缆索起重机的设计及其在桥梁施工中的应用分析

张永强

（中铁十七局集团城市建设有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

目前，缆索起重机凭借其大跨距架空承载构件的优势，能够应用于桥梁工程当中，作为悬吊运输工具使用，进行施工材料的起重与装卸作业。在桥梁工程施工中，缆索起重机的设计与应用需要严格参考《缆索起重机型式试验细则》（TSG Q7009—2007）的施工规范，对起重机设施的设计过程进行严格规划，保障其缆索系统、塔架系统、锚定系统、分索系统等设计的合理性，最终才能有效应用于桥梁工程中。

1 缆索起重机的设计要点及建议

1.1 明确缆索起重机的设计原则

在桥梁工程中，相关人员必须根据桥梁工程的属性来明确其设计原则。以深圳某大桥主桥施工为例，该桥梁属于钢管混凝土系拱桥，单孔跨度约140m，对此，缆索起重机的索道主跨设计长度应大于桥梁单孔主跨约25%；桥梁拱肋的矢量高度达到平均35m 的水平，而塔架的设计高度需超出矢量高度100%，因此起重机塔架设计高度最佳值应取65～70m；桥梁拱肋中心的平均间距达到19m，因此塔架宽度的设计取值应在23～26m 之间，才能确保起重机能够覆盖桥梁施工吊装工作的所有范围。此外，结合《起重机械检查与维护规程》（GB/T 31052.1—2014）的规范要求，起重机械塔架必须具备充足的稳定性与抗性强度，密封式主索需要同时搭配6 根及以上符合规格的起重索、牵引索，因此，该施工案例中预计设计8 根φ28mm 的后缆风索、4 根φ55mm 的密封式钢丝绳，这一举措毫无疑问符合缆索起重机的设计原则，有利于提高缆索起重机在桥梁施工中的稳定性。

1.2 主索的设计要点

主索的设计可以根据桥梁工程的跨度进行选择，例如，针对长度为500m 左右的大跨度桥梁，施工单位的缆索起重机应采用三跨主索的形式进行设计，具体的做法为：缆索起重机布置多组承重主索，主索间距应当视情况而定，控制在300～500mm 之间，并且搭载直径大于50mm 的钢丝绳进行加固；在起重索的设计上，考虑到起重索两端需要预留位置来安装调索装置系统，因此，可以采用不小于φ20mm 的钢丝绳及转向滑轮构成绳索系统，配合吊点设计进行作业；在牵引索的设计上，考虑到绳索并非定向的运动形式，所以，牵引索系统需要搭载若干慢速卷扬机，才能够实现牵引系统的多项驱动，并且由牵引索的规格来决定卷扬机的规格，如：5t 卷扬机可搭配φ21mm 及以上规格的钢丝绳索进行布置，卷扬机设置于锚定位置的后方，以便实施有效牵引[1]。

1.3 主索设计的计算方法

在缆索起重机的绳索设计上，各种绳索的安全系数需要达到施工规范要求，如：主索破断拉力需要不小于3，应力水平需要不小于2；牵引索破断拉力应不小于5，应力需要不小于3……起重索与缆风索的设计安全系数以此类推。因此，在起重机绳索的设计中，需要借助计算得出缆索是否具备相应的设计条件。仍然以500m 大跨度桥梁的多跨主索为例，在多跨主索中，主跨垂度增大会引发其余跨度相应减小，以至于多跨主索能够通过垂度变化来适应运行时的张力，而多跨主索在多种情况下的受力计算应当参考式（1）进行分析。当缆索起重机的矢跨比达到5%～10%之间时，其设计的取值最为合理。

