架空索道受力計(jì)算

朱 鵬 飛，　徐　飛，　朱 毓 杰

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第八支隊(duì)，重慶　410320；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第三總隊(duì)，四川 成都　611130)

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架空索道受力計(jì)算

朱 鵬 飛1，徐飛1，朱 毓 杰2

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第八支隊(duì)，重慶410320；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第三總隊(duì)，四川 成都611130)

隨著水電開(kāi)發(fā)的日益深入，在西部地勢(shì)險(xiǎn)要山區(qū)進(jìn)行水工隧洞施工時(shí)，將遇到修建臨時(shí)施工道路難度大等實(shí)際問(wèn)題，架空索道作為解決這些難題的可靠方式，解決了水工隧洞施工期間的材料運(yùn)輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。結(jié)合架空索道在“引田入環(huán)”輸水隧洞工程2#支洞施工中的應(yīng)用，對(duì)架空索道的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了介紹。

架空索道；結(jié)構(gòu)；受力；計(jì)算；田灣河；引田入環(huán)

1　工程概況

“引田入環(huán)”輸水隧洞工程位于大渡河支流田灣河上，為仁宗海水庫(kù)電站的引水工程，田灣河干流河水經(jīng)首部樞紐取水沿輸水隧洞引到一山之隔的支流環(huán)河上，在仁宗海建壩，匯干、支流水量實(shí)現(xiàn)增水發(fā)電的目的，隧洞全長(zhǎng)8.9 km，2#施工支洞與輸水隧洞交于樁號(hào)(輸)5+136處，主要作為輸水隧洞樁號(hào)(輸)4+100～(輸)6+900控制段的施工通道。設(shè)計(jì)的2#施工支洞出口位于沖溝內(nèi)，從圖1中可以看出此處地勢(shì)陡峭，右岸邊坡為70°左右，修建臨時(shí)施工道路難度極大，不僅要修建過(guò)河交通橋，還需進(jìn)行高邊坡開(kāi)挖且開(kāi)挖量極大，易形成新的不穩(wěn)定邊坡，造成極大的安全隱患，同時(shí)將造成較大的環(huán)境破壞。經(jīng)綜合分析，最終決定采用架空索道方式，確保了施工期間的各種材料運(yùn)輸，設(shè)計(jì)索道最大承載力為8 000 kgf(為方便敘述使用kgf單位，1kgf=9.8 N)，索道布置情況見(jiàn)圖1。

2　索道側(cè)型的選擇

索道側(cè)型，即承載索索底的縱剖面。側(cè)型的選擇不僅直接影響架空索道的修建及運(yùn)行費(fèi)用的高低，而且決定架空索道修建的可行性。因此，初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)由施工測(cè)量人員嚴(yán)格按照擬定的裝卸料平臺(tái)位置進(jìn)行沿途地形測(cè)量，并要考慮承載索運(yùn)行中的擺動(dòng)幅度，繪出數(shù)條縱剖面線，給工程技術(shù)部門(mén)合理選定兩端塔架高度和跨中最大撓度提供依據(jù)，做到合理經(jīng)濟(jì)。

3　主要結(jié)構(gòu)受力分析和計(jì)算

圖1　架空索道剖面示意圖

架空索道的承載索是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的最重要部件，對(duì)它的受力分析和計(jì)算是否正確直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為盡可能地使受力分析和計(jì)算反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，確保索道的運(yùn)行安全，筆者主要結(jié)合運(yùn)貨小車(chē)滑行的具體位置，對(duì)承載索的受力情況進(jìn)行分析。

根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的計(jì)算方法，在水利水電工程中，架空索道的工作垂度ε(跨中最大撓度與水平跨度的比值)一般為0.05～0.07，最好的取值為0.055～0.06。在本架空索道中取0.06，即跨中最大撓度f(wàn)=ε×L=0.06×657.68=39(m)，初選承載索為6×37-1 570，直徑54 mm，自重11.1 kg/m，最小破斷拉力1 510 kN(約1.54 082×105kgf)。

3.1承載索在自重情況下的受力計(jì)算

根據(jù)簡(jiǎn)易作圖法，承載索在自重情況下的受力分析見(jiàn)圖2。根據(jù)平衡條件：

HA=HB

(1)

VB=VA+ql

(2)

由于承載索為柔性結(jié)構(gòu)，索本身不承擔(dān)彎矩，故：

(3)

(4)

