平南三橋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：針對平南三橋施工場地的限制、傳統(tǒng)纜索吊運系統(tǒng)強勁性不足以及控制系統(tǒng)靈活性等問題，文章對起重系統(tǒng)進行設(shè)計，提出了索鞍橫移、新型跑車和支索器、集中控制系統(tǒng)和運行監(jiān)控系統(tǒng)等新技術(shù)，形成了一整套纜索吊運系統(tǒng)，并通過試吊方案驗證新型纜索吊裝系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，有效解決拱肋吊重大、運輸不靈活的難題。

關(guān)鍵詞：拱橋；纜索吊裝系統(tǒng)；索鞍橫移設(shè)計；重型鋼管塔架；電氣控制系統(tǒng)

中圖分類號：U443.38 A 42 139 4

0 引言

纜索吊裝以其跨越能力大、機動性強、施工過程幾乎不影響通航、周轉(zhuǎn)靈活等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于CFST拱橋施工中。趙成龍［1］介紹了主跨251 m大跨度上承式拱橋纜索吊機的設(shè)計要點和承載力驗算的方法，并優(yōu)化了纜索吊機的結(jié)構(gòu)。王令俠［2］以主跨為450 m中承式鋼箱提籃拱橋的西江特大橋為工程依托，通過塔頂設(shè)滑道，建立橫移式纜索吊機實現(xiàn)其鋼梁節(jié)段的吊裝。馮朝軍等［3］建立了扣纜塔合一雙橫移式纜索吊裝技術(shù)，并成功應(yīng)用于主跨為430 m的中承式提籃鋼管混凝土拱橋。彭成明等［4］研發(fā)了400噸級的纜索吊運系統(tǒng)，成功應(yīng)用于主跨為450 m的中承式雙肢鋼箱拱橋。李春賢［5］設(shè)計了移動主纜索吊機的關(guān)鍵技術(shù)并成功應(yīng)用于跨徑為196.52 m的柚子樹大橋。由此可見，纜索吊裝系統(tǒng)既可豎向吊裝亦可橫向移動運輸，可實現(xiàn)大跨度拱橋拱肋、橋面板及橫梁等重量型構(gòu)件的吊運安裝。

本文以主跨575 m的平南三橋為工程背景，該橋建成時是世界上最大跨徑的中承式CFST拱橋。在其施工過程中，因其跨徑大、扣塔高度高，且拱肋節(jié)段吊裝重量大，難以借鑒目前的纜索吊裝技術(shù)，由此，本文基于平南三橋研究大跨度纜索吊裝系統(tǒng)的設(shè)計方案，驗算關(guān)鍵指標(biāo)以及進行試吊進而確定其實施方案，為超大跨徑CFST拱橋的纜索吊裝施工提供技術(shù)借鑒，保證施工的安全性。

1 工程概況

平南三橋橋跨布置為40 m+60 m+2×35 m（現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁）+575 m（中承式GFST拱橋）+50 m+60 m+50 m（現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁）+3×40 m（現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁），采用纜索吊運斜拉扣掛技術(shù)實現(xiàn)拱肋吊裝施工。施工中將每片拱肋劃分為22個節(jié)段，于橋的南北岸進行節(jié)段拼裝，每岸各11個節(jié)段。

2 纜索吊裝系統(tǒng)總體設(shè)計

纜索吊機的總體布置為510 m（南岸）+600 m（工作跨徑）+510 m（北岸）。塔架結(jié)構(gòu)形式采用扣塔頂部安裝塔架，扣塔與吊塔剛接的形式，形成“吊扣合一”的結(jié)構(gòu)。其北岸和南岸的基礎(chǔ)分別采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)和明挖擴大基礎(chǔ)。總體布置圖如圖1所示。

纜索吊裝系統(tǒng)由承載索、起重索、牽引索、橫移索鞍、跑車、支索器、吊點、卷揚機、電控系統(tǒng)、塔架、纜風(fēng)索及地錨等組成。主要組成系統(tǒng)包括主索道系統(tǒng)和工作索道系統(tǒng)，如圖2所示。工作索道系統(tǒng)（4套）分別設(shè)置在主索道（2套）兩側(cè)。主索道系統(tǒng)的主要作用為拱肋節(jié)段和橋面節(jié)段的安裝，其可獨立吊運以及聯(lián)動其他吊運系統(tǒng)進行抬吊。工作索道系統(tǒng)則配合主索道系統(tǒng)對小型機械、構(gòu)件和材料進行吊裝，亦可實現(xiàn)獨立吊運。