缆索起重机三跨主索计算公式：

式（1）中：Wcable表示主索自重；γ 表示主索单位长度的线密度；Acable表示主索横截面积；Lcable表示主索长度。

与此同时，相关人员需要对缆索起重机的主索最大拉力进行验算，并对比缆索起重机的设计规范标准，判断其最大拉力、水平拉力的设计是否合格，计算方法如式（2）所示。

主索最大拉力计算：

式（2）中：T 表示主索拉力；W 表示桥梁总荷载；H 表示主索最大净高度；L 表示主索有效跨度。

1.4 承载索的设计要点

起重机承载索的设计需要针对多项物理参数进行复杂设计，所以可以借助计算机程序辅助计算。以两端固定式承载索的程序计算为例，通过将起重机承载索的水平跨距视为l0，将其高度差视为h，以及最大起重量视为Q，这些数据均能作为初始计算参数，通过计算机程序计算出承载系统钢丝绳最大荷载Qmax、承载索最大张力T 等数据。最终获得的计算参数能够用于承载索的校验与比对，最终，由施工人员选择出最符合计算参数的承载索规格用于实际施工，保障缆索起重机的使用效能。而能够用于计算承载索初始参数的计算机程序包括M-NET-F、Access 以及VS.net 等，主要的应用流程如图1 所示。

图1 计算机程序下的承载索参数设计流程

2 缆索起重机的塔架设计与建议

2.1 塔架设计方法

缆索起重机的塔架高度设计与主索的最大挠度、临空高度以及塔架底端与桥梁最高点的高度差有所关联，在设计过程中，需要同时参考以上数据参数，方能得出最合理的塔架高度取值。高度计算的方法如式（3）所示，其中需要注意的是，一般缆索起重机的塔架受力情况为：塔架整体的垂直荷载略微高于水平荷载，但塔架的受压结构致使水平荷载容易影响塔架的稳定性。故此，主索临空高度的统计需要考虑重物最大高度、吊钩及捆绳高度、吊滑车组高度差（一般情况下，控制在1500～2000mm 的区间）等参数，得出最合理的计算参数。

一般缆索起重机塔架高度计算：

式（3）中：H高表示塔架设计高度；Fmax表示起重机主索最大挠度；h1表示考虑重物最大高度等参数的主索临空高度；h2表示塔架底面至桥梁最高点的间距差。

2.2 塔架设计要点

塔架的设计与计算需要以塔架结构或支座的设计情况为出发点，在一般情况下，塔架的水平荷载需要由多个结构承受，如：塔架下端交接位置的水平荷载作用于缆风索；上端部分则由两端安装的受压构件来承受。因此，在设计塔架过程中，塔架与缆风索之间的位置关系应当明确，以减少塔架顶端的位移情况，合理分配塔架的内力关系。在此基础上，采用多元化的塔架形式，能够有效适应桥梁施工现场的场地条件及施工需求。如：墩顶式塔架适应顶部位移变化；辐射式塔架提高底部稳定性。因此，合理选择有效的塔架形式，配合塔架设计，才能够使施工更加灵活便利[2]。

3 缆索起重机在桥梁施工中的应用范围分析

3.1 缆索起重机用于桥梁施工材料物流

运输与吊载施工材料是缆索起重机的重要功能之一，在桥梁工程施工中，桥梁多处结构的施工均会使用到缆索起重机辅助施工作业。典型的代表有：桥梁施工的主墩承台浇筑时，需要采用大体积混凝土进行不间断浇筑，但考虑到地貌因素对混凝土运输造成的影响，施工单位在完成混凝土的配备与搅拌后，采用缆索起重机将混凝土吊装至需浇筑的施工位置。相较于管道运输混凝土，起重机吊装混凝土能够有效避免气温变化影响混凝土入模温度，保障混凝土浇筑时的灌实程度。

3.2 缆索起重机用于桥梁施工调运大型器械

缆索起重机能够通过吊钩绑定施工机械，起升后通过静载的方式调往目的地点，使施工机械能够在桥梁施工中发挥其最大效用。具体的案例有，绵阳市某桥梁工程中利用缆索系统对桥梁工程左右两岸的施工器械进行调送运输，缆索起重机的配重系统能够承受最大9.5t 的起吊任务，于当日17：26—18：20，顺利将DH-9 型挖掘机吊至左岸卸货平台，次日将DH215-9 型挖掘机及自卸车、装载机等设备调运过江，调运效率之高使施工的进度得到有效保障。

3.3 缆索起重机用于吊运其他施工物资

缆索起重机能够用于吊运施工电箱、工具箱等施工资源。以雅砻江的缆索起重机应用为例，通过以缆索起重机调运方案代替施工栈道运输方案，有效解决一些施工零部件及工具无法在桥梁工程中及时运输的问题，使该桥梁工程的工期相较预期计划缩短11.6%，并且节约施工中的交通投资约160 余万元。由此可见，缆索起重机在桥梁施工中具有显著的应用价值[3]。

