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大跨度缆索起重机的设计优化与施工应用

摘要 缆索起重机在桥梁施工中应用十分广泛，它能有效的解决施工中起重构件需长距离的垂直和水平移动问题，跨度、吊重、吊高等可根据需要设计。本文通过对XX铁路XX大桥设计和使用的大跨度缆索起重机阐述其设计与优化和施工应用

1 基本情况

XX铁路XX大桥位于重庆市沙坪坝区井口镇附近，桥跨为3×24m+8×32m预应力砼简支梁+(84+144+84)m预应力砼连续刚构+8×32m+4×24m预应力砼简支梁，正线桥长1025.06m，双线等长，桥高110m。上部结构为单箱单室变高度变截面箱形梁，主桥主墩处梁高10m，跨中及边跨梁端处梁高5.2m，箱梁顶宽11m，箱宽7m，梁体设纵向、横向、竖向三向预应力。主墩均为钢筋砼圆端形空心墩，墩身高69m。XX水暴涨暴落，年内洪枯水位差达20多米。由于该桥工期紧，主墩基础施工必须在一个枯水期完成，故采用2X100KN缆索起重机辅助施工解决汛期构件吊装和材料设备运输以及缆索吊跨内的高墩墩身施工和刚构梁体施工。该缆索起重机跨度为（锚固跨110m+吊重跨739m+锚固跨105m），矢跨比f/L=1/16，额定吊重为2X100KN，两台缆吊缆索系统共用一个塔架。主索为2（2φ52mm） [6X37S+IWR，1870Mpa]钢丝绳，起重索为φ20mm钢丝绳，起重卷扬机为5t单快；牵引索为φ24mm钢丝绳，牵引卷扬机为10t单快。所有卷扬机均设在鱼嘴侧缆索吊机后主锚碇前，牵引索在团结村岸设置转向滑轮转向，采用一端牵引解决了两端设卷扬机牵引易发生对拉事故问题。塔架为N型万能杆件拼成2mX2m方格形双立柱加五道横梁的门形刚架，塔底铰结，塔架横向桁宽：团结村侧24m，主要为使曲线上主桥简支梁架桥机能通过塔架，鱼嘴侧14m，纵向桁宽均为2m，团结村侧塔架高84.13m,鱼嘴侧塔架高为82.13m，塔架基础均为钢筋混凝土刚性扩大基础。主锚碇和缆风绳锚碇两岸均采用重力式浆砌片石砌体结构。该桥缆索起重机总体立面如下图：

1、主索 2、塔架 3、主锚碇 4、支索器 5、跑车

2 缆索系统的设计

2．1主索设计与计算
本桥主索在鱼嘴岸锚碇采用固结形式，直接锚固在锚碇上；在团结村侧采用可调形式，每根φ52主索与2φ32预应力高强精轧螺纹钢筋可调杆连接作成可调结构，用以精调主索垂度。
本桥缆索起重机为三跨主索，中跨为承重跨，设计采用自编缆索起重机计算程序根据地形、地质条件选择合理的矢跨比f/L=1/16和塔高84m考虑利用既有的跑车和索鞍来选择主索。多跨主索体系其特点是当其中一跨荷载变化使该跨的垂度增大，其余跨垂度相应减小，主索在中间塔架的索鞍滑轮上滑动，用改变了的多跨主索的垂度来适应变化了的张力。缆索体系矢跨比f/L≤1/10可认为属小垂度悬索，缆索起重机矢跨比f/L一般在1/10～1/20之间取值设计较为合理。忽略中间塔架顶索鞍的摩阻力，主索在各跨跨中的张力均应相等。三跨主索的缆索起重机计算公式是根据吊重P在承重跨跨中与吊重P在距左塔X处两种状态,在考虑由于张力变化的弹性变形和其它因素（如温度、支座位移）的变形影响后索长相等条件推导出来的，公式如下:

（1）

其中：Eη 钢丝绳的弹性模量 F 主索的截面面积 l 承重跨跨度 G=gl
g 主索的换算线重（含主索承托的起重牵引索等重） β两塔架间的倾斜角
P 全部集中荷载（包括跑车重、集中在跑车处支索器重、绳重、配重、设计吊重等）
H 荷载P作用于跨中主索的水平横拉力 PX 安装状态的集中荷载
HX 在PX作用下主索的横拉力 x Px距左塔索鞍顶水平距离
W值指温度、索鞍变位等的支座位移影响值。温度位移的，升温“+” 降温“-”；支座位移的 向主索跨内位移取“+”，向跨外位移取“-”
跑车所在跨主索垂度（跨中）：
（2）
当跑车为双跑车间距为a（单跑车a=0）时跑车所在跨主索垂度（跨中）：
（3）
2.2缆索系统设计安全系数

主索
牵引索
起重索
缆风索
破断拉力
≥3
≥5
≥5
≥3.5
应力
≥2
≥3
≥3
≥2

3 塔架与缆风系统的设计

塔架的计算包括强度、整体稳定和特别部位杆件和节点板的局部稳定计算。塔架一般分塔底固结与塔底铰接两种，塔架一般设计成门型刚架，横向刚度较大，抵抗横向外力（主要指横向风力等）一般均无问题；塔身受纵向风力，塔顶受缆索系统产生的水平力，塔底固结塔架靠塔架自身刚度和有初始力的缆风绳产生的抗力平衡，塔底铰接塔架主要靠有初始力的缆风绳产生的抗力平衡。吊重跨内缆风绳如受地形限制时可设通风缆（又名压塔索）来解决。为了有效发挥缆风绳的作用，一般缆风的初始力按照主跨受1/2吊重时塔顶无纵向水平位移（即塔架竖直）且塔顶在发生小于允许变位△时能产生水平力△H大于无吊重和最大吊重时缆索系统产生的水平力差与不利方向风荷载作用下总水平力。塔底固结时塔顶位移应小于（1/400～1/600）塔高，塔底铰结时塔顶位移应小于（1/150～1/200）塔高。本桥缆索起重机塔架上下游侧各设置一组纵桥向的前后缆风索。两塔前缆风索上下游均为2φ28钢丝绳，后缆风均为2φ44钢丝绳。未设腰缆时塔架的整体稳定安全度λ＞5，由于该缆索吊机塔架较高为增强塔的纵向整体稳定性在塔的上下游中间前后各设一道腰缆，腰缆为φ20钢丝绳。

