山區(qū)大跨徑懸索橋施工纜索吊機(jī)總體設(shè)計(jì)

常 文，朱東生，劉德敬，梁進(jìn)達(dá)，李慶達(dá)，邱大彥

(1. 云南龍江特大橋建設(shè)指揮部，云南 騰沖 679100；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

山區(qū)大跨徑懸索橋施工纜索吊機(jī)總體設(shè)計(jì)

常 文1，朱東生2，劉德敬1，梁進(jìn)達(dá)3，李慶達(dá)1，邱大彥1

(1. 云南龍江特大橋建設(shè)指揮部，云南 騰沖 679100；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

通過介紹懸索橋施工纜索吊機(jī)的特點(diǎn)，并結(jié)合龍江橋千米級(jí)大噸位纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)，論證了懸索橋施工纜索吊機(jī)主索、塔頂塔架、支索器、主索錨固形式等主要構(gòu)件或構(gòu)造的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及常用形式。其研究成果對(duì)懸索橋施工纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

橋梁工程；懸索橋；纜索吊機(jī)；設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著西部山區(qū)高等級(jí)公路的建設(shè)，大跨徑懸索橋數(shù)量愈來(lái)愈多。山區(qū)大跨徑懸索橋與沿海地區(qū)或大江大河上的大跨徑懸索橋相比，在設(shè)計(jì)或建造技術(shù)上有許多不同，例如加勁梁的架設(shè)技術(shù)就有很大的差別。

在通航條件良好、能夠行駛大噸位船舶的江河或海面上架設(shè)懸索橋加勁梁時(shí)，一般可選擇平坦開闊的場(chǎng)地制造加勁梁，之后利用大噸位船舶將制造好的加勁梁節(jié)段運(yùn)送到橋位處欲安裝位置的正下方，再利用纜載吊機(jī)垂直起吊安裝。不具備良好通航條件的山區(qū)懸索橋則很難利用該方法施工，其原因主要是加勁梁節(jié)段不僅重量大，一個(gè)節(jié)段的重量通常超過100 t，而且尺寸龐大，其平面尺寸在十多米到數(shù)十米之間；如此龐大的加勁梁很難通過陸路運(yùn)輸，更難運(yùn)送至欲安裝位置的正下方。所以山區(qū)懸索橋一般需要在橋位附近設(shè)置加勁梁制造廠，避免大節(jié)段加勁梁的陸路運(yùn)輸，同時(shí)還需解決加勁梁在橋位處的運(yùn)輸安裝問題。

針對(duì)山區(qū)懸索橋加勁梁安裝存在的困難，橋梁建設(shè)者們?cè)诠こ讨醒芯繉?shí)踐了不同的安裝方法。如貴州壩陵河大橋的加勁梁采用鋼桁加勁梁，加勁鋼桁梁采用橋面吊機(jī)懸臂拼裝架設(shè)法；湖南矮寨大橋也采用鋼桁加勁梁，其加勁梁架設(shè)則采用了軌索滑移法。從架設(shè)速度和經(jīng)濟(jì)效益方面綜合衡量，纜索吊機(jī)安裝是山區(qū)懸索橋加勁梁安裝的一種適宜方法。

纜索吊機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，起吊能力大，不僅能垂直起吊，還能水平長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸，可進(jìn)行加勁梁梁段的整體吊裝，施工速度快，是橋梁和水電大壩施工中經(jīng)常使用的設(shè)備[1]。纜索吊機(jī)在橋梁工程中主要用于拱橋的預(yù)制安裝施工，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代懸索橋施工中最早采用纜索吊機(jī)進(jìn)行加勁梁安裝施工的是重慶豐都長(zhǎng)江大橋(450 m)和重慶鵝公巖大橋(600 m)[2]，之后重慶忠縣長(zhǎng)江大橋(460 m)、西藏角籠壩大橋(357 m)、重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江二橋(580 m)、貴州北盤江大橋(636 m)、湖北滬蓉西四渡河大橋(900 m)等均采用纜索吊機(jī)進(jìn)行加勁梁的安裝施工[3-4]。