3 纜索吊裝系統(tǒng)分項設(shè)計

3.1 纜索起重機設(shè)計

纜索起重機主要組成部分為承載索、起重索、牽引索及橫移索鞍。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算確定各組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。平南三橋纜索起重機的纜索計算如下頁圖2所示。

3.1.1 索力安全系數(shù)

考慮主拱肋最大節(jié)段的重量為215 t，對主索道索力安全系數(shù)進行計算時應(yīng)將施工過程中爬梯、檢修道、錨拉板扣點以及施工設(shè)備所產(chǎn)生的荷載納入主索道起重機吊裝重量計算中，確定其額定起重量為220 t，工作索道起重吊機額定起重量為5 t，分別進行吊裝安全驗算。

主承載索最大水平分力：

Hmax=nq（L20-L2a）8fmaxcos（β0）+Qmax（L0-La）4fmax（1）

A索鞍主索最大豎直分力：

VmaxA=nqL02cos（β0）-Hmaxtan（β0）+QmaxL0（0.5L0-La）（2）

B索鞍主索最大豎直分力：

VmaxB=nqL02cos（β0）+Hmaxtan（β0）+QmaxL0（0.5L0-La）（3）

主承載索最大張力：

Tmax=max（V 2maxA+H 2max，V 2maxB+H 2max）（4）

主承載索安全系數(shù)：

K1=nTlimitTmax（5）

起重繩牽引端拉力：

Sl=0.5Qlfη-1fη0.5n2-1fη0.5n2-1fη4（6）

起重繩安全系數(shù)：

Kl=SllimitSl（7）

牽引繩牽引端拉力：

St=0.5Wfη-1fη0.5n1-1fη0.5n1-1fη3（8）

牽引繩安全系數(shù)：

Kt=StlimitSt（9）

式中：n、n1和n2——主承載索、牽引繩和起重繩的根數(shù)；

q——鋼絲繩單位長度重量（kgf/m）；

L0——主承載索跨度（m）；

La——跑車間距（m）；

LA和LB——A、B兩岸尾繩跨度（m）；

Qmax、Ql和W——主承載索最大設(shè)計荷載、起重繩起重荷載和牽引繩總阻力（kN）；

fmax——主索最大垂度（m）；

fη——滑輪阻力系數(shù)；

Tlimit、Sllimit和Stlimit——主承載索、起重繩和牽引繩單根鋼絲繩最小破斷力（kN）。

經(jīng)過計算，主索道系統(tǒng)的主承載索安全系數(shù)、起重繩安全系數(shù)和牽引繩安全系數(shù)分別為3.093、5.049和4.916；工作索道的主承載索安全系數(shù)、起重繩安全系數(shù)和牽引繩安全系數(shù)分別為3.001、5.865和4.724。根據(jù)《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB/T 3811-2008）［6］和《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》（JTG F90-2015）［7］確定主承載索破斷拉力安全系數(shù)為3.0；起重索破斷拉力安全系數(shù)為5.0；牽引索破斷拉力安全系數(shù)為4.0。因此，主索道系統(tǒng)和工作索道系統(tǒng)受力驗算滿足要求。

3.1.2 纜索起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)索力安全系數(shù)驗算，確定主承載索、起重索和牽引索的結(jié)構(gòu)形式。主工作索道的主承載索采用抗拉強度高、耐磨且支撐表面積大的密封鋼絲繩；單根鋼絲繩長為1 800 m，每套為8根，共16根，單端蝴蝶型鎖夾≥36個。主起重索單套系統(tǒng)設(shè)置2個吊點，采用“定10動8走14線”布置，并布設(shè)起重卷揚機，如圖3所示。主索道系統(tǒng)均配備單獨的牽引索，“走4線”布置，如圖4所示。

工作索道系統(tǒng)的主承載索單根長度為1 800 m，全橋共4根，單端安裝騎馬式繩卡數(shù)量≥11個，并采用專用發(fā)線器對承載索進行安裝，輔以滑車組進行調(diào)索。起重索采用“定2動2走2線”布置，其中一端錨固于南岸主地錨，另一端錨固于北岸主地錨，如圖5所示。牽引繩“走2線”布置，為閉合循環(huán)布線方式，以摩擦型卷揚機作為牽引設(shè)備，可使工作跑車往返牽引，如圖6所示。

