山区缆索吊装系统方案设计与分析

李治学　胡若邻　李平杰

摘要：针对拱桥及山区施工特点，结合思遵高速草鞋娅大桥吊装系统的设计实例，采用有限元对缆索吊装系统，包括主索、起重索、牵引索、扣索、锚索锚桩、扣索锚碇、索塔等结构进行大变形受力分析，验算了索端反力、挠度等参数，确保了缆索吊装系统的受力安全。该缆索吊装系统的有效应用，可为其他缆索吊装系统方案设计提供借鉴。

关键词：缆索；吊装系统；拱桥；有限元分析

中图分类号：U445.4文献标志码：B

Abstract： The cable lifting system was adopted to construct the reinforced concrete arch ring for Caoxieya bridge on SimaoZunyi highway. The cable lifting system， designed to lift the weight of 18 t， consists of main cable， whip hoist， drag cable， pintle cable， cable anchor pile， buckle cable anchorage， cable tower and so forth. According to the construction characteristics of the arch bridge and the mountain area， the cable lifting system was specially designed； the large deformation stress on the cable was analyzed with finite element； parameters such as cable end reaction force and deflection were calculated； the force safety was ensured. The effect of the cable lifting system in practice provides reference for other cable lifting schemes design.

Key words： cable； cable lifting system； arch bridge； finite element analysis

0引言

中国早在上世纪70年代就开始采用缆索吊装系统修建桥梁，随着缆索材料强度的不断提高，及其跨度、用途、使用环境的不同，缆索吊装系统的应用越来越广泛，特别是在钢管混凝土拱桥[13]、钢筋混凝土拱桥等桥梁施工中。虽然，缆索吊装系统设计理念相同，但由于针对的桥梁特点及使用环境不同，缆索吊装系统设计参数也有所变化。本文结合思遵高速草鞋娅大桥山区施工特点，特别设计了缆索吊装系统，并在受力变形分析论证的基础上，对该系统进行了有效应用，为往后类似工程提供借鉴及建议。

1工程概况

思遵高速草鞋娅大桥钢拱架分段拼装采用缆索吊装系统，以主索承重，两岸锚碇及索塔作为主索固定结构，运用起重索及牵引索使滑车实现垂直运动和水平运动，从而实现吊运。缆索吊装系统包括缆索、思南岸锚索锚碇、思南岸扣索锚碇（0#桥台）、遵义岸后锚碇、遵义岸扣索锚碇（18#桥台）、遵义岸索塔及缆索吊装机具（见图1）。

2缆索吊装系统设计方案

2.1缆索

缆索主要包括主索、起重索、牵引索、扣索。

2.1.1主索

主索为主承重索，支承于索鞍上，用于承受吊物重量。遵义岸主索通过索塔索鞍后锚固于后锚锚碇上，思南岸锚固于锚索锚碇上。主索根据吊运构件的重量、垂度、计算跨径等因素，设2组Φ52 mm钢丝绳，设计起重量为18 t。

2.1.2起重索

起重索用于控制所吊物体的升降，其一端缠绕于一岸的卷扬机滚筒上，并跨过索鞍穿绕过起重滑车固定于另一岸，通过控制卷扬机的滚动方向来控制被吊物体升降。起重索一般根据吊运构件的重量、走线形式、滑车规格选取。本次施工的起重索选用Φ21.5 mm钢丝绳，采用“走4”方式穿绕滑车。

2.1.3牵引索

牵引索用于牵引跑车在主索上沿桥跨方向移动，牵引方式有单线循环牵引及双向牵引。本工程采用双向牵引，即牵引索一端缠绕于一岸的卷扬机滚筒上跨过索塔与滑车上牵引钩相连，另一岸亦是如此，通过控制两岸的卷扬机来控制跑车沿主索的前后移动。牵引索的牵引力由跑车运动阻力、起重索运动阻力和牵引索自然松弛力3部分组成，需计算出最大拉力再与所选牵引索的破断力进行比较，并考虑安全系数，从而决定牵引索规格。本工程的牵引索采用Φ24 mm钢丝绳将跑车与卷扬机相连。

