大跨徑重載纜索起重機(jī)

李拔周1，2，3 紀(jì) 巖1，2，31 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 4300402 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 4300403 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040

摘 要：常規(guī)懸索橋鋼桁梁采用纜載起重機(jī)進(jìn)行吊裝，纜索起重機(jī)作為一種跨越能力極強(qiáng)的起重設(shè)備，在大跨徑橋梁施工中也被廣泛應(yīng)用。尤其在環(huán)境受限的條件下，在經(jīng)濟(jì)性和便利性上有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。以大跨徑超重節(jié)段鋼桁梁懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工為依托，對(duì)大跨徑重載纜索起重機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。通過采用纜索起重機(jī)安裝工藝，解決了跨中部分區(qū)域頂面在主纜以上梁段的吊裝難題，優(yōu)化鋼桁梁吊裝的工序，有利于保證施工安全。

關(guān)鍵詞：大跨徑；重載；纜索起重機(jī)；懸索橋；吊裝

中圖分類號(hào)：TV53+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）13-0050-05

0 引言纜索起重機(jī)又叫走線滑車，是掛有取物裝置的起重小車沿架空承載索運(yùn)行的起重機(jī)，常用在其他吊裝方法不便或不經(jīng)濟(jì)的場(chǎng)合。纜索起重機(jī)具有起升高度大、起重作業(yè)跨度大、作業(yè)范圍廣、在特定條件下可發(fā)揮其他起重機(jī)械所不能發(fā)揮的作用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水電站建設(shè)、公路鐵路橋梁建設(shè)、港口搬運(yùn)和渡槽架設(shè)等方面的施工，圖1 為纜索起重機(jī)在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用。

1 依托工程概況溫州甌江北口大橋項(xiàng)目是甬臺(tái)溫高速公路復(fù)線和溫州市南金公路兩大項(xiàng)目跨越甌江的控制性工程。甌江北圖1 纜索起重機(jī)在橋梁建設(shè)施工中的應(yīng)用口大橋主橋系國內(nèi)外首座三塔四跨雙層加勁梁懸索橋，主跨跨徑為2×800 m，三塔均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。主跨跨中部分區(qū)域梁段頂面在主纜以下，中跨布置圖如圖3 所示。

圖2 甌江北口大橋主橋結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 中跨布置圖

如圖4 所示， 梁跨布置為215+800+800+275 ＝2 090 m，加勁梁采用板桁組合式整體加勁梁，桁寬為36.2 m，吊索距主桁中心為2.8 m，中跨纜徑為874mm，吊索與主桁凈距約1.85 m，全橋共110 個(gè)吊裝節(jié)段。

圖4 加勁梁布置圖

上部結(jié)構(gòu)施工的主要特點(diǎn)有：1）主跨跨中部分區(qū)域梁段頂面在主纜以上，范圍約220 m；2）加勁梁最大重量達(dá)到813 t，對(duì)纜索起重機(jī)要求高；3）若利用主纜為支撐結(jié)構(gòu)假設(shè)主梁，為滿足中塔處主纜鋼絲與鞍座槽間抗滑移安全要求，兩個(gè)主跨應(yīng)保證對(duì)稱同步安裝加勁梁。

2 總體施工工藝研究懸索橋上部結(jié)構(gòu)加勁梁施工采用的施工方法包括橋面起重機(jī)施工法、纜索起重機(jī)施工法、纜載起重機(jī)施工法和軌索移梁法等，或其中的幾種方法組合施工。

1）浮式起重機(jī)＋纜載起重機(jī)提升安裝浮式起重機(jī)安裝跨中比主纜低的鋼桁梁，然后利用纜載起重機(jī)安裝剩下的鋼桁梁。該方案的主要問題是對(duì)浮式起重機(jī)的起升高度要求較高，浮式起重機(jī)進(jìn)出工作面時(shí)需長距離橫移和大角度俯仰，且大型浮式起重機(jī)長期橫江駐位布置于主纜間，嚴(yán)重影響通航。

2）橋面起重機(jī)懸臂拼裝橋面起重機(jī)反力主要由桁梁承擔(dān)，斜桿應(yīng)力大，隨懸臂長度增加，吊索索力增大，主梁和吊索均需加強(qiáng)。

3）連續(xù)千斤頂提升安裝從跨中向兩側(cè)索塔，采用連續(xù)千斤頂?shù)固嵘に噷?duì)稱安裝；每吊裝一個(gè)節(jié)段，需安拆一次臨時(shí)索夾、提升索、連續(xù)千斤頂和泵站；吊索錨固于下橫梁，提升設(shè)備需布置于橫梁下方；該方案施工操作不便，且工效較低。

