混凝土箱拱桥缆索吊设计吊装施工

靳庆迎

摘要缆索吊是拱桥施工时必要的组装设备，随着拱桥的设计形式而变化；缆索吊的设计尤其重要，根据每座拱桥的设计及现场地形地貌确定基本参数，通过各种不同应力计算，调整缆索吊的组件及电器设备，直至满足设计及吊装的要求。缆索吊是临时组装设备，要到当地安监部门备案、验收同意后才可使用。

关键词 拱桥 缆索吊 设计吊装

中图分类号： S611文献标识码： A

1.工程概况

1.1 桥位概况

永春河大桥位于云南省迪庆州维西县西北部，原德钦至维西公路K186+500处，在1747.908高程上横跨永春河河谷。桥位处地势东高西低，地形坡度较大，两岸山势陡峭。设计说明桥位处地质为全风化至中风化片岩。永春河为项目区域内澜沧江左岸较大的支流，水量大，遇降水水流上涨明显。

1.2 技术标准

设计荷载：公路—Ⅱ级；验算荷载：特种挂平板车—300

桥面布置：全宽9m=0.5m（防撞护墙）+ 8m（行车道）+0.5m（防撞护墙）

地震动峰值加速度a =0.1g（相当于地震基本烈度的Ⅶ度）

设计水位：电站蓄洪水位1735m，设计洪水频率：1/100

1.3 结构设计概况

主桥设计为140m跨箱型拱桥，采用等截面悬链线箱形无绞拱，6拱7段，预制吊装。拱上设排架，跨距10m，上部结构为钢筋混凝土T梁。引桥设计，下部结构为桩基础、扩大基础，U型重力式桥台台身。维西岸引桥设4孔10m跨现浇钢筋混凝土板梁，德钦岸设2孔10m跨钢筋混凝土T梁。全桥布置如图：《永春河大桥总体布置简图》

永春河大桥总体布置简图

2.缆索吊设计、受力计算：

2.1缆索吊设计参数

2.1.1跨度

拟定德钦端距7#桥台尾20米为塔架中线,维西端距0#台尾10米为塔架中线,本吊装系统跨度l0=246m。（维西岸边跨，德钦岸边跨，中跨）

2.1.2塔架高度

桥面标高1748.39米,最大垂度fmax=20.0m

拱肋高2.4m,吊索垂度20m,吊钩高1.5m,跑车高1.5m,动定滑车间绳索高度4m,过障碍物的安全净空高度为1.5～2m。

H塔=2.4+20+1.5+1.5+4+2=33m，取34.6m。(另加鞍及梁高2.6m)

如果地势另加其差值,确定塔架的实际高度,两塔顶标高相等。

2.2缆索系统受力计算

2.2.1承载索计算

载荷计算:

主索：吊装主索选用6根φ52mm钢丝绳，型号为6×36WS+FC纤维芯钢丝绳，钢丝绳为全新钢丝绳。

均布荷载:q

主索自重:q1=10.3kg/m

起重索、牵引索自重:q2=2×2×1.97=7.88kg/m

每根主索均布荷载：q= q1 +q2/6=10.3+7.88/6=11.61kg/m

G=ql=11.61×246=2.86t

集中荷载：P

跑车轮及定滑轮：P1=2×3=6t

吊钩、动滑轮及配重： P2=2×2=4t

滑轮组起重索自重：P3=2×8×30×1.97=0.95t

吊重 ：P4=60t

冲击系数：K=1.2

单根主索：Q=1.2（P1 +P2 +P3 +P4）/6=14.2t

2.2.2.主索张力及跨中垂度：

取主索张力安全系数K=3.1

T=Tmax/3.1=151.9/3.1=49t

垂跨比：f/l=19.62/246=1/12.54（）

主索三跨索长

=356m

张力方程系数计算：

=241.6

=735t

=25

=1976.2t

2.2.3跑车架设时的受力计算：

此时主索上的集中荷载为跑车自重Px，求跑车作用跨中时的跨中垂度：

先求跑车空载主索张力Hx：

计算系数：K3=12Px(G+Px)

