平南三橋纜索吊裝系統設計研究

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

關鍵詞：拱橋；纜索吊裝系統；索鞍橫移設計；重型鋼管塔架；電氣控制系統

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、周轉靈活等優勢被廣泛應用于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計要點和承載力驗算的方法，并優化了纜索吊機的結構。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，通過塔頂設滑道，建立橫移式纜索吊機實現其鋼梁節段的吊裝。馮朝軍等［3］建立了扣纜塔合一雙橫移式纜索吊裝技術，并成功應用于主跨為430 m的中承式提籃鋼管混凝土拱橋。彭成明等［4］研發了400噸級的纜索吊運系統，成功應用于主跨為450 m的中承式雙肢鋼箱拱橋。李春賢［5］設計了移動主纜索吊機的關鍵技術并成功應用于跨徑為196.52 m的柚子樹大橋。由此可見，纜索吊裝系統既可豎向吊裝亦可橫向移動運輸，可實現大跨度拱橋拱肋、橋面板及橫梁等重量型構件的吊運安裝。

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，且拱肋節段吊裝重量大，難以借鑒目前的纜索吊裝技術，由此，本文基于平南三橋研究大跨度纜索吊裝系統的設計方案，驗算關鍵指標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（現澆預應力混凝土連續梁）+575 m（中承式GFST拱橋）+50 m+60 m+50 m（現澆預應力混凝土連續梁）+3×40 m（現澆預應力混凝土連續梁），采用纜索吊運斜拉扣掛技術實現拱肋吊裝施工。施工中將每片拱肋劃分為22個節段，于橋的南北岸進行節段拼裝，每岸各11個節段。

2 纜索吊裝系統總體設計

纜索吊機的總體布置為510 m（南岸）+600 m（工作跨徑）+510 m（北岸）。塔架結構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”的結構。其北岸和南岸的基礎分別采用地下連續墻基礎和明挖擴大基礎。總體布置圖如圖1所示。

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

3 纜索吊裝系統分項設計

3.1 纜索起重機設計

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。通過結構設計驗算確定各組成部分的結構設計形式。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

考慮主拱肋最大節段的重量為215 t，對主索道索力安全系數進行計算時應將施工過程中爬梯、檢修道、錨拉板扣點以及施工設備所產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：

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：

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：

Kt=StlimitSt（9）

式中：n、n1和n2——主承載索、牽引繩和起重繩的根數；

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；

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）。

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

3.1.2 纜索起重機結構設計

根據索力安全系數驗算，確定主承載索、起重索和牽引索的結構形式。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。主起重索單套系統設置2個吊點，采用“定10動8走14線”布置，并布設起重卷揚機，如圖3所示。主索道系統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量≥11個，并采用專用發線器對承載索進行安裝，輔以滑車組進行調索。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，為閉合循環布線方式，以摩擦型卷揚機作為牽引設備，可使工作跑車往返牽引，如圖6所示。

3.1.3 橫移索鞍設計

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，下層由起重索導向滑輪和牽引索導向滑輪組成，其下部通過螺栓連接橫移滑車，且設有橫移軌道，可通過兩端牽引對拉實現索鞍的橫移。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，模塊設計與主索鞍相同，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。吊具的設計與纜索起重機索鞍和拱肋節段吊裝特點有關，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的關鍵驗算指標，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鍵指標計算，取單個跑車的外部荷載為104 kN。主索道跑車計算結果如表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鍵指標計算。工作跑車計算結果如表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置旋轉器，其運行時通過跑車牽拉和頂推實現收放。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

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

3.6 塔架及纜風系統

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。豎向主承重鋼管規格為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，豎向節間的高度為4 m，拱肋兩肋中心間距為30.1 m，格構柱間設6道橫聯。

纜風系統分為邊跨纜風索（每側設4束1215.2 mm鋼絞線）和中跨纜風索（每側設4束1015.2 mm鋼絞線）。邊跨纜風索分別錨固在塔頂橫梁和主地錨上，中跨纜索風索分別錨固在塔頂橫梁和對向拱座上。纜風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≤30 mm。纜風索的受力計算情況見表5，中跨纜風索和邊跨纜風索的最大張力均在允許張力之內，滿足施工要求。

3.7 地錨

纜索吊裝系統采用重力式地錨結構。地錨埋深控制在6 m內，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，錨固肋板配置構造鋼筋，在錨固區域內配置加強鋼筋網片，其余部位采用素混凝土結構。地錨設10個承載索預留槽、4個纜風索預留槽，每個預留槽錨固兩根承載索或兩束纜風索。地錨計算結果如表6所示，安全系數均大于容許安全系數，滿足施工要求。

4 纜索吊裝系統安裝及試吊

纜索吊裝系統安裝流程如圖8所示。

安裝后，為了驗證纜索吊裝系統的合理性，進行跑車、卷揚機等設備的調試和空載試驗。待纜索吊裝系統中各設備調試正常、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、北岸塔架基礎沉降最大值為1.3 mm，塔架基礎穩固，幾乎不發生沉降。結果證明，該纜索吊裝系統試驗合格，可以承擔吊裝任務。

5 結語

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號拱肋節段（重215 t）在纜索吊裝系統吊裝過程中也成功吊裝完畢，驗證了試吊結論的正確性和纜索吊裝系統的實用性。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等為主體，以新型跑車和支索器、集中控制系統和運行監控系統為支撐的纜索吊裝系統，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構設計［J］.企業科技與發展，2014（23）：47-49.

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

［3］馮朝軍，周 文，朱志鋼.新建拉林鐵路藏木雅魯藏布江特大橋纜索吊機設計與施工［J］.施工技術，2019，48（5）：9-14.

［4］彭成明，陳富強，陳 鳴.寧波明州大橋400 t纜索吊機設計與施工［J］.中外公路，2011，31（5）：167-170.

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

［6］GB/T 3811-2008，起重機設計規范［S］.

［7］JTG F90-2015，公路工程施工安全技術規范［S］.

收稿日期：2023-01-10