懸索橋施工中使用的纜索吊機(jī)和拱橋施工中使用的纜索吊機(jī)有相同之處，也有一定的差異，特別是構(gòu)造方面。結(jié)合國(guó)內(nèi)外首座千米級(jí)大噸位纜索吊機(jī)——龍江特大橋施工纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)，研究了懸索橋施工纜索吊機(jī)的總體布置及構(gòu)造設(shè)計(jì)問題。

1 懸索橋施工中纜索吊機(jī)塔架設(shè)計(jì)

拱橋施工纜索吊機(jī)多數(shù)都需要索塔和扣塔，在地勢(shì)比較平坦的地區(qū)，隨著橋梁跨徑的增大，索塔的高度迅速增大，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)和纜索吊機(jī)成本的增大[5-6]。而懸索橋施工纜索吊機(jī)不需要扣塔，一般也不需要獨(dú)立的索塔，通?？稍趹宜鳂蛑魉魉显O(shè)置高度較小的塔架來(lái)支撐纜索吊機(jī)主索。這不僅避免了高索塔設(shè)置和索塔纜風(fēng)，也大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和成本。

在懸索橋施工纜索吊機(jī)塔頂塔架的設(shè)計(jì)中，需要考慮塔架的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)形式。確定懸索橋施工纜索吊機(jī)塔頂塔架高度時(shí)，不僅要考慮纜索吊機(jī)主索工作時(shí)的垂跨比，還需保證纜索吊機(jī)工作時(shí)主索與起重索、牽引索以及懸索橋主塔之間互不干擾[7]。

為避免纜索吊機(jī)主索與懸索橋主纜、貓道及橋面之間的干擾，纜索吊機(jī)主索工作時(shí)必須與懸索橋橋面之間保持一定的距離，該距離與吊具尺寸、期望的安全距離等有關(guān)。當(dāng)主索的允許最低高度及期望的垂跨比確定后，塔架的高度也可基本確定。

計(jì)算表明起吊相同重量時(shí)，主索工作時(shí)的垂跨比越大，主索的受力越小，因此僅從有利于主索受力角度考慮，主索的垂跨比越大越好。增加塔架高度雖然可以增大主索的垂跨比，改善主索受力，但塔架高度增加對(duì)塔架受力不利，而且懸索橋施工纜索吊機(jī)的跨徑一般較大，塔架高度的有限增加對(duì)垂跨比的影響也有限。所以一般情況下，通過增加塔架高度來(lái)增大主索垂跨比并不一定合理。

以龍江橋?yàn)槔渌斔芨叨葹?.5 m，主索工作時(shí)的最大垂度為95 m，纜索吊機(jī)跨徑為1 196 m，纜索吊機(jī)工作時(shí)的垂跨比為1/12.59，若其他條件不變，僅將塔架高度增加5 m，假定主索工作時(shí)的最大垂度也增加5 m，則纜索吊機(jī)工作時(shí)的垂跨比為1/11.96。由于主索的垂度增大了約5%，主索的水平力也減小約5%，但主索張力減小不到5%。由于纜索吊機(jī)塔架不僅受豎向力，還有較大的水平力，塔架高度增大后，雖然主索受力略有減小，但對(duì)塔架受力則極為不利。因此一般不宜通過增大塔架高度來(lái)增大主索垂跨比。

在塔架設(shè)計(jì)中，還需要考慮的因素就是主索的曲率以及避免主索與主塔之間相互干擾。為減小主索作用在塔頂?shù)乃搅?，主索在塔頂一般通過滑輪索鞍支撐?；喌闹睆揭话悴粫?huì)太大，若順橋方向只設(shè)置一排滑輪，則主索的曲率會(huì)很大，進(jìn)而引起主索過大的彎曲應(yīng)力，這對(duì)主索受力很不利。在不增加索鞍滑輪直徑的情況下，可沿順橋向設(shè)置多組滑輪以減小主索的彎曲應(yīng)力。圖1和圖2分別是龍江橋和北盤江橋纜索吊機(jī)塔頂滑輪索鞍的布置形式。當(dāng)塔架順橋方向尺寸較小，且塔架高度較小時(shí)，應(yīng)注意防止纜索吊機(jī)起吊時(shí)主索與主塔邊緣是否會(huì)發(fā)生接觸。塔架上除設(shè)置主索的支承滑輪外，還需考慮起重索和牽引索的支承，并注意防止3種索之間的相互干擾。

