特大跨徑懸索橋主纜PPWS施工牽引力近似計(jì)算方法

王 峻，林 帆

(1.江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部，江蘇泰州 225321;2.中交第二公路工程局第二工程有限公司，西安 710119)

1 前言

PPWS施工牽引系統(tǒng)通常有軌道小車(chē)式、架空索道式、門(mén)架拽拉式3種方式［1］。其中軌道小車(chē)式、架空索道式索股架設(shè)時(shí)不能連續(xù)穿越塔頂，因而施工效率比較低。門(mén)架拽拉式牽引系統(tǒng)可連續(xù)通過(guò)塔頂，索股架設(shè)效率高、質(zhì)量好，適應(yīng)特大跨徑懸索橋主纜PPWS索股數(shù)量多，牽引距離長(zhǎng)的施工特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛［2］。牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是牽引設(shè)備的選型，最關(guān)鍵的是牽引力的計(jì)算。以前懸索橋PPWS施工牽引力主要依靠經(jīng)驗(yàn)估算，準(zhǔn)確度不高。例如，日本明石海峽大橋主纜架設(shè)由于牽引力估算不足，造成施工過(guò)程中索股牽引困難，最后不得不在回轉(zhuǎn)輪處增加驅(qū)動(dòng)裝置。因此，在特大跨徑懸索橋施工中，有必要對(duì)牽引力進(jìn)行較準(zhǔn)確的計(jì)算。世界首座主跨跨徑超千米的三塔兩跨懸索橋——泰州長(zhǎng)江公路大橋是國(guó)內(nèi)第一座主纜超過(guò)3 km的懸索橋工程，主纜索股長(zhǎng)、架設(shè)需要穿越3個(gè)塔頂，在泰州大橋上部結(jié)構(gòu)安裝施工中，研究總結(jié)了PPWS施工門(mén)架拽拉式牽引系統(tǒng)牽引力的計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)值比較，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠［3］。

2 PPWS索股架設(shè)工況分析

泰州大橋PPWS法施工總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 泰州大橋主纜架設(shè)牽引系統(tǒng)總體布置圖Fig.1 General layout of traction system for main cable erection of Taizhou Bridge

索股牽引各設(shè)計(jì)參數(shù)如下:貓道門(mén)架間距L=45 m;貓道門(mén)架高度ht=7.0 m;牽引索距主纜中心線h1=5.2 m;主纜索股單位重量q=0.148 kN/m ，長(zhǎng)度約3 107 m;索股錨頭+拽拉器重量為G=6.41 kN;滾筒高度hg=1.1 m;拽拉器高 hz=1.0 m;錨頭及連接器高ls=0.8 m。

貓道門(mén)架間索股牽引過(guò)程受力分析見(jiàn)圖2。

圖2 貓道門(mén)架間索股牽引過(guò)程受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram in wire strand traction process between catwalk gantry

以索股架設(shè)牽引過(guò)程中索股錨頭不能與滾筒干涉為原則，確定錨頭與滾筒的豎向安全距離為

為確保安全Δh=1.5 m

3 牽引力受力分析及計(jì)算

3.1 索股牽引端張力分析

索股在貓道滾筒上牽引端張力分析見(jiàn)圖3。

圖3 索股牽引過(guò)程分析圖Fig.3 Analysis diagram of wire strand traction process

牽引端張力

式(2)中，μ為索股與滾筒間的摩擦系數(shù)，取μ=0.1;P0為索股反拉力(6～10 kN)，取P0=8 kN;ΔW為索股在貓道門(mén)架間的重量。

3.2 貓道線形分析

貓道線形近似平行于主纜空纜線形，貓道距主纜距離1.5 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，貓道線形以主纜線形平移后得到，計(jì)算精度可以滿(mǎn)足施工需要。泰州大橋主纜空纜線形，見(jiàn)圖4。

將主纜空纜線形向下平移后可得貓道線形，按照貓道跨徑、垂度、錨固點(diǎn)等特征坐標(biāo)，依拋物線線形近似計(jì)算，以錨固點(diǎn)和主跨跨中為坐標(biāo)圓點(diǎn)，貓道線形方程為

