主索钢丝绳的弹性模量对计算影响较大, 购买时应通过实验提供E 值, 并考虑跨度折减, 折减系数等于承重跨跨度与总跨度比值。

(2) 主索钢丝绳随使用时间的增长其非弹性变形的释放将影响主索垂度,设计时应考虑调索或足够的起吊净空,尤其是大跨度缆索起重机。

(3) 大跨度、大吨位缆索起重机应考虑使用分索器解决配重占吊重比例大的问题。

(4) 牵引、起重卷扬机应在设备允许条件下尽量选用快速度的卷扬机,以提高缆索起重机的效率。

(5) 使用频率较高的缆索起重机的牵引卷扬机,应从设计上考虑设置为从一端牵引,以解决两端牵引的对拉问题。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。