两河口特大桥缆索吊装系统设计与分析

徐金华，杨 磊

(1.山西省交通规划勘察设计院 太原市 030012； 2.山西省公路局 太原市 030006)

缆索吊装系统属于特种设备，它以柔性钢索作为大跨度架空支承件，吊车依靠牵引索牵引在承载索上往返运行，进而在较大空间范围内完成重物的垂直运输和水平运输，缆索吊具有吊运范围大、生产率高、对主体工程施工现场干扰少、受汛期影响少、造价低等特点。

虽然缆索吊装系统设计理念相同，但工程特点及使用环境不同，缆索吊装系统设计参数也有所变化。结合两河口特大桥施工特点，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

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，电站坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2km河段，坝址控制流域面积为6.57万平方公里，坝址处河流多年平均流量666m3/s。

两河口水电站枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流竖井泄洪洞、地下发电厂房、引水及尾水建筑物等组成，采用“拦河砾石土心墙堆石坝+右岸引水发电系统+左岸泄洪、放空系统+左、右岸导流洞”的工程枢纽总体布置格局。砾石土心墙堆石坝最大坝高295m，引水发电系统为大型地下洞室群结构，安装6台500MW的水轮发电机组。

两河口特大桥是两河口水电站的重要配套工程，桥跨布置为(5×30+420+3×30)m，桥梁全长663.0m，主桥结构采用上承式钢管混凝土拱，主桥计算跨径为420m，采用悬链线作为拱轴线，拱轴系数m为1.543，计算矢高f为105.0m，矢跨比为1/4。该桥桥位处大桥与沟谷约呈60°交角，河谷深切呈V形，高约240m，呈直立状，两岸基岩出露良好，桥位下游1km为两河口水电站坝址位置，其桥型布置图如图1所示。

由于两河口特大桥处在一个陡峭峡谷，没有施工场地，相对高差大，大桥引桥施工钢筋、模板、混凝土等材料的垂直和水平运输相当困难，根据该大桥特点及现场地形，决定采用简易缆索吊施工工艺,将材料从下游坝址处灌浆平洞内转出后顺利转运至工作桥位处，然后利用缆索吊进行材料的运输，缆索吊装系统的最大吊净重按2t重进行考虑。

2 缆索吊装系统设计方案

2.1 缆索吊装系统总体设计

根据该大桥所处的地理环境，采用缆索吊装工艺进行引桥施工中钢筋、模板、混凝土等材料的垂直和水平运输施工。本缆索吊吊装荷载较小，左右岸均在桥台标高平台位置采用承台+锚杆组合地锚形式。

图1 两河口特大桥桥型图

2.2 吊装方案的选择

缆索吊装系统由主索、跑车、起重索、起重滑车组、牵引索、起重及牵引卷扬机、锚碇、承台、风缆等组成。

根据设计图纸及现场实际情况缆索吊主要为吊装山谷内26000～2840m标高处灌浆平洞内转运出来的钢筋用于引桥施工，拟在左右岸A、B点标高为2875m已形成的平台位置设置缆索吊锚碇，锚碇采用承台+锚杆的锚固形式，缆索吊设计跨径668m，矢跨比为0.055，最大垂度为36.74m，主缆垂度位置低于吊装顶标高2840m，但吊装顶标高2840m处山体与主缆净空约为27.9m，满足此处吊装高度，可按左右岸无塔设计，该方案具有成本低、安全可靠等优点，因此引桥施工钢筋、模板、混凝土、仓面废弃物等材料的缆索吊装系统按此方案予以实施。

2.3 吊装系统总体设计与布置

由于施工荷载最大净重量为2t，配重1.0t，因此本缆索吊装系统额定起重量按3.0t设计。采用一组主索，安装一个起重跑车。

整个缆索吊装系统左右岸各设1处C30锚碇承台梁，承台梁长6m，宽2.5m，厚度、高度平均为2.5m，锚碇承台底设置4.5m钢筋锚杆18根，左岸锚碇设一处主缆固定点、牵引索转向滑轮以及预留一处卷扬机锚固点，右岸设3台卷扬机锚点(起重卷扬机、牵引卷扬机、主缆收紧卷扬机(可用倒链替代))，设置主缆固定点一处，转向滑轮2处，右岸锚碇侧设卷扬机值班室及控制室。

缆索吊装系统主要参数取值如下：

(1)额定起重量Q=2t；

(2)跨距l=688m；

(3)视线坡角β=0；

(5)最大起重高度h=240m；

(6)起重索工作高度：1.5m；

(7)吊钩至吊桶底距离：1.5m；

(8)安全净空：3m；

(9)吊点重(吊具及其间钢丝绳)重量：0.04t；

(10)跑车重：0.04t；

(11)最大净吊重：2t；

(12)配重重：1.0t。

缆索吊装系统整体布置如图2所示。

缆索吊装系统的主要部件结构如下：

(1)主索(承重索)