3.1.3 橫移索鞍設(shè)計

索鞍橫移牽引繩采取“定13動12走24線”的布置形式，每岸塔架設(shè)2根20 mm（6×37b+FC-1670）鋼絲繩，如圖7所示。

3.2 索鞍

3.2.1 主索鞍

主索鞍上層為承重索支撐滑輪，下層由起重索導(dǎo)向滑輪和牽引索導(dǎo)向滑輪組成，其下部通過螺栓連接橫移滑車，且設(shè)有橫移軌道，可通過兩端牽引對拉實現(xiàn)索鞍的橫移。其各部件之間采用螺栓連接，施工過程中方便安裝拆卸及運輸，還可通過連接法蘭實現(xiàn)索鞍之間的連接。

為了驗算主索鞍的強度與剛度，本文綜合考慮主承重索的最大張力、起重索及牽引索的最大拉力并通過ANSYS有限元軟件對主索鞍進行建模計算。主索鞍計算結(jié)果如表1所示，其強度與剛度均滿足要求。

3.2.2 工作索道索鞍

工作索鞍布置于主索鞍兩側(cè)，模塊設(shè)計與主索鞍相同，分為上下兩層，僅繩槽直徑不同。索鞍底部和端部分別設(shè)置走行滾輪并連接法蘭。工作跑車可以使索鞍沿橫橋向滑移，連接法蘭可將工作索鞍和其他索鞍進行連接。

為了驗算工作索鞍的強度與剛度，本文綜合考慮主承重索的最大張力、起重索及牽引索的最大拉力，通過ANSYS有限元軟件建立了工作索鞍實體模型并進行驗算。工作索鞍計算結(jié)果如表2所示，其強度與剛度均滿足要求。

3.3 跑車及吊具

3.3.1 主索起重跑車及吊具

起重跑車包括起升定滑輪組、牽引動滑輪組、走行滑輪、連桿等。起重跑車間由鋼絲繩進行連接并通過主索道系統(tǒng)的雙吊點將之倒掛于承重軌索上。起重跑車分為兩組，每組配備4個走行滑輪支承于承坐索上，跑車間通過38 mm（6×37+IWR）的鋼絲繩連接。吊具的設(shè)計與纜索起重機索鞍和拱肋節(jié)段吊裝特點有關(guān)，通過拉板和銷軸分別與起重小車動滑輪組連接吊具平衡梁，下部掛200 t吊具。

跑車的強度及剛度亦是纜索吊裝系統(tǒng)的關(guān)鍵驗算指標(biāo)，本文采用0.7倍G（吊重、起重繩自重及吊鉤吊具自重綜合）作為計算荷載并通過ANSYS有限元軟件建立實體模型進行關(guān)鍵指標(biāo)計算，取單個跑車的外部荷載為104 kN。主索道跑車計算結(jié)果如表3所示，其強度及剛度均滿足要求。

3.3.2 工作索跑車及吊具

工作索跑車由牽引錨固端、起升定滑輪組、走行滾輪等組成。其采用單線吊重，配置一臺具有4個走行滑輪的起重跑車支承于1根48 mm的鋼絲繩上，并布置有牽引錨固端及起升定滑輪組。工作索由動滑輪組、拉板、吊鉤組成。

本文對工作跑車的強度和剛度驗算所采用的計算荷載為1.2倍G重量，通過ANSYS有限元軟件建立實體模型進行關(guān)鍵指標(biāo)計算。工作跑車計算結(jié)果如表4所示，其強度及剛度均滿足要求。

3.4 支索器與卷揚機

支索器包括行走輪，起重、牽引托輪及隔板等。各支索器通過鋼絲繩連接并設(shè)置旋轉(zhuǎn)器，其運行時通過跑車牽拉和頂推實現(xiàn)收放。支索器又分為固定支索器（4個）、活動支索器（56個）及邊跨支索器（96個），其中固定支索器和活動支索器間隔40 m布置一個，布置于中跨位置。支索器可對主索、牽引索、起重索進行有效分層和限位，并解決索纏繞和空鉤下落問題，保障纜索施工安全。

卷揚機的主要作用為纜索起重機的起重和牽引，單套主索配置20 t卷揚機4臺，10 t卷揚機4臺；單套工作索系統(tǒng)配置5 t摩擦型卷揚機1臺，5 t普通卷揚機1臺；單塔配置5 t橫移卷揚機4臺。另配置輔助、備用5 t卷揚機10臺。

3.5 電氣系統(tǒng)

起重機電氣系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)以及安全監(jiān)控系統(tǒng)等組成。每組形成獨立系統(tǒng)，又能通過光纖連接組成一套完整的系統(tǒng)。

3.6 塔架及纜風(fēng)系統(tǒng)