4）纜索起重機(jī)提升安裝目前，在兩塔懸索橋中應(yīng)用較多，在三塔懸索橋應(yīng)用案例較少。通過對(duì)以上方案在安全、工效和使用操作便捷性方面綜合考慮，采用纜索起重機(jī)提升安裝方案[1，2]。

3 大跨徑重載纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)3.1 纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)采用三塔四跨纜索起重機(jī)，解決中跨高于主纜的鋼桁梁安裝問題，減少對(duì)通航的影響，總體布置如圖5 所示。

圖5 纜索起重機(jī)總體布置

纜索起重機(jī)主要由埋件系統(tǒng)、主索、起重索、牽引索、起重小車和吊具等組成。埋件系統(tǒng)包括主索在兩側(cè)錨碇錨固、卷揚(yáng)機(jī)錨固和塔頂轉(zhuǎn)索鞍錨固。主索是承受起重荷載的直接受力構(gòu)件，主索的垂度選擇決定了起升高度。起重索用于提升加勁梁的起升機(jī)構(gòu)，牽引索用于控制起重小車的調(diào)位。起重小車一方面把起重荷載傳遞至承重索，同時(shí)可在承重索上在牽引索作用下移動(dòng)。吊具的主要作用是實(shí)現(xiàn)與加勁梁連接。

纜索起重機(jī)安裝主梁工效高，能縮短上部結(jié)構(gòu)安裝時(shí)間，盡早完成合攏。主跨采用從中塔往兩側(cè)邊塔的架設(shè)順序，提高主纜索股抗滑移能力和主梁安裝工效。纜索起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有：跨度為800 m，起重量為850 t，起升高度為50 m，主索材質(zhì)為4-14Ф 64，起重索材質(zhì)為4-Ф 30，牽引索材質(zhì)為4-2Ф 30。

為滿足850 t 起重能力要求，主索數(shù)量需達(dá)到56 根?？紤]到結(jié)構(gòu)分塊運(yùn)輸安裝的便捷性，將56 根主索分主索一共分為4 組，每組14 根直徑64 mm 鋼絲繩組成。其他機(jī)構(gòu)布置也根據(jù)主索的布置分為4 組單元。主索在主塔頂設(shè)置轉(zhuǎn)索鞍，轉(zhuǎn)索鞍橫向布置圖如圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)索鞍橫向布置圖

為了防止兩中跨不對(duì)稱起吊時(shí)造成主索滑移，主索在中塔頂斷開，通過在主塔頂設(shè)置埋入式抗剪件與兩側(cè)的主索連接，當(dāng)兩側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱的荷載時(shí)，可通過抗剪件抵消，做到兩跨纜索起重機(jī)互不影響。中塔兩側(cè)設(shè)置起重及牽引索的轉(zhuǎn)向滑輪，如圖7 所示。

邊塔塔頂設(shè)置轉(zhuǎn)索鞍，主索通過轉(zhuǎn)索鞍后經(jīng)邊跨錨固于錨碇上的埋件上，埋件與主索間設(shè)置可調(diào)裝置，以調(diào)整主索的線形，如圖8 所示。圖9 為牽引和起重繩索繞線圖，牽引系統(tǒng)采用循環(huán)牽引系統(tǒng)，牽引繩倍率為8，起重繩倍率為12，每組主索設(shè)2 臺(tái)起重和2 臺(tái)牽引卷揚(yáng)機(jī)。

每組起重單元采用4 個(gè)分離式的跑車，跑車上連接上掛架，吊具上設(shè)置下掛架，上下掛架分別設(shè)置定滑輪和動(dòng)滑輪組，跑車及吊具布置如圖10 所示。

圖7 中塔轉(zhuǎn)索鞍布置圖

圖8 主索錨固

圖9 牽引和起重繞線布置圖

圖10 跑車及吊具布置圖

較大的跨徑和起重能力導(dǎo)致主索及其他繩索直徑均較大，為解決這些繩索的安裝問題，在塔頂設(shè)置專用門架，在門架上設(shè)置牽索裝置，繩索安裝門架見圖11[3，4]。

