基于某特大桥安装关键问题分析研究

李真颜

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510080）

1 工程概述

某特大桥所处位置在长江入口上游处，全长687.8m。主桥采用劲性骨架钢筋砼上承式拱桥，钢桁拱肋为劲性骨架，主弦管及横梁弦管内灌注C60自密实无收缩砼，拱圈劲性骨架外包C55补偿收缩砼。拱座基础采用水平桩+竖向桩形式，交界墩为双柱式空心墩，拱上11根墩柱、三联连续梁（4孔一联），左端引桥2×65mT构连续梁，右端引桥（44+72+44）m连续梁+24m简支梁，全桥位于3‰直线纵坡上。

该大桥缆索吊装系统跨径布置为96.100m+492.950m+115.15m（右幅为123.150m），布设两套75t主缆索吊机与两套20t工作缆索吊机，两套主吊中心间距20.8m，两套工作吊最大间距为15m。两岸设计门式缆塔，左岸缆塔高95m，右岸缆塔高92m（左幅85m）；缆塔基础采用桩基承台结构形式，卷扬机及自动化控制系统放置于右岸5#桥台附近。

该套缆索吊机系统由缆塔、锚碇、主索、索鞍、牵引索、起重索、行走天车、吊具、牵引及起重卷扬机、自动化控制系统等主要系统构成。主塔立柱采用Φ630×20mm钢管，横梁主管采用Φ351×12mm钢管，钢管间联系件采用2［20。塔身由两道横梁将上、下游塔柱联成一体，构成门式框架。缆索吊机主索锚碇分别设置在0#桥台、5#桥台附近，缆索吊机结构简图如图1所示，其各索结构基本参数见表1。

表1 索结构参数表

2 主索计算

2.1 荷载分析

主索承受的荷载主要有两个部分：一是集中荷载；二是均布荷载。集中荷载主要包括节段重量P1、吊具自重P2、起重索部分重量P3等几部分。均布荷载由主索、牵引索、起重索、支索器等的自重。

集中荷载：

其中：

P1=180t（最大吊重150t，计入1.2的冲击系数）；

P2=64t（两线各两台共四台跑车24t+扁担梁重40t）；

P3=10.86t（起重索起落高度182.25m的重量）。

主索（2-9Φ62）所受的均布荷载：

钢丝绳主索：q1=2×9×16.1kg/m=289.8kg/m=0.2898t/m

φ28起重索：q2=2×2×2.98kg/m=11.92kg/m=0.01192t/m

φ30牵引索：q3=2×4×3.42kg/m=27.36kg/m=0.02736t/m

支索器设计每50米一个，共2t：q4=2000/492.95=4.057kg/m=0.0041t/m q=0.2898+0.01192+0.02736+0.0041=0.33318t/m

