基于某特大橋安裝關鍵問題分析研究

李真顏

（廣東省冶金建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510080）

1 工程概述

某特大橋所處位置在長江入口上游處，全長687.8m。主橋采用勁性骨架鋼筋砼上承式拱橋，鋼桁拱肋為勁性骨架，主弦管及橫梁弦管內灌注C60自密實無收縮砼，拱圈勁性骨架外包C55補償收縮砼。拱座基礎采用水平樁+豎向樁形式，交界墩為雙柱式空心墩，拱上11根墩柱、三聯連續梁（4孔一聯），左端引橋2×65mT構連續梁，右端引橋（44+72+44）m連續梁+24m簡支梁，全橋位于3‰直線縱坡上。

該大橋纜索吊裝系統跨徑布置為96.100m+492.950m+115.15m（右幅為123.150m），布設兩套75t主纜索吊機與兩套20t工作纜索吊機，兩套主吊中心間距20.8m，兩套工作吊最大間距為15m。兩岸設計門式纜塔，左岸纜塔高95m，右岸纜塔高92m（左幅85m）；纜塔基礎采用樁基承臺結構形式，卷揚機及自動化控制系統放置于右岸5#橋臺附近。

該套纜索吊機系統由纜塔、錨碇、主索、索鞍、牽引索、起重索、行走天車、吊具、牽引及起重卷揚機、自動化控制系統等主要系統構成。主塔立柱采用Φ630×20mm鋼管，橫梁主管采用Φ351×12mm鋼管，鋼管間聯系件采用2［20。塔身由兩道橫梁將上、下游塔柱聯成一體，構成門式框架。纜索吊機主索錨碇分別設置在0#橋臺、5#橋臺附近，纜索吊機結構簡圖如圖1所示，其各索結構基本參數見表1。

表1 索結構參數表

2 主索計算

2.1 荷載分析

主索承受的荷載主要有兩個部分：一是集中荷載；二是均布荷載。集中荷載主要包括節段重量P1、吊具自重P2、起重索部分重量P3等幾部分。均布荷載由主索、牽引索、起重索、支索器等的自重。

集中荷載：

其中：

P1=180t（最大吊重150t，計入1.2的沖擊系數）；

P2=64t（兩線各兩臺共四臺跑車24t+扁擔梁重40t）；

P3=10.86t（起重索起落高度182.25m的重量）。

主索（2-9Φ62）所受的均布荷載：

鋼絲繩主索：q1=2×9×16.1kg/m=289.8kg/m=0.2898t/m

φ28起重索：q2=2×2×2.98kg/m=11.92kg/m=0.01192t/m

φ30牽引索：q3=2×4×3.42kg/m=27.36kg/m=0.02736t/m

支索器設計每50米一個，共2t：q4=2000/492.95=4.057kg/m=0.0041t/m q=0.2898+0.01192+0.02736+0.0041=0.33318t/m