圖11 繩索安裝門架圖

3.2 總體工藝流程1）主纜架設(shè)完成后安裝纜索起重機(jī)，同步搭設(shè)無索區(qū)支架；2）纜索起重機(jī)蕩移安裝中、邊塔無索區(qū)鋼桁梁；3）纜索起重機(jī)依次從中塔向兩側(cè)同步吊裝鋼桁梁，邊跨無索區(qū)鋼桁梁采用倒提升裝置吊裝滑移至安裝位置，如圖12 所示；4）纜索起重機(jī)繼續(xù)同步吊裝跨中鋼桁梁，邊跨鋼桁梁采用倒提升裝置同步安裝，如圖13 所示；5）先中塔、后邊塔順序吊裝合攏段；6）鋼桁梁栓焊，支架、纜索吊拆除。

圖12 中跨鋼桁梁安裝圖

圖13 中跨邊跨鋼桁梁同步安裝圖

4 計(jì)算分析4.1 主索垂度及錨固計(jì)算主索垂度和在中塔的錨固形式是兩個(gè)互相影響的問題。如圖14 所示，若主索在中塔設(shè)置為滑動(dòng)式，當(dāng)主索采用1:15 垂度，則在兩側(cè)同步起吊過程中，主索矢高為53.3 m；當(dāng)單側(cè)起吊時(shí)，由于主索滑移，最大矢高為71.3 m，無法滿足吊高要求。

圖14 主索1:15 垂度時(shí)吊裝圖

若要使吊高滿足要求，則應(yīng)將垂度提升至1:20，此時(shí)單側(cè)起吊主索的最大矢高為52.8 m，吊高滿足要求，但主索的規(guī)模增加約30%，經(jīng)濟(jì)性降低。

假定主索在中塔定位不滑動(dòng)式，鋼桁梁不同步吊裝時(shí)會(huì)在塔頂產(chǎn)生水平力，復(fù)核主塔受力是否滿足要求，通過計(jì)算，該工況下主索垂度按1:15 計(jì)算，主塔的應(yīng)力滿足要求，如圖15 所示。

圖15 主塔應(yīng)力圖

因此，選擇主索在塔頂不滑移，主索垂度為1:15的總體布置形式。

4.2 中塔頂板局部計(jì)算根據(jù)規(guī)范驗(yàn)算中塔頂板局部受力，單位寬度截面抗彎承載能力818 kN·m ＞實(shí)際彎矩645 kN·m。中塔錨固處上橫梁頂板受力滿足要求，如圖16 所示。

圖16 中塔頂板局部應(yīng)力圖

4.3 主要部件計(jì)算跑車是起重的重要承載構(gòu)件，建立完整模型對(duì)小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為154.3 MPa，如圖17所示。

圖17 跑車結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

塔頂主索錨固裝置涉及主索錨固安全，考慮了錨固區(qū)域開孔影響。計(jì)算分為兩種情況：一是錨固位置考慮一側(cè)按吊重時(shí)最大索力（900 kN）加載，另一側(cè)按照空載時(shí)索力（500 kN）加載，即單側(cè)起吊工況。二是中塔兩側(cè)纜索起重機(jī)均按吊重時(shí)最大索力（900 kN）加載，即同步起吊工況。靖計(jì)算結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分別為140 MPa和148.4 MPa，如圖18 所示，滿足規(guī)范要求。

圖18 塔頂主索錨固裝置應(yīng)力圖

當(dāng)起吊點(diǎn)越靠近兩側(cè)主塔時(shí)，跑車與主索之間的角度就會(huì)越大，相應(yīng)地導(dǎo)致牽引索的力增大，吊點(diǎn)離邊塔25 m 處主索的線形如圖19 所示。主索的轉(zhuǎn)角約為25.3°，經(jīng)計(jì)算牽引索的安全系數(shù)滿足要求[5，6]。

圖19 吊點(diǎn)離邊塔25m 處主索線形圖

5 結(jié)束語結(jié)合溫州甌江北口大橋的實(shí)際施工情況，深入研究了鋼桁梁的架設(shè)工藝，對(duì)比了多種不同施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)。纜索起重機(jī)在大跨度鋼桁梁施工中，雖經(jīng)濟(jì)性并非最好，但在受限環(huán)境下卻是較安全便捷的施工方法。纜載起重機(jī)規(guī)模龐大，對(duì)主塔本身受力影響顯著。通過對(duì)塔本身及其在塔頂設(shè)置的錨固裝置等驗(yàn)算分析，確定最優(yōu)的纜索起重機(jī)結(jié)構(gòu)形式。隨著我國橋梁建設(shè)向大跨徑方向的深入推進(jìn)，類似的橋梁會(huì)越來越多，該技術(shù)的研究和應(yīng)用必將得到推廣，為國內(nèi)外類似橋梁的施工提供了更多的思路。

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