缆风绳初始水平力为HO变位△后水平力为H，增量△H=H-HO，其计算实质上就是无集中荷载的两支座不等高且有支座位移为△的悬索计算公式。如图（Ⅱ、Ⅲ）将式：P=0 代入（1）式得：

（4）

式中：△为塔顶变位，H0为缆风绳安装时的初始水平力，向缆风绳跨内取“+”，向缆风绳跨外取 “-”。 缆风安装时初始水平力最好由测力计测得，如无测力计可由观测缆风绳垂度算得。
（5）
塔底固结塔架塔在塔顶发生允许变位范围内的位移时塔架自身刚度与缆风共同产生的水平抗力要大于塔顶的最大不平衡水平力。

4 锚碇系统的设计

缆索起重机主锚碇一般均需承受较大的水平力和上拔力，设计一般根据地形、地质条件本着经济、安全、施工方便的原则，尽量根据既用资源和当地材料资源与锚碇处实际情况决定地锚的形式。重力式砌体地锚结构形状较大但较为经济，XX铁路XX大桥2×100KN缆索起重机两侧主锚采用此形式，充分利用了重庆石料资源丰富的优势。常用的还有钢筋混凝土低承台人工挖孔桩形式，结构小而有效，可承受较大的水平力和上拔力。其计算采用m法计算群桩基础，详见铁路、公路桥涵设计规范。

5 分索器与配重

为使吊钩能自由下落，缆索起重机的吊钩一般需加配重块，配重块与下挂架总重为P，g为牵引索线重，x为分索器间距离，f为牵引索垂度，f≤0.01x，α为起重滑轮组系数，k为经验修正系数，一般k可根据跨度在1.1～1.3之间取值进行设计计算,现场可根据实验确定。起重索提起P所需张力 ： ，则 （6）
大跨度缆索起重机应考虑安装分索器来该善配重占吊重比例大的状况，另一方面设置分索器可以防止牵引、起重索和主索等相互缠绕现象。尤其是墩身施工安装模板过程中跑车来回点动的情况。本桥缆索起重机按每隔50m设置了一个分索器，一台缆索吊机设28个，跑车下挂架另加配重1.9t。

6 施工与应用情况

该桥缆索起重机从施工到投入使用共用了三个月时间，主要分施工锚碇、塔架基础，拼装塔架与拉设缆风、吊装索鞍，挂设并调整主索、安装跑车牵引索、起重索，布设卷扬机，试吊和施工应用几个过程。塔架施工中先将塔底与塔架基础固结，人工将塔架万能杆件拼高10m后拉设临时缆风再拼高10m拉设第二层缆风，继续拼高然后将底层缆风上移，交替倒用临时缆风至拼完塔架，塔架拼装用杆
件、螺栓等均用简单滑车提升。索鞍等安装采用塔顶鹰嘴起吊安装就位。主索挂设采用先从两岸塔架外侧的卷扬机上拉出临时φ28钢丝绳（导索）过塔顶索鞍拉至河中船上插接，然后用φ28钢丝绳（导索）来回拖拉挂设主索。挂设主索与起重索应先行破劲，以免主索可调端锚固件发生扭转和起重索在起重大钩空钩下极易发生的自行缠绕现象。

7 结 语

缆索起重机在桥梁施工中使用较多，性能安全可靠，使用方便，吊装覆盖面大，不受洪水影响，但设备较多，运输安装工作量大，一次投入费用较高。其跑车、索鞍、主索、钢丝绳、塔架、铰座等设计上应从长远设备考虑。锚碇、塔架基础等一次性使用且不要求耐久性的结构应结合地形、地质等自然条件充分利用当地资源从总体和结构形式上优化，本着经济、安全有效的原则设计。从已设计和使用的缆索起重机来看其设计与施工上仍需考虑以下几个问题。
7.1 主索钢丝绳的弹性模量对计算影响较大，购买时应通过实验提供E值，并考虑跨度折减，折减系数等于承重跨跨度与总跨度比值。
7.2主索钢丝绳随使用时间的增长其非弹性变形的释放将影响主索垂度，设计时应考虑调索或考虑足够的起吊净空，尤其大跨度缆索起重机。
7.3大跨度、大吨位缆索起重机应考虑使用分索器解决配重占吊重比例大的问题。
7.4牵引、起重卷扬机应在设备允许条件下尽量选用快速度的卷扬机以提高缆索起重机的效率。
7.5使用频率较高的缆索起重机的牵引卷扬机应从设计上考虑设置为从一端牵引以解决两端牵引的对拉问题。

参考文献
[1]李廉锟 《结构力学》高等教育出版社,1996年5月第3版
[2]《铁路桥涵设计基本规范》 TB10002.1-99 北京:中国铁道出版社
[3]《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 JTJ0252-86
[4]《公路桥涵地基基础设计规范》 JTJ024-85 人民交通出版社 1986
[5]钟圣斌 《桥梁计算示例集》拱桥（二） 人民交通出版社 1995