Px=(P1+P2+P3)/6= 11/6=1.84t

K3=12×1.84(2.86+1.84)=104

X=L/2=246/2=123m

X(L-X)=123(246-123)=15129m2

C=

B+Cx(l-x)=1976.2+0.42*15129=8330.4t3

将上式代入方程式：

跨中垂度为：

m

2.2.4支座位移对主索的影响

当跑车位于跨中吊重时，假设塔顶将各向跨内位移12cm。

计算系数： W = +2 = 0.24 m

A = = 25 + 0.24×= 30.7

x(L-x) = 1232 =15129

B-Cx(L-x) = 1976.2 + 11.6×15129 = 177472.6

将上述数值代入张力方程式：

H3 +AH2–B–Cx(L-x) = 0

H3 +30.7H2–177472.6 = 0

得H = 47.6 t

垂度（跨中） f = = 20.18 m

比不考虑塔架位移时垂度增加= 20.18- 19.62 =0.56m

必要时调整后缆风，控制塔架向跨中的位移值。

2.2.5主索应力的计算：

（1）在跑车轮作用下的主索应力，以跨中吊重时最大，总应力：

=65.2Kg/mm2

应力安全系数K2：K2=170/65.2=2.6>[2]

(2)索鞍处主索弯曲应力

此时跑车吊重后，位于塔前时应力最大

V=

K=170/83.7=2.03>[2]

2.2.6起重索计算：

（1）滑车有效系数

跑车中起重索倍率为8，即有效绳数为 n=8，

按n=4,c=2,查《无支架施工》附录5表1得 = 7.02。

（2）起重卷扬机的收缩拉力： Y =

P = (p2 + p3+p4)× = (4+0.95+60) × = 32.5t

冲击系数， y == 5.56t,采用8t卷扬机。

（3）起重索安全系数K

拉力安全系数 K = = 5.3 >5

应力安全系数：

起重扣转向滑轮的直径为 D = 300～400mm。取 D = 300mm

弯曲应力：

= 36.5

式中： E = 7560 （双重绕钢索） = 1.1（ 起重钢丝绳的丝径）

K =

2.2.7 牵引索受力计算：

由前面计算拱肋於对岸塔前50米处安装：

主索升角=7°11′12，转向滑轮的滑动轴承力 ，动滑轮、定滑轮为滚珠轴承， 跑车轮为滚珠轴承，运行阻力系数f = 0.01。

(1)跑车运行的坡度阻力W1

W1 = =

（2）起重索运行阻力W2

起重索力：G = 6×14.2-6 = 79.2t

共两个吊钩，每钩受力 （冲击及不均匀系数K=1.2）

y == 6.8t(起吊滑车组有效倍率)

W2 = 2（1-）×y = 2(1-0.984+5)×6.8= 2.3t

注：跑车定滑轮b=5，动滑轮a=4

(3)后牵引索的松弛张力W3：

W3 =（当拱座距塔50米，此时l=201米，f=20米)

= 497 kg =0.5t

(4) 牵引索总拉力W：

W = W1 + W2 + W3=11.5+2.3+0.5=14.3t

设牵引索倍率为 “2”，y =

本桥采用牵引卷扬机为摩擦型，拉力为P=10t，足够。

2.2.8地垅受力计算

拉力:

水平分力:

垂直分力:

地垅与基底土摩擦系数

（1)抗滑

(2)抗拔

（3）抗倾

式中：

（4）地垅设计尺寸

实际地垄重量1548t

本地垅设计>419m3满足要求。

本地垄实际V=（10×12×5）+45=645m3同样满足要求。

3.缆索吊拼装

3.1缆索吊施工拼装工艺

主要施工工艺：锚碇开挖、预埋件安装、浇注混凝土→塔架基础开挖、预埋件安装、浇注混凝土→塔架杆件拼装→各种绳索安装→安装滑车、卷扬机→调试→运行试吊→运行吊装。

3.2缆索吊机平面布置

根据地形条件，河流水文情况及施工条件等，决定采用缆索吊机担负0#台到7#台间的现浇部位的混凝土灌注，以及拱箱、模板、钢筋、T梁等的吊装，机械设备的搬运以及施工人员上下桥的需要,拟用一组主索道,采用普通钢丝绳,设计净吊重60吨。

缆索吊系统图

3.3材料和设备

名称 项目 承载索 起重索 牵引索 缆风索 备注

钢丝绳型号 6×36WS+1FC 6×37+1 6×37+1 6×37+1 1.起重卷扬机：JJK-10快速卷扬机40m/min

数量：2台

2.牵引卷扬机：

JJK-8快速卷扬机27m/min

数量：1台

根-直径 6-φ52 2-φ24 2-φ24 20-φ28

单重(kg/m) 10.3 1.97 1.97 2.77

截面积(cm2) 11.08 2.11 2.11 2.95

钢丝直径(mm) 2.4 1.1 1.1 1.3

抗拉强度(kg/mm2) 170 170 170 170

整绳破断拉力(t) 151.9 29.36 29.36 41.0

弹性模量(kg/mm2) 7560 7560 7560 7560

安全系数 3.0～3.5 5～6 4～5 2

应力安全系数 2 3 3 2

3.4锚碇施工

锚碇采用分配梁预应力锚索结构，施工工艺为：表面开挖、钻孔施工、钢筋施工、模板、砼施工。

3.5塔架施工

3.5.1塔架组成：塔架左、右岸两座缆索吊机塔架均为门式塔架，塔架采用万能杆件和部分加工件组拼而成。塔架施工包括基坑开挖、钢筋施工、模板和砼施工、万能杆件拼装。左岸塔架设置在0#桥台后10m，右岸设置在7#桥台后21m。在地面上开挖塔架基础，按照设计位置安装钢筋网及塔架预埋件。浇注混凝土，强度达到设计要求的80%后可进行塔架的拼装施工。主塔塔架的缆风绳设于塔顶和2/3塔高处，分前、后侧缆风绳，缆风绳上端与塔架固结，下端与地锚相连。

3.5.2塔架拼装

按设计要求拼装万能杆件塔架，并拼装行车安装平台，塔架杆件采用卷扬机和钢管扒杆拼装。塔架是整个缆索吊受力最重要的部位之一，其承受缆索传递的竖向力以及由缆索挠度传递的水平拉力。对塔架设计的时候重点考虑其抗倾覆力及挠度变形的影响。因此对塔架施工应该从材料选用、杆件连接、位置尺寸等方面加以控制。租赁的万能杆件必须选择无损伤无弯曲变形，杆件强度达到设计要求，杆件截面尺寸及各构造点的尺寸性能良好。尤其是螺栓的可靠性，能够保证施工需要。对于锈蚀严重，存在局部损伤的杆件坚决剔除不得使用。在进行杆件组拼时首先将各螺栓进行检验修整涂油。组拼时要精细施工，对每个螺栓的力矩均衡达到设计要求。拼装塔架每2米高就需要吊线检查一次塔身的倾斜度及几何尺寸。发现偏差过大必须重新拼装及时调整至设计要求范围，塔架的安装精度直接影响到索鞍的安装精度以及整体受力，为此施工中必须重视每一步施工环节。当塔架拼装到一定设计高度2/3处后，挂设缆风绳，塔架拼装到设计高度后，在塔架顶部安装I50的工字钢分配梁、四氟板和索鞍。

