大跨度纜索起重機(jī)的設(shè)計優(yōu)化與施工應(yīng)用

大跨度纜索起重機(jī)的設(shè)計優(yōu)化與施工應(yīng)用摘要纜索起重機(jī)在橋梁施工中應(yīng)用十分廣泛，它能有效的解決施工中起重構(gòu)件需長距離的垂直和水平移動問題，跨度、吊重、吊高等可根據(jù)需要設(shè)計。本文通過對XX鐵路XX大橋設(shè)計和使用的大跨度纜索起重機(jī)闡述其設(shè)計與優(yōu)化和施工應(yīng)用1基本情況XX鐵路XX大橋位于重慶市沙坪壩區(qū)井口鎮(zhèn)附近，橋跨為3×24m+8×32m預(yù)應(yīng)力砼簡支梁+(84+144+84)m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)+8×32m+4×24m預(yù)應(yīng)力砼簡支梁，正線橋長1025.06m，雙線等長，橋高110m。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室變高度變截面箱形梁，主橋主墩處梁高10m，跨中及邊跨梁端處梁高5.2m，箱梁頂寬11m，箱寬7m，梁體設(shè)縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力。主墩均為鋼筋砼圓端形空心墩，墩身高69m。XX水暴漲暴落，年內(nèi)洪枯水位差達(dá)20多米。由于該橋工期緊，主墩基礎(chǔ)施工必須在一個枯水期完成，故采用2X100KN纜索起重機(jī)輔助施工解決汛期構(gòu)件吊裝和材料設(shè)備運輸以及纜索吊跨內(nèi)的高墩墩身施工和剛構(gòu)梁體施工。該纜索起重機(jī)跨度為（錨固跨110m+吊重跨739m+錨固跨105m），矢跨比f/L=1/16，額定吊重為2X100KN，兩臺纜吊纜索系統(tǒng)共用一個塔架。主索為2（2φ52mm）[6X37S+IWR，1870Mpa]鋼絲繩，起重索為φ20mm鋼絲繩，起重卷揚機(jī)為5t單快；牽引索為φ24mm鋼絲繩，牽引卷揚機(jī)為10t單快。所有卷揚機(jī)均設(shè)在魚嘴側(cè)纜索吊機(jī)后主錨碇前，牽引索在團(tuán)結(jié)村岸設(shè)置轉(zhuǎn)向滑輪轉(zhuǎn)向，采用一端牽引解決了兩端設(shè)卷揚機(jī)牽引易發(fā)生對拉事故問題。塔架為N型萬能桿件拼成2mX2m方格形雙立柱加五道橫梁的門形剛架，塔底鉸結(jié)，塔架橫向桁寬：團(tuán)結(jié)村側(cè)24m，主要為使曲線上主橋簡支梁架橋機(jī)能通過塔架，魚嘴側(cè)14m，縱向桁寬均為2m，團(tuán)結(jié)村側(cè)塔架高84.13m1、主索2、塔架3、主錨碇4、支索器5、跑車2纜索系統(tǒng)的設(shè)計2．1主索設(shè)計與計算本橋主索在魚嘴岸錨碇采用固結(jié)形式，直接錨固在錨碇上；在團(tuán)結(jié)村側(cè)采用可調(diào)形式，每根φ52主索與2φ32預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋可調(diào)桿連接作成可調(diào)結(jié)構(gòu)，用以精調(diào)主索垂度。本橋纜索起重機(jī)為三跨主索，中跨為承重跨，設(shè)計采用自編纜索起重機(jī)計算程序根據(jù)地形、地質(zhì)條件選擇合理的矢跨比f/L=1/16和塔高84m考慮利用既有的跑車和索鞍來選擇主索。多跨主索體系其特點是當(dāng)其中一跨荷載變化使該跨的垂度增大，其余跨垂度相應(yīng)減小，主索在中間塔架的索鞍滑輪上滑動，用改變了的多跨主索的垂度來適應(yīng)變化了的張力。纜索體系矢跨比f/L≤1/10可認(rèn)為屬小垂度懸索，纜索起重機(jī)矢跨比f/L一般在1/10～1/20之間取值設(shè)計較為合理。忽略中間塔架頂索鞍的摩阻力，主索在各跨跨中的張力均應(yīng)相等。