2.2 主索张力计算

针对主索的计算应选择最不利工况，即吊重处于跨中位置工况。

最大吊重处于跨中位置时主索的设计最大垂度：

则主索最大水平拉力为：

承重索和最大吊重在靠近河心侧作用在缆塔上的竖向力为：

靠近河心侧承重索和水平线的竖向夹角α可以通过力的关系计算：

则由此可计算出主索的最大张力：

2.3 主索的接触应力计算

式中：

F——主索截面积，为1808×18=32544mm2；

Dmin——小车平滚的最小直径，取450mm；

d——主索钢丝直径，取3mm；

Ek——主索的弹性模量，取7.3381×104MPa。

主索的接触应力安全系数为：

2.4 主索的弯曲应力计算

式中，n为起重跑车车轮数，设计中为n=2×18=36，其它符号与前面相同。

则主索的弯曲应力安全系数为：

2.5 空索安装张力与安装垂度计算

主索的张力方程为：

式中：

Hx——主索的水平张力；

Q——集中荷载；

Qx——任意荷载值，空索状态即Qx=0；

Gx——两塔间均布荷载总重，为164.24t；

Hm——最大水平张力，为1280.96t；

Eη——换算弹性模量。

因为主索两端锚固长度较大，所以按三跨计算更接近实际，其换算弹性模量为：

代入公式可求得空索水平力为：则可求出空索安装时的跨中垂度为：

垂直分力：

则最大张力为：

主索长度为：

每根主索安装的切线倾角为：

安装时每根主索的拉力为：

3 起重索计算

起重索使用四台起重跑车起吊，每台起重跑车采用φ28纤维芯钢丝绳（6×37S+FC）走10线布置，选用4台15t起重卷扬机，下图2为1/2起重索布置：

图2 起重索布置图

3.1 荷载计算

作用在起重索上的荷载包括：最大吊重180t、扁担梁重40t、起重索部分重10.86t。作用在跑车上的总荷载为：

不计偏载系数，作用于每台起重跑车上的总荷载为：

3.2 起重索最大张力计算

每段拱肋采用四部跑车抬吊，每部跑车各有一组起重滑轮组，走10线布置，从定滑轮绕出，起重滑轮与转向滑轮均采用滚动轴承。

起重索采用φ28（6×37S+FC）普通纤维芯钢丝绳，TP=458kN，设起重索进入卷扬机卷筒时的单头拉力为T。

起重索破断拉力安全系数为：

3.3 起重索接触应力计算

418.47MPa

式中：

F—— 单根起重索截面面积，为317mm2；

d—— 起重索单根钢丝直径，为1.2mm；

Dmin—— 起重滑轮组直径，取400mm；

Ek—— 起重索弹性模量，为7.56×104MPa。

起重索破断拉力安全系数为：

即起重绳安全满足要求。

3.4 起重索容绳量计算

起重索容绳量由起重跑车运行至跨中时需绳量控制，最大起吊高度Hmax=塔顶高程-最低水位-吊重垂度-起吊物及吊具的总高度（大约25m）。

一台起重跑车设计走10线，各卷扬机同时起吊，为确保绳索足够，卷扬机含有50m富余量，则起重卷扬机的容绳量为：

则其容绳量取2100m。

4 牵引索计算

牵引索采用2×1Φ30（6×37+FC）钢丝绳，单套系统走4线布置，配置4台25t双筒摩擦卷扬机作为机械动力。下图3为1/2牵引索布置：

4.1 荷载计算

牵引索受力由牵引升角最大工况控制影响，跑车位于塔架附近x=50m时，牵引升角最大。

假定主索在索鞍处不移动，可得到索结构张力方程为：

得：Hx=9202.39kN

该位置垂度为：

牵引索最大升角为：

即：θ=10.09°

4.2 最大牵引力计算

最大牵引力包括：后牵引索松弛张力W1、跑车运动阻力W2和滑轮转动阻力W3。

1）后牵引索松弛阻力

式中：

qa——牵引索单位长度重量，为0.02736t/m；

xa——后牵引索跨度，为492.95m；

fa——牵引索垂度，为后牵引索跨度的1/15。

2）跑车运动阻力

式中：

μ——钢丝绳与起重跑车的运动阻力系数，弧形轴承取μ=0.02；

Q——荷载总重；

θ——牵引索升角。

3）滑轮转动阻力

式中：

fc——起重索穿过滑车（取0.98）；

a——起重跑车运行时，牵引索中转动的导向滑轮数；

b——起重跑车运行时，起重索中转动的导向滑轮数。

总牵引索牵引力为：

4.3 牵引力计算

牵引滑轮组实际工作效率：

卷扬机牵引力：

牵引索拉力安全系数：

4.4 牵引索接触应力与安全系数计算

式中：

F——单根牵引索截面面积，为364mm2；

d——牵引单根钢丝直径，为1.4mm；

Dmin——牵引滑轮组直径，取400mm；

Ek——牵引索弹性模量，为7.56×104MPa。

即牵引绳安全满足要求。

4.5 牵引卷扬机容绳量计算

牵引索按走4布置，每岸通过两台牵引卷扬机进行牵引，牵引索可在全跨内移动。卷扬机初始绕绳量取值50m，则卷扬机的容绳量为：

式中，未计索绕过滑轮的长度，其值包含在50m的初始绕绳量中，选用容绳量2200m。

5 结语

对于长江入江口处，一般两岸地形较为陡峭，不适合大型构件的生产与安装，当在这种位置建桥时，首选方案即为将预制拼装完成的构件节段通过长江水路运送到安装位置并通过缆索吊装系统进行吊运安装。针对现场地形设计的缆索吊装系统，其索结构的受力合理极为重要。本文对该桥各索的受力进行了验算，满足规范安全要求，确保了施工的安全性，同时也为同类型施工提供了一定的借鉴依据。