3.6设备安装架设

卷扬机根据预埋件位置进行焊接，每个焊缝长度不小于40cm，焊缝厚度不小于10mm。塔顶分配梁及索鞍采用临时扒杆吊装。平衡装置安装在锚碇分配梁上。

设备安装流程图

3.6.1先导索安装

先导索采用φ20尼龙绳，利用河江桥从左岸人工牵引至右岸。固定在卷扬机上。再利用先导索将φ16的钢丝绳牵引到河对岸。φ16钢丝绳到达右岸后穿过塔顶固定在5吨卷扬机上，解除先导索。

3.6.2渡工作索

将工作索配合索卡固定在已经安装好的φ16钢丝绳上，利用φ16的钢丝绳将工作索牵引到河对岸，通过塔顶滑车将两岸工作索连接，形成往复工作索，为渡承重索作好准备。

3.6.3渡承重索

将φ52的承重索紧固在工作索接头上，启动牵引卷扬机将φ52的承重索从左岸锚碇、左岸塔顶索鞍、右岸塔顶索鞍、牵引到右岸锚碇平衡滑轮，再从右岸锚碇平衡滑轮、右岸塔顶索鞍、左岸塔顶索鞍、牵引回左岸锚碇平衡滑轮，完成一个循环，共有3个循环。

3.6.4升行车、调整承重索

将行车安装在承重索上后，利用滑车配合10t牵引卷扬机将承重索紧固到位，紧固绳头采用搭接，绳卡间距为40cm，每个绳头用10个绳卡。每套缆索吊机的主索分为2组，每组由2根钢丝绳绕成6根主索。主索的索鞍采用移动索鞍，索鞍固定于塔架顶。主索跑车采用4排6轮式，吊机共需要2个跑车。

3.6.5渡牵引索、安装起重索

利用工作索将起重卷扬机的钢丝绳形成往复牵引系统，将原有工作索在接头位置固定并断开，将两接头穿过牵引滑轮并固定在锚碇上，形成往复牵引系统。牵引索采用两岸对牵式，φ24钢丝绳走3线，12t卷扬机牵引；起重索采用φ28的钢丝绳，走8线，10t卷扬机牵引。为保证两个跑车的正常运行，两岸各设一套牵引和起重系统，各控制一个跑车。按设计缠绕方式要求安装定滑车、动滑车、转向滑轮、起重索。

3.7试吊及运行情况

缆索起重机安装完成后应进行试吊，试吊按《起重机设计规程》进行，分阶段加载进行试吊，最后起重量为设计最大吊重量的110%，检查各部位、各连接杆件、运转设备等无异常后试吊结束。

3.8缆索吊施工注意事项

（1）、锚杆的空间位置和倾角必须精确定位，张力应达到设计要求。

（2）、钢丝绳使用均按国家最新标准，使用过程经常保养，涂油检查有无磨损。

（3）、各构件均为重要受力构件，其焊接连接要严格保证焊缝质量，焊缝质量Ⅰ级。应避免雨水积滞，并做适当防锈处理

（4）、钢丝绳绳端用绳卡（夹）连接或固定时绳卡（夹）的数量应按《钢丝绳绳夹使用方法》(GB5976-86) 的要求设置。钢丝绳绳端用绳卡（夹）连接或固定时应设保险绳绳卡（夹）。

（5）、为确保吊装工作的安全，在施工过程中，应组织专门人员负责测量观测与通讯联系。

3.9组织验收、安全备案

缆索吊安装并试运行正常后，要向上级单位安监部门报验并安全备案，取得合法的使用程序，根据检查要求，对各个检查部位都要挂牌标识，以表明设备运行处于良好状态。特种作业人员，起重工、卷扬机操作工人都要有上岗证书，并通过再次考试合格后方可上岗作业。

使用过程中定时对缆索吊的运行系统检查是否完好，包括卷扬机、钢丝绳、螺栓连接件、塔架、后锚、缆风、挂扣索等，填写检查记录，发现问题及时停止使用，维修或更换后试运转，正常后才可使用。