通过初步试算，主索采用单根直径48mm(6×37S+FC)钢丝绳承担，单位质量为7.97kg/m，破断拉力T为1270kN。主索通过索鞍支承于塔顶并连接至主地锚处。索鞍设计为松紧可调结构，松开时主索可以在索鞍上滑动，夹紧时主索不能滑动。主索上设有1台起重跑车、牵引及起重系统。

(2)牵引索和起重索

牵引索采用一根直径16mm(6×37S+FC)钢丝绳，单位质量为0.89kg/m，破断拉力T为134 kN。钢丝绳采用走“4”的方式穿绕，系统配5t牵引卷扬机2台。

图2 缆索吊机立面布置图

起重索采用一根直接20mm(6×37S+FC)钢丝绳，单位质量为1.38kg/m，破断拉力T为209 kN。系统配起重卷扬机一台。

(3) 地锚

大坝缆索吊左右岸共设置2个锚锭。锚碇设置为承台+锚杆组合形式，锚杆承台下有效锚固长为4.5m。锚碇基础为C30钢筋混凝土结构，尺寸为6m×2.5m×2.5m，其立面、平面布置如图3和图4所示，基础内设置18根直径25mm钢筋锚杆，钢筋锚杆施工时，先开挖承台后再进行钻孔，锚孔孔径为80mm，钻孔达到设计孔深后先将锚孔灌注C30砂浆后再放入钢筋，承台底锚孔长4.6m，锚杆共长5.5m，锚杆伸入承台内锚固长度大于等于40d。基础配筋采用双层双向18mm@200钢筋网片，周边采用12mm@200钢筋时上下网片钢筋形成整体，拉筋为12mm@600梅花形布置。

图3 地锚立面布置图

图4 地锚平面布置图

3 缆索吊装系统静力计算分析

缆索系统主要由主缆索、起重索、工作索、牵引索、主缆索跑车及下挂结构、塔顶索鞍、地锚等组成，缆索系统中所用各种钢丝绳的参数见表1。

表1 缆吊主索参数对照表

3.1 主索计算分析

主索为缆索吊的支承结构，是缆索吊的核心部分，主索受到荷载主要由集中荷载和均布荷载两部分组成，其中集中荷载由吊装重、吊具重、起吊索重组成，均布荷载包括主索、起重索、牵引索的自重。缆索吊的均布荷载和集中荷载的数据见表2和表3。

表2 均布荷载

表3 集中荷载

3.2 起重索计算分析

起重索承受荷载包括吊重Qe，吊具重量Qh，起重索自重引起的最大集中荷载QR，以及起重小车上下挂架重量Qe，起重索绕过卷扬机张力计算需要考虑起升动荷载系数，在计算时系数取1.5，起重索绕过卷扬机端张力：

式中：Q—起吊总重；

n—滑轮组上起重索工作线数，取2；

η1—滑轮组效率，取0.96；

η2—转向滑轮效率，取0.96；

m—滑轮组轮数，取1；

μ—转向滑轮轮数，取2；

λ—受力不均匀系数，为1.5。

起重索的接触应力验算：

3.3 牵引索计算分析

吊运过程中，牵引索处于被动牵引状态，牵引索被动牵引起重小车时，牵引索的拉力大小与起重小车所持的位置有关，距离主塔越近，牵引力越大，牵引索越不利， 本缆索吊跑车的运行阻力最大设计在锚固点前5m，即X=663m。

当吊重荷载距支撑点X(m)时，主索水平张力为HX,HX的状态方程式如下：

其中a、b为与荷载有关的系数：

式中,l 为缆索主跨计算跨径(m);E为主索弹性模量(MPa)；Ft为主索截面面积(m2)；Gm为各整根索重力之和；P 为额定起重时的集中荷载，Hm为最大张力之和；Px、Gx计算状态下的集中荷载、索的总重力；Hm=356.63kN ；X=663m代入式中，由此可以求得HX=178.95kN。

主索曲线方程为：

索鞍处升角切线斜率：

相应的主索升角γ计算公式为：

tanγ=f′(x,H)=0.047159，γ=2.7°

跑车处主索升角：γ=2.7°，sinγ=0.04725，cosγ=0.9989

牵引索牵引阻力由跑车运行阻力W1、起重索运行阻力W2、后牵引索的松弛张力W3三部分组成，其计算如下：

(1)跑车运行阻力W1

W1=Hsinγ+μHcosγ=11.14kN

(2)起重索运行阻力W2

W2=Tmax(1-ηm)=36.65×(1-0.962+2)=31.15kN

(3)后牵引索的松弛张力W3

(4)牵引索总牵引阻力W

W=W1+W2+W3=11.14+31.15+13.46=

55.75kN

4 结语

两河口特大桥地处陡峭峡谷，相对高差大，施工用地紧张，施工工期紧，针对引桥施工钢筋、模板、混凝土、仓面废弃物等材料的垂直和水平运输相当困难的问题，结合施工现场实际地形，特别设计了缆索吊装系统，对缆索吊装系统的主索、起重索、牵引索等结构进行受力分析，计算结果表明，主索、起重索、牵引索的受力满足规范要求，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。