峽谷大跨徑拱橋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計及驗算

高威威 宋軍璽 唐勤鎮(zhèn)

（1.中交建筑集團有限公司，北京 100020；2.中交四公局第二工程有限公司，北京 101100）

一、工程概況

烏梅河特大橋位于低山丘陵區(qū)，微地貌為河谷，地勢上兩側(cè)高，中間低，地形起伏較大。上跨翁馬河，橋址區(qū)地面標(biāo)高在714.6m～938m之間，相對高差223.4m。

由引橋和主橋兩部分構(gòu)成，左幅設(shè)計橋跨布置為2×40+4×40+4×40+320.1+3×40+2×40，全長928m；右幅設(shè)計橋跨布置為2×40+4×40+4×40+320.1+4×40，全長888.1m。引橋采用40m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁。主橋采用計算跨徑為300m的上承式鋼管混凝土變截面拱橋，拱軸線采用懸鏈線，拱軸線系數(shù)m=1.55，矢高h(yuǎn)=60m，矢跨比f=1/5，主拱圈采用等寬度變高度空間桁架結(jié)構(gòu)，斷面高度從拱頂5m變化到拱腳9m（中到中），吊裝構(gòu)件的最大重量為拱肋第一節(jié)段192.9t。

二、纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計流程

（一）索跨中跨長度設(shè)計

烏梅河特大橋主橋計算跨徑為300m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為320.1m，考慮橋址實際地形和場地布置，以引橋9#墩～1 0#墩橋面作為起吊平臺，索塔考慮設(shè)置在貴陽岸9#墩和黃平岸12#墩的位置，因此主跨長度設(shè)計為40+320.1+40=400.1m。

（二）垂跨比設(shè)計

纜索吊裝系統(tǒng)的垂跨比是指索跨中跨的垂度與跨度之比，通常纜索起重機設(shè)計垂跨比宜取1/12～1/15，取較小的設(shè)計垂跨比（中跨更接近直線），有利于提升牽引索的牽引能力；取較大的設(shè)計垂跨比（中跨更曲），有利于提升承重索的承載能力。因此，確定合理的垂跨比應(yīng)綜合考慮承重索的承載能力、牽引索的牽引能力和吊高等因素。烏梅河特大橋纜索起重機起吊平臺設(shè)置在索塔塔前，需要較大的牽引力，因此設(shè)計垂跨比取為1/14.8，那么重載垂度為400.1/14.8=27m。

（三）索塔塔高設(shè)計

根據(jù)承載索最大垂度，

取索塔高度為h=h1+h2+h3+h4+fmax

fmax表表示最大垂度，為27m(l/14.8)；h1+表示跑車和起吊滑車組構(gòu)造高度，取3m；+h2+表示吊鉤、捆繩及扁擔(dān)梁的高度，取10m；h3表示吊物的最大高度，取10m；+h4表示起吊平臺起吊通過平臺的安全距離，取4m。那么，h=27+3+10+10+4=54m，塔高取56.6m。

（四）后錨碇設(shè)計

根據(jù)橋型布置，將黃平岸纜索后錨碇設(shè)置在16#臺路基中心線上，根據(jù)里程樁號和標(biāo)高推算，黃平岸邊跨長172m，與水平面夾角為20°。

考慮到索塔受力平衡，貴陽岸纜索后錨碇同取水平面夾角為20°，因此貴陽岸后錨碇設(shè)置在3#墩兩側(cè)，貴陽岸邊跨為240m。

（五）估定纜索系統(tǒng)鋼絲繩

吊裝構(gòu)件的最大重量為拱肋第一節(jié)段192.9t，考慮到吊裝安全性及經(jīng)濟性，將拱肋第一節(jié)段由3榀拆分成2榀與1榀依次吊裝，單次最大吊重約為160t，因此選用兩套額定載重為80t的纜索吊系統(tǒng)，估定1套纜索吊系統(tǒng)的承重索采用8根直徑為62mm型號為6×37S+IWR的鋼絲繩，牽引索采用4根直徑32mm型號為6×37S+FC的鋼絲繩按走“4”的形式纏繞，起重索采用2根直徑26mm型號為6×37S+FC的鋼絲繩按走“10”的方式穿繞。