圖1 北盤江橋纜索吊機(jī)塔架布置示意(單位：cm)Fig.1 The cable crane tower support layout diagram,Beipanjiang bridge

圖2 龍江橋纜索吊機(jī)塔架示意(單位：cm)Fig.2 The cable crane tower diagram of Longjiang bridge

塔架一般采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，桿件可以采用型鋼或鋼管。如果采用鋼管，為增加鋼管的穩(wěn)定性，可考慮鋼管內(nèi)灌注混凝土。

2 主索布置

懸索橋施工纜索吊機(jī)一般需要設(shè)置兩組主索，兩組主索的橫橋向間距可以比懸索橋主纜的間距大，也可以比懸索橋主纜的橫向間距小。圖3是重慶鵝公巖橋纜索吊機(jī)主索橫向布置示意。圖4是龍江橋纜索吊機(jī)主索的橫向布置形式。影響兩組主索橫向間距的主要因素是加勁梁的吊運(yùn)方式。如果加勁梁吊運(yùn)過程中不經(jīng)過已架設(shè)到位的梁段下方，即加勁梁從兩岸兩端分別向跨中方向依次吊運(yùn)時(shí)，纜索吊機(jī)兩組主索一般布置在主纜內(nèi)側(cè)，當(dāng)然也可布置在主纜的外側(cè)。纜索吊機(jī)主索布置在懸索橋主纜外側(cè)時(shí)，不僅需要設(shè)置大尺寸的吊具，支承主索的塔架也需通過塔頂強(qiáng)大的預(yù)埋件來(lái)支撐在塔壁外側(cè)，因此纜索吊機(jī)主索一般布置在主纜內(nèi)側(cè)。若吊運(yùn)過程中加勁梁需要通過已架設(shè)梁段的下方時(shí)，則纜索吊機(jī)兩組主索必須布置在懸索橋主纜的外側(cè)。

圖3 鵝公巖橋纜索吊機(jī)主索橫向布置示意Fig.3 Cable crane main line horizontal layout, Egongyan bridge

圖4 龍江橋纜索吊機(jī)主索橫向布置(單位：mm)Fig.4 The transverse layout of main cable of cable crane, Longjiang bridge

纜索吊機(jī)每組主索通常由多根鋼絲繩組成，如鵝公巖橋和四渡河橋的纜索吊機(jī)每組主索均由8根Φ56的鋼絲繩組成，北盤江橋每組主索由12根Φ52鋼絲繩組成，龍江橋選擇了10根Φ60的鋼絲繩組成。多根鋼絲繩形成一組主索時(shí)，為避免各根主索垂度不一致導(dǎo)致的受力不均，常將各根主索串聯(lián)。如四渡河橋?qū)?根主索在錨固位置通過滑輪串聯(lián)，北盤江橋則將12根主索分為兩組，每組6根之間串聯(lián)。各根主索串聯(lián)雖然有利于主索垂度的調(diào)平，但其安全隱患也不容小視。當(dāng)一根主索出現(xiàn)問題時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此龍江橋采用了先串聯(lián)安裝主索，安裝完成后之后每?jī)筛魉鞑⒙?lián)鎖定錨固。這種先串聯(lián)后并聯(lián)的方式不僅有利于多根主索的調(diào)平，也增加了纜索吊系統(tǒng)的安全性。

纜索吊機(jī)主索最大吊重下的垂跨比一般介于1/10～1/15之間[8]，如四渡河橋纜索吊機(jī)的空索垂跨比為1/15，重載垂跨比為l/12，北盤江橋纜索吊機(jī)的空索垂跨比為1/26，重載垂跨比為l/15。龍江橋纜索吊機(jī)安裝時(shí)的垂跨比為空索垂跨比為1/20，重載垂跨比為l/12.6。