4 缆索起重机在桥梁施工中的应用要点与建议

4.1 使用期间有效配置起重设施参数

只有严格控制缆索起重机内钢索直径、型号、工程强度及折旧系数等参数，才能够确保缆索起重机能够正常应用于实际的桥梁工程中。以主跨度超200m，并采取无支架吊装形式进行施工的桥梁建设为例，在缆索起重机参数的控制上，施工人员可以参考表1 所示的绳索系统参数进行配置。在此基础上，前期的施工检查需针对绳索系统的抗滑安全系数进行分析，确保安全系数控制在2.0～3.0 之间，配合双地锚固、卧式地锚固等方式进行加固，并且做好锁扣的预埋工作。

表1 缆索起重机参数配置参考

4.2 使用期间选择适配的起重设施

缆索起重机按照适用范围的不同，可以分为固定式缆索起重机、摆塔式缆索起重机等，因此，为了优化缆索起重机在桥梁工程施工中的应用效果，施工单位应根据现场实际情况，选择适配的起重机设施。以洣水河大桥施工为例，该施工案例中缆索起重机的选择严格参考施工现场的地貌地形、河流及地质条件等因素，具体的根据为：该桥梁工程跨越大于500m 的距离，相对高差最高达到230m，很显然，常规的便道施工无法解决桥梁工程施工的物流问题。对此，施工单位采用双弧动式缆索起重机，将主副两车配置在两端圆心的轨道之上，两段长度不同的弧形轨道能够覆盖整个施工场地，且能够应对相对高差对起重机运行造成的影响。此外，其他机型的缆索起重机有其相应的适用范围，施工单位应当根据桥梁工程施工的实际情况妥善选择。如：索轨式起重机的覆盖范围类似狭长梯形，适用于在较为平直的桥梁施工中进行作业；辐射式起重机的一般额定起重量能够达到9.5t 以上，跨区更能达到300m 之长，适用于大跨度的桥梁工程施工。

4.3 落实运行前检查工作

缆索起重机在实际应用之前，施工单位需做好对起重机设施的质量检查工作，确保设备能够正式应用到工作中。需着重检查的指标有：针对主索垂度进行检查，设备承载索垂度的变化不应高于5%，其余主索垂度变化按照设计规格而定；针对塔架垂直度偏差进行检查，可接受的最大偏差角度变化幅度为0.05%，位移幅度为0.0025%，超出界定值则起重机不可应用于实际施工；针对起重机主要受力部件进行检查，重点关注受力构件是否出现开裂、位移等现象，检查方法可以采用外观检查或红油漆法；针对钢丝绳的规格与性能进行检查，一般而言，起重机械钢丝绳的直径不应小于30mm，在吊装期间钢丝绳直径参数变化幅度不应大于7%，并且严格避免钢丝绳断股变形等现象；针对起重机械滑轮的磨损情况进行检查，槽底直径的磨损量不应超出钢丝绳直径的50%。确保所有检测指标均合格之后，缆索起重机才能够正式应用于桥梁施工中。

4.4 做好缆索起重机的试运行工作

缆索起重机的试运行能够有效排除起重设施在运行过程中的隐患问题，而试运行工作需要抓住以下工作要点：首先，完成缆索起重机设施的安装之后，施工人员需要严格按照施工规范调整塔架缆风索，确保塔架的倾角符合设计标准（一般以30～70°为宜），并采用空车索道运行的方式试运行多个回合，检查起重机系统的运行情况。其次，试运行工作需要分多次进行，如：按照设计吊重的50%、90% 以及110%，或者70%、110%以及130%进行试验，从中观察起重机往返运行、静载的实际情况，如达到设计要求，便可正式将缆索起重机应用于桥梁工程。

5 结语

总体而言，缆索起重机的设计与应用是桥梁工程施工中的两项重要环节，通过采用精密的计算方式测算缆索起重机各结构设施是否设计合理，来保障缆索起重机的安全性能和稳定性能。同时，施工单位及技术部门需继续研究缆索起重机的设计与实际施工的要求之间的适配性，通过采用完善的施工技术方案来指导缆索起重机的施工设计，才能够充分发挥出缆索起重机在桥梁工程中的实际作用。