三跨主索的纜索起重機(jī)計算公式是根據(jù)吊重P在承重跨跨中與吊重P在距左塔X處兩種狀態(tài),在考慮由于張力變化的彈性變形和其它因素（如溫度、支座位移）的變形影響后索長相等條件推導(dǎo)出來的，公式如下:（1）其中：Eη鋼絲繩的彈性模量F主索的截面面積l承重跨跨度G=glg主索的換算線重（含主索承托的起重牽引索等重）β兩塔架間的傾斜角P全部集中荷載（包括跑車重、集中在跑車處支索器重、繩重、配重、設(shè)計吊重等）H荷載P作用于跨中主索的水平橫拉力PX安裝狀態(tài)的集中荷載HX在PX作用下主索的橫拉力xPx距左塔索鞍頂水平距離W值指溫度、索鞍變位等的支座位移影響值。溫度位移的，升溫“+”降溫“-”；支座位移的向主索跨內(nèi)位移取“+”，向跨外位移取“-”跑車所在跨主索垂度（跨中）：（2）當(dāng)跑車為雙跑車間距為a（單跑車a=0）時跑車所在跨主索垂度（跨中）：（3）2.2纜索系統(tǒng)設(shè)計安全系數(shù)主索牽引索起重索纜風(fēng)索破斷拉力≥3≥5≥5≥3.5應(yīng)力≥2≥3≥3≥23塔架與纜風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計塔架的計算包括強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和特別部位桿件和節(jié)點板的局部穩(wěn)定計算。塔架一般分塔底固結(jié)與塔底鉸接兩種，塔架一般設(shè)計成門型剛架，橫向剛度較大，抵抗橫向外力（主要指橫向風(fēng)力等）一般均無問題；塔身受縱向風(fēng)力，塔頂受纜索系統(tǒng)產(chǎn)生的水平力，塔底固結(jié)塔架靠塔架自身剛度和有初始力的纜風(fēng)繩產(chǎn)生的抗力平衡，塔底鉸接塔架主要靠有初始力的纜風(fēng)繩產(chǎn)生的抗力平衡。吊重跨內(nèi)纜風(fēng)繩如受地形限制時可設(shè)通風(fēng)纜（又名壓塔索）來解決。為了有效發(fā)揮纜風(fēng)繩的作用，一般纜風(fēng)的初始力按照主跨受1/2吊重時塔頂無縱向水平位移（即塔架豎直）且塔頂在發(fā)生小于允許變位△時能產(chǎn)生水平力△H大于無吊重和最大吊重時纜索系統(tǒng)產(chǎn)生的水平力差與不利方向風(fēng)荷載作用下總水平力。塔底固結(jié)時塔頂位移應(yīng)小于（1/400～1/600）塔高，塔底鉸結(jié)時塔頂位移應(yīng)小于（1/150～1/200）塔高。本橋纜索起重機(jī)塔架上下游側(cè)各設(shè)置一組縱橋向的前后纜風(fēng)索。兩塔前纜風(fēng)索上下游均為2φ28鋼絲繩，后纜風(fēng)均為2φ44鋼絲繩。未設(shè)腰纜時塔架的整體穩(wěn)定安全度λ＞5，由于該纜索吊機(jī)塔架較高為增強(qiáng)塔的縱向整體穩(wěn)定性在塔的上下游中間前后各設(shè)一道腰纜，腰纜為φ20鋼絲繩。纜風(fēng)繩初始水平力為HO變位△后水平力為H，增量△H=H-HO，其計算實質(zhì)上就是無集中荷載的兩支座不等高且有支座位移為△的懸索計算公式。如圖（Ⅱ、Ⅲ）將式：P=0代入（1）式得：（4）式中：△為塔頂變位，H0為纜風(fēng)繩安裝時的初始水平力，向纜風(fēng)繩跨內(nèi)取“+”，向纜風(fēng)繩跨外取“-”。纜風(fēng)安裝時初始水平力最好由測力計測得，如無測力計可由觀測纜風(fēng)繩垂度算得。（5）塔底固結(jié)塔架塔在塔頂發(fā)生允許變位范圍內(nèi)的位移時塔架自身剛度與纜風(fēng)共同產(chǎn)生的水平抗力要大于塔頂?shù)淖畲蟛黄胶馑搅Α?錨碇系統(tǒng)的設(shè)計纜索起重機(jī)主錨碇一般均需承受較大的水平力和上拔力，設(shè)計一般根據(jù)地形、地質(zhì)條件本著經(jīng)濟(jì)、安全、施工方便的原則，盡量根據(jù)既用資源和當(dāng)?shù)夭牧腺Y源與錨碇處實際情況決定地錨的形式。