貓道任意點(diǎn)的傾角θ可通過(guò)對(duì)式(2)取導(dǎo)數(shù)計(jì)算

3.3 索股在拽拉器與滾筒間的線形分析

PPWS索股由拽拉器牽引，沿滾筒牽引，PPWS傾斜度與貓道傾斜度相同，見(jiàn)圖5。

圖4 泰州大橋主纜空纜線形(單位:mm)Fig.4 Main cable profile of Taizhou Bridge before girder lifting(unit:mm)

圖5 滾筒與拽拉器間索股線形Fig.5 Wire strand profile between roller and puller

索股與貓道傾角相同，拽拉器與滾筒間索股的線形方程為

圖5及式(5)～式(11)中，h0為拽拉器到滾筒的豎向距離;l為拽拉器至滾筒間索股自由懸索的跨度;Hst為索股傳遞給拽拉器的水平力;Vst為索股傳遞給拽拉器的豎向力平力;Pst為索股錨頭轉(zhuǎn)遞給拽拉器的合力;θ為計(jì)算點(diǎn)處貓道傾角。

3.4 索股牽引架設(shè)是拽拉器受力分析

索股拽拉器受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。由圖6可知

水平方向與豎直方向合力為

圖6 索股拽拉器受力簡(jiǎn)圖Fig.6 Loading sketch of wire strand puller

圖6 及式(12)～式(17)中，TA為拽拉器前端牽引索張力;TB為拽拉器后端牽引索反張力;θA為拽拉器前端牽引索與水平面的夾角;θB為拽拉器后端牽引索與水平面的夾角。

3.5 牽引力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)～式(17)分析，對(duì)各貓道門(mén)架間的索股自重按照門(mén)架間傾斜直線長(zhǎng)度計(jì)算、貓道門(mén)架間貓道傾角按照門(mén)架間中點(diǎn)處近似計(jì)算，利用Excel建立電子計(jì)算表格，對(duì)索股通過(guò)各貓道門(mén)架間牽引力進(jìn)行逐段疊加計(jì)算。泰州大橋PPWS架設(shè)牽引力計(jì)算結(jié)果為最大張力172 kN。

3.6 牽引力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)牽引力比較

根據(jù)牽引力計(jì)算結(jié)果，泰州大橋選用250 kN專(zhuān)用牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行索股架設(shè)，該機(jī)具有實(shí)時(shí)測(cè)長(zhǎng)、測(cè)力功能，索股架設(shè)已于2011年1月11日完成，使用情況良好，卷?yè)P(yáng)機(jī)選型合理。

根據(jù)實(shí)測(cè)情況，在索股架設(shè)初期，最大牽引力在196 kN左右。在完成8根索股架設(shè)之后，最大牽引力基本穩(wěn)定在155～175 kN。分析原因，牽引系統(tǒng)初始作業(yè)時(shí)，約兩年時(shí)間未使用的導(dǎo)輪組摩阻力較大，經(jīng)過(guò)幾天磨合趨于正常。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，牽引力近似計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以用于指導(dǎo)實(shí)際工程施工。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者介紹了特大跨徑懸索橋主纜PPWS施工，門(mén)架拽拉式牽引系統(tǒng)牽引力的近似計(jì)算的方法。經(jīng)過(guò)泰州大橋三塔懸索橋工程實(shí)踐，牽引力計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，對(duì)今后懸索橋建設(shè)、主纜牽引設(shè)備能力需求提供了一種具有現(xiàn)實(shí)意義的計(jì)算方法，對(duì)牽引設(shè)備的選型具有重要的參考價(jià)值。

［1］王 峻，楊 寧，吉 林.江陰大橋主纜施工［C］//中國(guó)公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)一九九九年橋梁學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.1999.

［2］薛光雄，金 倉(cāng)，杜洪池，等.潤(rùn)揚(yáng)大橋懸索橋牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工［J］.橋梁建設(shè)，2004(4):25－28.

［3］楊 進(jìn).泰州長(zhǎng)江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設(shè)計(jì)的技術(shù)理念［J］.橋梁建設(shè)，2007(3):33－35.