圖1 纜索吊系統(tǒng)錨碇布置圖

三、纜索系統(tǒng)驗算

（一）荷載取值

擬定承載索選用公稱直徑為60mm，結(jié)構(gòu)為6×37S+IWR鋼絲繩，起重索選用公稱直徑為26mm，結(jié)構(gòu)為6×37S+FC鋼絲繩，牽引索選用公稱直徑為38mm，結(jié)構(gòu)為6×37S+FC鋼絲繩。根據(jù)《重要用途鋼絲繩》，一套纜索系統(tǒng)鋼絲繩參數(shù)表如下：

那么荷載取值如下：

表1 鋼絲繩參數(shù)表

1.一套承載索均布荷載

承載索：g1=g1'×n1/cosβ=15×8/1=120kg/m

起重索：g2=g2'×n2/cosβ=2.57×2/1=5.14kg/m

牽引索：g3=g3'×n3/cosβ=5.49×4/1=21.96kg/m

承索器：g4=g4'/cosβ=7.395kg/m

式中β為兩端索塔高差產(chǎn)生的視線坡腳，該套纜索吊裝系統(tǒng)的兩端索塔高差為0，因此β=0。起重索、牽引索通過承索器懸掛在承載索上，那么承載索均布荷載為g=g1+g2+g3+g4=154.495kg/m=1.54kN/m。

2.一套承載索集中荷載P由4部分組成

跑車和定滑輪重：P1=2×4=8t；

吊點重（含配重）：P2=2×1.1=2.2t；

起重索自重（走“10”布置），最大起吊高度100m：P3=2×10×100×2.57/ 1000=5.14t；

最大構(gòu)件吊重：P4=80t；

那么承載索最大集中荷載為：

起重索最大集中荷載為：

（二）承載索驗算

1.吊重位于跨中工況

索力計算公式為：T=H/cosθ，式中=H/為承載索兩端支座的水平反力，θ為承載索的水平傾角。承載索由于其柔性的特點，只能承受軸向拉力，既無彎矩，也無剪力，因此支座的水平反力即承載索水平力。

（1）承載索水平力

承載索最大水平力計算公式為：Hmax=Mmax/fx，可以理解為承載索的水平力類似荷載條件下簡支梁的彎矩除以垂度，荷載示意圖如圖2所示。

圖2 荷載示意圖

已知當(dāng)集中荷載位于跨中時彎矩最大，根據(jù)彎矩疊加法可得：

那么吊重位于跨中工況下，承載索水平力為：

（2）承載索最大張力

承載索的最大張力計算公式為：

?

3.承重索空載垂度

承重索自重下垂度時，只考慮起重索、牽引索、承索器等產(chǎn)生的均布荷載，取集中荷載Px=0，通過上述方法計算出的垂度即為承重索空載垂度，為18m。

（三）起重索驗算

1.起重索最大張力驗算

單套纜索系統(tǒng)采用兩個天車起吊，1個天車上掛架共6個起重輪（定滑輪），下掛架共有5個起重輪（動滑輪），轉(zhuǎn)向滑輪牽引側(cè)兩個、固定側(cè)1個，根據(jù)繞繩方式可知，有效繩數(shù)為10。

將索力定義為Si，其中i為索的段次，卷揚機側(cè)至起重索轉(zhuǎn)向輪為=S0，依次至S15，取轉(zhuǎn)向滑輪及滑輪組的效率為η=0.96。

當(dāng)?shù)跫鹕龝r，如（1）所示，當(dāng)?shù)跫陆禃r，如（2）所示。