重力式砌體地錨結(jié)構(gòu)形狀較大但較為經(jīng)濟(jì)，XX鐵路XX大橋2×100KN纜索起重機(jī)兩側(cè)主錨采用此形式，充分利用了重慶石料資源豐富的優(yōu)勢。常用的還有鋼筋混凝土低承臺人工挖孔樁形式，結(jié)構(gòu)小而有效，可承受較大的水平力和上拔力。其計算采用m法計算群樁基礎(chǔ)，詳見鐵路、公路橋涵設(shè)計規(guī)范。5分索器與配重為使吊鉤能自由下落，纜索起重機(jī)的吊鉤一般需加配重塊，配重塊與下掛架總重為P，g為牽引索線重，x為分索器間距離，f為牽引索垂度，f≤0.01x，α為起重滑輪組系數(shù)，k為經(jīng)驗修正系數(shù)，一般k可根據(jù)跨度在1.1～1.3之間取值進(jìn)行設(shè)計計算,現(xiàn)場可根據(jù)實驗確定。起重索提起P所需張力：，則（6）大跨度纜索起重機(jī)應(yīng)考慮安裝分索器來該善配重占吊重比例大的狀況，另一方面設(shè)置分索器可以防止?fàn)恳?、起重索和主索等相互纏繞現(xiàn)象。尤其是墩身施工安裝模板過程中跑車來回點動的情況。本橋纜索起重機(jī)按每隔50m設(shè)置了一個分索器，一臺纜索吊機(jī)設(shè)28個，跑車下掛架另加配重1.9t。6施工與應(yīng)用情況該橋纜索起重機(jī)從施工到投入使用共用了三個月時間，主要分施工錨碇、塔架基礎(chǔ)，拼裝塔架與拉設(shè)纜風(fēng)、吊裝索鞍，掛設(shè)并調(diào)整主索、安裝跑車牽引索、起重索，布設(shè)卷揚機(jī)，試吊和施工應(yīng)用幾個過程。塔架施工中先將塔底與塔架基礎(chǔ)固結(jié)，人工將塔架萬能桿件拼高10m后拉設(shè)臨時纜風(fēng)再拼高10m拉設(shè)第二層纜風(fēng)，繼續(xù)拼高然后將底層纜風(fēng)上移，交替倒用臨時纜風(fēng)至拼完塔架，塔架拼裝用桿件、螺栓等均用簡單滑車提升。索鞍等安裝采用塔頂鷹嘴起吊安裝就位。主索掛設(shè)采用先從兩岸塔架外側(cè)的卷揚機(jī)上拉出臨時φ28鋼絲繩（導(dǎo)索）過塔頂索鞍拉至河中船上插接，然后用φ28鋼絲繩（導(dǎo)索）來回拖拉掛設(shè)主索。掛設(shè)主索與起重索應(yīng)先行破勁，以免主索可調(diào)端錨固件發(fā)生扭轉(zhuǎn)和起重索在起重大鉤空鉤下極易發(fā)生的自行纏繞現(xiàn)象。7結(jié)語纜索起重機(jī)在橋梁施工中使用較多，性能安全可靠，使用方便，吊裝覆蓋面大，不受洪水影響，但設(shè)備較多，運輸安裝工作量大，一次投入費用較高。其跑車、索鞍、主索、鋼絲繩、塔架、鉸座等設(shè)計上應(yīng)從長遠(yuǎn)設(shè)備考慮。錨碇、塔架基礎(chǔ)等一次性使用且不要求耐久性的結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)等自然條件充分利用當(dāng)?shù)刭Y源從總體和結(jié)構(gòu)形式上優(yōu)化，本著經(jīng)濟(jì)、安全有效的原則設(shè)計。從已設(shè)計和使用的纜索起重機(jī)來看其設(shè)計與施工上仍需考慮以下幾個問題。7.1主索鋼絲繩的彈性模量對計算影響較大，購買時應(yīng)通過實驗提供E值，并考慮跨度折減，折減系數(shù)等于承重跨跨度與總跨度比值。7.2主索鋼絲繩隨使用時間的增長其非彈性變形的釋放將影響主索垂度，設(shè)計時應(yīng)考慮調(diào)索或考慮足夠的起吊凈空，尤其大跨度纜索起重機(jī)。7.3大跨度、大噸位纜索起重機(jī)應(yīng)考慮使用分索器解決配重占吊重比例大的問題。7.4牽引、起重卷揚機(jī)應(yīng)在設(shè)備允許條件下盡量選用快速度的卷揚機(jī)以提高纜索起重機(jī)的效率。7.5使用頻率較高的纜索起重機(jī)的牽引卷揚機(jī)應(yīng)從設(shè)計上考慮設(shè)置為從一端牽