2.1.4扣索

扣索分为正式扣索、临时扣索和缆风索。正式扣索用来在钢拱架拼装过程中固定调整拱架，并保留至钢拱架合拢为止；临时扣索用于钢拱架拼装中临时固定钢拱架待正式扣索扣挂完成即可拆除；缆风索根据使用位置不同分为索塔缆风索及钢拱架缆风索，其作用是为了平衡风荷载保证缆索吊装系统及钢拱架的稳定。本工程的扣索皆采用Φ26 mm钢丝绳，正式扣索遵义岸5组，思南岸6组，每组6根；临时扣索遵义岸及思南岸均为5组，每组4根；单根索塔缆风索共4根，扣挂于索塔顶部；拱架缆风索共8组，每组2根，分别扣挂于两岸的第4、6、8、10钢拱架节段上。

2.2思南岸锚索锚桩

思南岸设置2个中心间距为9 m的锚索与锚桩相结合的锚固端，每个锚桩设置2组钢绞线锚索，孔深为15 m，锚固长度为5 m，与水平线成30°斜向下布孔。为了便于张拉锚桩，设计将C40混凝土浇注成长、宽2 m，高6 m，埋深为5 m的方桩（见图2）。

2.3思南岸扣索锚碇（0#桥台）

思南岸共设置6组正式扣索，其中3组正式扣索扣挂于锚索锚桩上，另外2组正式扣索扣挂于思南岸0#桥台上。原设计0#桥台形式为简易台扩大基础，单幅桥台重约172.5 t。采用MIDAS建模计算出各组扣索在各拼装阶段过程中的最大索力，得出扣索1的最大索力为23.45 t， 扣索2的最大索力为3614 t， 扣索3的最大索力为3984 t。锚锭处为整体性良好的微风化灰石，摩擦系数取0.4，安全系数取1.3，由此进行锚碇设计。桥台前需增设25 m宽、1.0 m高的通长混凝土基础，并预埋I25a工字钢用于扣索扣挂，并且左右幅桥台整体浇注，以增加抗滑力（见图3）。

2.4遵义岸扣索锚碇（18#桥台）

遵义岸共5组正式扣索，2段扣索扣挂于18#桥台上，另外3组通过索塔索鞍扣挂于遵义岸后锚碇上。遵义岸的扣索锚碇形式及设计方法与思南岸一致，根据索力验算锚碇的倾覆稳定性及抗滑性稳定性从而确定桥台前增设1.5 m宽，1.0 m高的通长混凝土基础，并预埋I25a工字钢（见图4）。

2.5遵义岸后锚碇

后锚碇位于索塔正后方30 m处，用于锚固主索及扣索。遵义岸设2个后锚碇，采用C30钢筋混凝土浇注而成。锚碇形式采用重力式锚锭与圆形锚桩相结合的方式。通过对锚桩进行抗拔性验算、抗剪验算、抗滑稳定性验算及倾覆稳定性验算，得出重力式锚锭顺桥向长8.5 m，横桥向宽4.5 m，深4 m，圆形锚桩直径为2 m，长6 m，深4 m，露出地面2 m，锚桩位于锚锭中。锚碇上预埋扣索用千斤头，主索背索扣紧于圆形锚桩上（见图5）。

2.6遵义岸索塔

本工程索塔为采用螺旋钢管和型钢焊接而成的门式结构。索塔立柱为2根25 m高的Φ630 mm×10 mm螺旋钢管，立柱中心距为9 m，采用位于顶部及中部的2道由I32a工字钢和[20a槽钢连接而成的桁架式横联，索塔顶高程与思南岸锚索锚碇扣挂扣索处高程相同，均为9427 m。

塔顶焊接3 cm厚A3钢板，其上设置索鞍。索塔塔脚采用特制钢结构铰座，并将其与索塔立柱焊接并加缀板连接，铰座由上铰座、下铰座、销子等部分组成。由于索塔较高，为了防止出现失稳，索塔内灌注C25混凝土。

2.7缆索吊系统机具

缆索吊装系统的机具主要包括滑车和卷扬机。滑车数量与起重索根数相同，本工程共2台滑车。滑车由跑车及滑车组构成，附着于主索上运行的部分称为跑车，滑车组由上下2部分组成，与跑车相连的部分称为定滑车组，与吊物相连的部分称为动滑车组。卷扬机是通过转动卷筒，将缠绕在卷筒上的钢丝产生牵引力的起重设备，其吨位应根据所吊重物来进行选择。本工程中，用于起重的8 t卷扬机有2台，位于遵义岸索塔后方，用于牵引的8 t卷扬机各2台分别位于思南岸锚索锚桩前方及遵义岸索塔后方。