式中l(wèi)為承載索跨度，657.68 m；h為高差，197.48 m；q為承載索線荷載，11.1 kgf/m。

由式(1)、(2)、(3)、(4)求出：

HA=16 091.8 kgfHB=16 091.8 kgf

VA=1 348.6 kgfVB=8 648.8 kgf

圖2　承載索在自重情況下的受力分析圖

在具體施工過(guò)程中，采用先錨固B端，張拉A端的方式進(jìn)行，張拉力大小TA=16 148.2 kgf。張拉時(shí)，用已經(jīng)安裝好的卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行張拉，為確保39 m的撓度，必須控制好承載索的長(zhǎng)度，承載索中點(diǎn)長(zhǎng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法為：

=690.74(m)

承載索架設(shè)時(shí)，在中點(diǎn)(690.74 m)處布設(shè)標(biāo)識(shí)，在承載索撓度達(dá)到設(shè)計(jì)撓度后即可停止張拉。

3.2承載索對(duì)載貨小車(chē)支持力的計(jì)算

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，牽引繩牽引運(yùn)貨小車(chē)沿承載索向上勻速滑行，滑行過(guò)程中，受到自身的重力、牽引繩對(duì)它的牽引力、承載索對(duì)它的支持力和摩阻力等作用。由于摩阻力對(duì)承載索的支持力無(wú)影響，此處不作討論。

承載索對(duì)載貨小車(chē)的支持力隨小車(chē)滑行的過(guò)程而變化。經(jīng)分析，當(dāng)小車(chē)滑行至跨中時(shí)，承載索產(chǎn)生最大的撓度和最大張力，小車(chē)行至跨中時(shí)的受力分析見(jiàn)圖3。

圖3　對(duì)運(yùn)貨小車(chē)的受力分析圖

小車(chē)行至跨中，承載索產(chǎn)生最大撓度，由于跨度縮短一半，再加上自身具有的較大張力，可以看作承載索(CB區(qū)間)因自重產(chǎn)生的懸索曲線和錨固端B與承載索跨中最低點(diǎn)C的連線基本吻合。運(yùn)貨小車(chē)瞬間滑動(dòng)方向(忽略承載索自重影響)與小車(chē)?yán)碚撆榔伦畲蠼嵌瘸?0°時(shí)，運(yùn)貨小車(chē)重力Q與牽引繩對(duì)其的拉力F二者大小相等，方向相反，作為一對(duì)作用力與反作用力，此時(shí)承載索對(duì)小車(chē)的支持力為0，支持力方向?yàn)樗椒较颍槍?duì)上述情況，分析小車(chē)沿承載索滑動(dòng)過(guò)程中承載索對(duì)小車(chē)的支持力方向垂直于瞬間滑動(dòng)方向的結(jié)論。

當(dāng)運(yùn)貨小車(chē)行至跨中時(shí)，由運(yùn)貨小車(chē)受力分析簡(jiǎn)圖(圖3)及三力平衡原則可以推出：

N=Q×cos22.7°=7 380.3 kgf

F=Q×sin22.7°=3 087.2 kgf

對(duì)承載索在有荷載情況下進(jìn)行受力分析(圖4)。

對(duì)于該受力狀態(tài)下的承載索，同理有：

(5)

(6)

(7)

HA=HB+N′sin22.7°

(8)

圖4　承載索在有荷載情況下的受力分析圖

由以上各式可以推出：

HA=45 798.6 kgfVA=5 934.3 kgf

HB=42 950.5 kgfVB=20 376.7 kgf

安全系數(shù)k=154 082/47 539=3.2，在3～3.2范圍內(nèi)，既避免了因安全系數(shù)過(guò)小造成承載索易斷，又避免了因該系數(shù)過(guò)大造成疲勞斷絲。

4　結(jié)　語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)架空索道進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，對(duì)索道所選取的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在進(jìn)行索道架設(shè)時(shí)，通過(guò)對(duì)下地錨A點(diǎn)張拉力的控制，確定出承載索準(zhǔn)確的長(zhǎng)度，從而較好地控制了跨中的最大撓度。在計(jì)算最大張力時(shí)，以無(wú)載時(shí)承載索形成的最大撓度代替實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中承載索形成的最大撓度。由于承載索為柔性結(jié)構(gòu)，索的材料符合虎克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，故承載索受到集中荷載后長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生一定的變化，跨中撓度有所增加，承載索最大張力的計(jì)算結(jié)果稍微偏大，索道運(yùn)行的安全系數(shù)偏大。索道自架設(shè)完工后，經(jīng)運(yùn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)情況良好。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-07-12

TV53+2;TV51;TV53

B

1001-2184(2016)04-0040-03

朱鵬飛(1983-)，男，重慶石竹人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

徐飛(1985-)，男，四川郫縣人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

朱毓杰(1986-)，男，吉林榆樹(shù)人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程建設(shè)技術(shù)與管理工作.