平南三橋塔架高200 m、寬41.12 m，為超高塔架，采用大型鋼管搭設(shè)。豎向主承重鋼管規(guī)格為610 mm×14 mm、610 mm×16 mm及610 mm×20 mm，立面斜桿為219 mm×6 mm鋼管，橫聯(lián)采用245 mm×7 mm水平鋼管和219 mm×6 mm斜撐鋼管，水平橫桿和斜桿采用168 mm×5 mm鋼管。縱向間距為4 m，橫向間距為4.9 m，豎向節(jié)間的高度為4 m，拱肋兩肋中心間距為30.1 m，格構(gòu)柱間設(shè)6道橫聯(lián)。

纜風(fēng)系統(tǒng)分為邊跨纜風(fēng)索（每側(cè)設(shè)4束1215.2 mm鋼絞線）和中跨纜風(fēng)索（每側(cè)設(shè)4束1015.2 mm鋼絞線）。邊跨纜風(fēng)索分別錨固在塔頂橫梁和主地錨上，中跨纜索風(fēng)索分別錨固在塔頂橫梁和對向拱座上。纜風(fēng)索采用穿心千斤頂整束進行對稱逐級張拉，張拉過程中，通過塔架頂端位移控制張拉力，其兩端張拉造成的塔頂偏位應(yīng)≤30 mm。纜風(fēng)索的受力計算情況見表5，中跨纜風(fēng)索和邊跨纜風(fēng)索的最大張力均在允許張力之內(nèi)，滿足施工要求。

3.7 地錨

纜索吊裝系統(tǒng)采用重力式地錨結(jié)構(gòu)。地錨埋深控制在6 m內(nèi)，便于基坑開挖施工。地錨主要由地錨、錨固肋板、壓重塊三大部分組成；底板配置底層抗裂鋼筋網(wǎng)，錨固肋板配置構(gòu)造鋼筋，在錨固區(qū)域內(nèi)配置加強鋼筋網(wǎng)片，其余部位采用素混凝土結(jié)構(gòu)。地錨設(shè)10個承載索預(yù)留槽、4個纜風(fēng)索預(yù)留槽，每個預(yù)留槽錨固兩根承載索或兩束纜風(fēng)索。地錨計算結(jié)果如表6所示，安全系數(shù)均大于容許安全系數(shù)，滿足施工要求。

4 纜索吊裝系統(tǒng)安裝及試吊

纜索吊裝系統(tǒng)安裝流程如圖8所示。

安裝后，為了驗證纜索吊裝系統(tǒng)的合理性，進行跑車、卷揚機等設(shè)備的調(diào)試和空載試驗。待纜索吊裝系統(tǒng)中各設(shè)備調(diào)試正常、空載運行正常后進行55%G、82%G、110%G的負載運行試驗。經(jīng)試吊試驗可知，在各工況下，跨中實測垂度與理論計算垂度差值為-0.997 m；南、北岸主地錨最大位移為0.598 mm；南、北岸塔架基礎(chǔ)沉降最大值為1.3 mm，塔架基礎(chǔ)穩(wěn)固，幾乎不發(fā)生沉降。結(jié)果證明，該纜索吊裝系統(tǒng)試驗合格，可以承擔(dān)吊裝任務(wù)。

5 結(jié)語

平南三橋拱肋于2019-10-12開始吊裝，于2020-01-10已順利完成合龍，歷時91 d。最大吊重5號拱肋節(jié)段（重215 t）在纜索吊裝系統(tǒng)吊裝過程中也成功吊裝完畢，驗證了試吊結(jié)論的正確性和纜索吊裝系統(tǒng)的實用性。平南三橋的成功吊裝形成了一套以承重索、起重索、牽引索以及橫移索鞍系統(tǒng)等為主體，以新型跑車和支索器、集中控制系統(tǒng)和運行監(jiān)控系統(tǒng)為支撐的纜索吊裝系統(tǒng)，可為超大跨徑CFST拱橋的拱肋吊裝施工提供借鑒。

參考文獻

［1］趙成龍.大跨度懸鏈線無鉸拱上承式拱橋施工纜索吊機結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2014（23）：47-49.

［2］王令俠.新建南廣鐵路西江特大橋4 200 kN橫移式纜索吊機設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014，58（3）：59-62.

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［5］李春賢.移動主索纜索吊機架設(shè)拱橋施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2005（6）：28-30.

［6］GB/T 3811-2008，起重機設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］JTG F90-2015，公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范［S］.

收稿日期：2023-01-10