主索應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)進(jìn)行3方面的驗(yàn)算：①驗(yàn)算由于主索張力引起的拉應(yīng)力;②驗(yàn)算起重小車在主索上行走時(shí)引起的接觸應(yīng)力;③主索的彎曲應(yīng)力。3種情況下的安全系數(shù)并不相同，拉應(yīng)力的安全系數(shù)一般介于3.0～3.5之間，此安全系數(shù)不宜過大，對(duì)于大跨徑纜索吊機(jī)，由于恒載(纜索系統(tǒng)自重)所占比重較大，且這部分重量相對(duì)較為穩(wěn)定，因此大跨徑纜索吊機(jī)的拉應(yīng)力安全系數(shù)更宜取小值。接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的安全系數(shù)一般大于2。

3 支索器設(shè)計(jì)

大跨徑懸索橋?yàn)闇p小牽引索運(yùn)行阻力，避免不同索之間的相互纏繞，解決配重占吊重比例大的問題，應(yīng)設(shè)置支索器。支索器托輥所用材料不應(yīng)對(duì)起重索和牽引索產(chǎn)生非正常的磨損。易損壞的部件應(yīng)方便維護(hù)和更換。支索器的間距應(yīng)結(jié)合多種因素考慮確定。龍江橋施工纜索吊機(jī)原方案中支索器采用等間距布置，間距為46 m，起重小車兩側(cè)各布置25個(gè)?？紤]到主索的線形為懸鏈線，在橋塔附近起重索和牽引索可以下垂大一些，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)有影響。因此方案優(yōu)化后的支索器采用縱向不等間距布置，從跨中起重小車向索塔方向布置間距逐漸增大，支索器的間距分別為：(15×46+3×50+65+ 80+90)m，起重小車兩側(cè)各布置21個(gè)。調(diào)整后的方案既減少了支索器數(shù)量，同時(shí)仍保持跨中區(qū)域支索器定位繩下垂高度不變。

4 主索錨固方式

拱橋施工纜索吊機(jī)的主索一般需要獨(dú)立的地錨，隨著起吊重量的增加，地錨工程量也增大。而懸索橋施工纜索吊機(jī)的主索可以利用懸索橋主纜地錨來(lái)錨固，不僅減小了費(fèi)用，還增加了安全性。纜索吊機(jī)主索在懸索橋錨碇結(jié)構(gòu)上的錨固位置，應(yīng)結(jié)合錨碇結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行考慮，但需避免主索和貓道、主纜之間的相互交叉影響，且方便主索架設(shè)施工。

如果懸索橋?yàn)橹亓κ藉^碇，主索可錨固在散索鞍支墩上，或者錨固在錨塊上。如果懸索橋主纜為隧道錨或者巖錨，為減少施工投入，可在錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先考慮纜索吊機(jī)主索的錨固空間要求和受力要求。四渡河橋纜索吊機(jī)主索一端錨固在主橋隧道錨上方的巖體中，采用巖錨錨索形式，另一端錨固在重力式錨錠上方。鵝公巖橋主橋的地錨一端為重力錨，一端為隧道錨，其纜索吊機(jī)主索地錨為單獨(dú)的錨固系統(tǒng)，為設(shè)在兩岸的鋼筋混凝土地錨，尺寸為(5.5×3.5×2.5)m，地錨嵌入完整砂巖1.5 m以上，為了增加地錨的抗傾、抗剪能力，又在地錨尾部增設(shè)兩根φ1 m，深3.5 m的挖孔樁。

龍江橋主橋地錨為重力式錨錠，纜索吊機(jī)主索錨固在散索鞍支墩上，在錨碇散索鞍支墩埋設(shè)鋼板帶，在支墩前斜面安裝錨固滑輪，形成主索錨固系統(tǒng)。圖5為龍江橋纜索吊機(jī)主索串聯(lián)改并聯(lián)的錨固示意。

圖5 調(diào)整后主索串聯(lián)改并聯(lián)鎖緊錨固示意Fig.5 Main cable anchoring changed from serial to parallel layout diagram