2.2 主索張力計算

針對主索的計算應選擇最不利工況，即吊重處于跨中位置工況。

最大吊重處于跨中位置時主索的設計最大垂度：

則主索最大水平拉力為：

承重索和最大吊重在靠近河心側作用在纜塔上的豎向力為：

靠近河心側承重索和水平線的豎向夾角α可以通過力的關系計算：

則由此可計算出主索的最大張力：

2.3 主索的接觸應力計算

式中：

F——主索截面積，為1808×18=32544mm2；

Dmin——小車平滾的最小直徑，取450mm；

d——主索鋼絲直徑，取3mm；

Ek——主索的彈性模量，取7.3381×104MPa。

主索的接觸應力安全系數為：

2.4 主索的彎曲應力計算

式中，n為起重跑車車輪數，設計中為n=2×18=36，其它符號與前面相同。

則主索的彎曲應力安全系數為：

2.5 空索安裝張力與安裝垂度計算

主索的張力方程為：

式中：

Hx——主索的水平張力；

Q——集中荷載；

Qx——任意荷載值，空索狀態即Qx=0；

Gx——兩塔間均布荷載總重，為164.24t；

Hm——最大水平張力，為1280.96t；

Eη——換算彈性模量。

因為主索兩端錨固長度較大，所以按三跨計算更接近實際，其換算彈性模量為：

代入公式可求得空索水平力為：則可求出空索安裝時的跨中垂度為：

垂直分力：

則最大張力為：

主索長度為：

每根主索安裝的切線傾角為：

安裝時每根主索的拉力為：

3 起重索計算

起重索使用四臺起重跑車起吊，每臺起重跑車采用φ28纖維芯鋼絲繩（6×37S+FC）走10線布置，選用4臺15t起重卷揚機，下圖2為1/2起重索布置：

圖2 起重索布置圖

3.1 荷載計算

作用在起重索上的荷載包括：最大吊重180t、扁擔梁重40t、起重索部分重10.86t。作用在跑車上的總荷載為：

不計偏載系數，作用于每臺起重跑車上的總荷載為：

3.2 起重索最大張力計算

每段拱肋采用四部跑車抬吊，每部跑車各有一組起重滑輪組，走10線布置，從定滑輪繞出，起重滑輪與轉向滑輪均采用滾動軸承。

起重索采用φ28（6×37S+FC）普通纖維芯鋼絲繩，TP=458kN，設起重索進入卷揚機卷筒時的單頭拉力為T。

起重索破斷拉力安全系數為：

3.3 起重索接觸應力計算

418.47MPa

式中：

F—— 單根起重索截面面積，為317mm2；

d—— 起重索單根鋼絲直徑，為1.2mm；

Dmin—— 起重滑輪組直徑，取400mm；

Ek—— 起重索彈性模量，為7.56×104MPa。

起重索破斷拉力安全系數為：

即起重繩安全滿足要求。

3.4 起重索容繩量計算

起重索容繩量由起重跑車運行至跨中時需繩量控制，最大起吊高度Hmax=塔頂高程-最低水位-吊重垂度-起吊物及吊具的總高度（大約25m）。

一臺起重跑車設計走10線，各卷揚機同時起吊，為確保繩索足夠，卷揚機含有50m富余量，則起重卷揚機的容繩量為：

則其容繩量取2100m。

4 牽引索計算

牽引索采用2×1Φ30（6×37+FC）鋼絲繩，單套系統走4線布置，配置4臺25t雙筒摩擦卷揚機作為機械動力。下圖3為1/2牽引索布置：

4.1 荷載計算

牽引索受力由牽引升角最大工況控制影響，跑車位于塔架附近x=50m時，牽引升角最大。

假定主索在索鞍處不移動，可得到索結構張力方程為：

得：Hx=9202.39kN

該位置垂度為：

牽引索最大升角為：

即：θ=10.09°

4.2 最大牽引力計算

最大牽引力包括：后牽引索松弛張力W1、跑車運動阻力W2和滑輪轉動阻力W3。

1）后牽引索松弛阻力

式中：

qa——牽引索單位長度重量，為0.02736t/m；

xa——后牽引索跨度，為492.95m；

fa——牽引索垂度，為后牽引索跨度的1/15。

2）跑車運動阻力

式中：

μ——鋼絲繩與起重跑車的運動阻力系數，弧形軸承取μ=0.02；

Q——荷載總重；

θ——牽引索升角。

3）滑輪轉動阻力

式中：

fc——起重索穿過滑車（取0.98）；

a——起重跑車運行時，牽引索中轉動的導向滑輪數；

b——起重跑車運行時，起重索中轉動的導向滑輪數。

總牽引索牽引力為：

4.3 牽引力計算

牽引滑輪組實際工作效率：

卷揚機牽引力：

牽引索拉力安全系數：

4.4 牽引索接觸應力與安全系數計算

式中：

F——單根牽引索截面面積，為364mm2；

d——牽引單根鋼絲直徑，為1.4mm；

Dmin——牽引滑輪組直徑，取400mm；

Ek——牽引索彈性模量，為7.56×104MPa。

即牽引繩安全滿足要求。

4.5 牽引卷揚機容繩量計算

牽引索按走4布置，每岸通過兩臺牽引卷揚機進行牽引，牽引索可在全跨內移動。卷揚機初始繞繩量取值50m，則卷揚機的容繩量為：

式中，未計索繞過滑輪的長度，其值包含在50m的初始繞繩量中，選用容繩量2200m。

5 結語

對于長江入江口處，一般兩岸地形較為陡峭，不適合大型構件的生產與安裝，當在這種位置建橋時，首選方案即為將預制拼裝完成的構件節段通過長江水路運送到安裝位置并通過纜索吊裝系統進行吊運安裝。針對現場地形設計的纜索吊裝系統，其索結構的受力合理極為重要。本文對該橋各索的受力進行了驗算，滿足規范安全要求，確保了施工的安全性，同時也為同類型施工提供了一定的借鑒依據。