3缆索索端反力及强度分析

草鞋娅大桥施工缆索是大变形几何非线性受力，为精确计算锚固力，应采用大变形非线性计算理论。在此，采用ANSYS软件求解缆索在各种不利荷载下的索端反力，将其计算结果进行比较和总结，得出索端反力的最大值，最后验算缆索强度。

3.1有限元模型

根据缆索的实际情况，取缆索在思南岸锚墩上的锚固位置为有限元模型的端点。主索选用Φ52 mm钢丝绳，左右各1组。Φ52 mm钢丝绳技术参数为：每米质量为943 kg，横断面积为1 0038 mm2，钢丝直径为24 mm，抗拉强度为1 870 MPa，弹性模量为75 600 MPa。

缆索采用Link10杆单元，由210个单元组成，施加自重荷载，通过迭代找形得到垂度为4.06 m的悬链线。

3.2缆索索端反力计算结果及分析

根据实际工况，利用有限元模型分析恒载、恒载+跨中集中荷载、恒载+跨中集中荷载+风载3种工况。通过计算得到缆索两端的约束反力，同时比较和分析其最大值。计算结果见表1，从表中可知，缆索两端最大反力在工况“恒载+跨中集中荷载+风载”下，1#墩处的索力为1 010 kN，2#墩处的索力为1 010 kN。而采用简化方法（即不考虑风荷载）计算缆索端反力在恒载、跨中集中荷载作用下为906.4 kN，较精确解偏小约10%，在临时工程施工精度范围内尚可接受，但要预留足够的安全系数。

由以上计算结果可知，在不考虑风缆作用的情况下，风荷载作用施工缆索的横向位移为2.635 m；集中荷载作用下的竖向位移为6.127 m；风荷载加集中荷载作用下的竖向位移为6.107 m；最大挠跨比为3.33%。

在考虑风缆作用的情况下，风荷载作用施工缆索的横向位移为2.089 m；集中荷载作用下的竖向位移为3.608 m；风荷载加集中荷载作用下的竖向位移为3.532 m；最大挠跨比为2.0%。从计算过程可见，风缆对施工缆索的横向和竖向位移均能起到减小的作用。

5结语

采用有限元ANSYS软件，依据现有规范，充分考虑各种可能出现的工况，取各种荷载的标准值，对草鞋娅大桥施工缆索进行了模拟分析，结果如下。

（1） 1#墩处的索力为1 010 kN，2#墩处的索力为1 010 kN。主索采用Φ52 mm钢丝绳的安全系数大于规范值2，安全系数满足要求。

（2） 对于缆索挠度，在未考虑风缆影响时，风荷载作用缆索的横向位移较大，为2635 m；集中荷载作用下的竖向位移为6.127 m；风荷载加集中荷载作用下的竖向位移为6.107 m；最大挠跨比为333%。在考虑风缆影响时，风荷载作用缆索的横向位移较大，为2089 m；集中荷载作用下的竖向位移为3.608 m；风荷载加集中荷载作用下的竖向位移为3.532 m；最大挠跨比为2.0%。说明风缆对施工缆索的横向和竖向位移均能起到减小的作用。建议在缆索吊装系统施工过程中，两岸上下游均采用风缆扣住施工缆索，以减小施工缆索横向和竖向位移。

（3） 钢丝绳计算截面面积和破断力等力学参数对结果影响较大，因此，在方案实施前，建议项目部实测缆索的密度、破断力、弹性模量等关键力学参数，以便校核出厂数据和计算假设。

参考文献：

[1]牛润明，张耀辉，张志国.东莞水道特大桥无支架缆索吊装系统设计[J].建筑机械，2006（9）：7779.

[2]梁晓飞，许智.缆索吊装钢管混凝土拱桥施工设计[J].施工技术，2011，40（19）：102105.

[3]马祖桥，杨东海.梅山水库金桃大桥无支架缆索吊装系统设计[J].桥梁建设，2008（6）：4548.

[4]陈淑红.缆索吊装钢筋混凝土拱桥的施工技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[责任编辑：杜卫华]