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過總結(jié)國(guó)內(nèi)主要的幾座懸索橋纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并結(jié)合龍江橋千米級(jí)大噸位纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)，研究了懸索橋施工中纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。重點(diǎn)分析了纜索吊機(jī)塔架設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題及塔架高度的選擇、纜索吊機(jī)主索的橫向布置及垂跨比的選擇、同一組主索各根鋼絲繩的連接方式、主索的錨固方式、支索器的布置等問題，給出了不同問題的不同解決方案。其研究結(jié)果對(duì)懸索橋施工纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。

[1] 嚴(yán)自勉，顧斯照.纜索起重機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2010. YAN Zimian, GU Sizhao.CableCrane[M].Beijing:China Electric Power Press,2010.

[2] 楊壽忠.重慶鵝公巖懸索橋主梁索道吊裝方案設(shè)計(jì)[J].市政技術(shù)，2005,23(5):285-287. YANG Shouzhong. The conceptional design of main girder erection by cableway for Egongyan suspension bridge in Chongqing[J].MunicipalTechnology,2005,23(5):285-287.

[3] 李德欽，包建武，鮮正洪,等.900m大跨徑纜索吊驗(yàn)算及荷載試驗(yàn)[J].公路與汽運(yùn),2009(1):131-134. LI Deqin，BAO Jianwu，XIAN Zhenghong. Long-span of 900 meters cable hoisting system calculation and load test[J].RoadsandTrucks,2009(1):131-134.

[4] 郭吉平.北盤江大橋纜吊系統(tǒng)及鋼桁梁安裝關(guān)鍵技術(shù)[J].世界橋梁,2011(6):22-25. GUO Jiping. The key technologies of steel truss beam installation and cable crane system of beipangjiang bridge[J].WorldBridges,2011(6):22-25.

[5] 彭成明，陳富強(qiáng)，陳鳴.寧波明州大橋400 t纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)與施工[J].中外公路,2011,31(5):167-170. PENG Chengming，CHEN Fuqiang,CHEN Ming. The 400 t cable crane design and construction of Mingzhou bridge in Ningbo[J].JournalofChina&ForeignHighway,2011,31(5):167-170.

[6] 李寶東.纜索吊的設(shè)計(jì)安裝及使用[J].公路,2005(10):73-77. LI Baodong. The design and use of the cable hoisting system[J].Highway,2005(10):73-77.

[7] 冉貿(mào)學(xué),許紅勝.山區(qū)大跨懸索橋施工纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中外公路,2009,29(4):101-104. RAN Maoxue, XU Hongsheng.The cable crane’s key points of construction of long-span suspension bridge in mountain[J].JournalofChina&ForeignHighway,2009,29(4):101-104.

[8] 許紅勝，顏東煌，冉貿(mào)學(xué).橋梁施工纜索吊機(jī)承載索的設(shè)計(jì)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28(5):837-839. XU Hongsheng, YAN Donghuang, RAN Maoxue. Design of load-bearing cable of cable crane used in large-span bridge construction [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2009,28(5):837-839.

The System Design of Cable Cranes Applied in Erection of Long-span Suspension Bridge in Mountainous Region

CHANG Wen1, ZHU Dongsheng2, LIU Dejing1, LIANG Jingda3, LI Qingda1, QIU Dayan1

(1. Yunnan Longjiang Bridge Construction Headquarters,Tengchong 679100,Yunnan,P.R.China; 2. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China; 3. CCCC Second Highway Engineering Co., Ltd.,Xi’an 710065,Shaanxi,P.R.China)

The salient features of the cable crane for suspension bridge erection were introduced and in combination with the design of cable crane with thousand-meter scale and large tonnage capacity for Longjiang River Bridge design key points and common forms for such major components or configurations as cable crane,tower support on top of bridge tower, cable support, anchorages of main cables were addressed.The results of analysis can be reference to the cable crane design for suspension bridges erection.

bridge engineering;suspension bridge;the cable crane;design

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.04

2015-09-15；

2015-10-11

交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2009318000006)

常 文(1961—)，男，云南騰沖人，高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁技術(shù)方面的研究。E-mail:397238898@qq.com。

U445.3

A

1674-0696(2016)05-013-04