新建南廣鐵路西江特大橋4 200 kN橫移式纜索吊機設(shè)計

王令俠

(中鐵大橋局股份有限公司，武漢 430050)

新建南廣鐵路西江特大橋4 200 kN橫移式纜索吊機設(shè)計

王令俠

(中鐵大橋局股份有限公司，武漢 430050)

新建南廣鐵路西江特大橋為跨度450m的中承式鋼箱提籃推力式拱橋。為吊裝其鋼梁節(jié)段，需要研究技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理的大噸位纜索吊機設(shè)計方案。結(jié)合既有經(jīng)驗，根據(jù)本橋吊重大、地形地質(zhì)條件差等特點，研究確定了總集中荷載為4 200 kN的橫移式纜索吊機總體方案，針對性地進行索鞍、纜塔、風(fēng)纜、錨碇等各分項的設(shè)計。計算及應(yīng)用表明，該種橫移式纜索吊機技術(shù)上完全可行，經(jīng)濟優(yōu)勢突出。

鐵路橋梁;橫移式纜索吊機;設(shè)計

1 工程概況

西江特大橋是新建南廣鐵路的標志性和控制性工程。大橋全長618.3m，主跨為450m的中承式鋼箱提籃拱橋，拱肋內(nèi)傾角為4.8°。全橋共設(shè)4個推力式拱座，拱座處拱肋橫向中心距為34.0m，拱頂處為15.17 m。上、下游拱肋節(jié)段間共設(shè)置18組橫撐，其中橋面系以上12組，為“一”字形鋼箱截面。橋面系跨度布置為(41.2+486+49.1)m鋼縱橫梁與鋼筋混凝土橋面板結(jié)合梁+32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。其中鋼縱橫梁是由主縱梁、橫梁、次縱梁組成的格子梁體系。主縱梁為箱形截面，橫向中心距為20m。西江特大橋橋式布置見圖1。

主橋拱肋的總體施工方案采用無支架扣掛法，即從兩岸向跨中分節(jié)段懸臂拼裝，跨中合龍。拱肋、橫撐、橋面鋼縱橫梁等分節(jié)段在工廠制造完成后，通過西江航道運輸至橋位，利用起重船和纜索吊機起吊安裝。

2 纜索吊機總體設(shè)計

2.1 縱橋向工作覆蓋范圍及跨度的確定

圖1 橋式布置(單位:m)

橋面鋼縱橫梁總長達576.3m。纜索吊機若要將所有節(jié)段直接吊裝到位，其跨度需要600m以上。為此在兩岸邊跨各設(shè)置1座滑移支架。拱肋以外橋面鋼縱橫梁節(jié)段沿滑移支架拖拉滑移至設(shè)計位置。這樣，纜索吊機縱橋向工作范圍可縮小為兩岸拱座之間的區(qū)域。

為了減少工程量，采用纜塔與扣塔合建、纜塔鉸接于扣塔頂部的方案，同時利用拱座作為塔架基礎(chǔ)。因此，纜索吊機主跨度根據(jù)兩岸拱座距離確定為476m，兩岸邊跨根據(jù)錨碇位置的不同分別為202～225m。纜索吊機總體布置見圖2。

圖2 纜索吊機總體布置(單位:m)

每個拱座開始的前4個節(jié)段和對應(yīng)的橫撐位于纜索吊機的非正常工作區(qū)［1］(又稱盲區(qū))，另采用起重船吊裝。這不僅可以解決盲區(qū)的吊裝問題，而且可以在纜索吊機安裝完成之前，先行吊裝，以加快工期。其余的拱肋節(jié)段(共70個)、橫撐(共14道)和橋面鋼縱橫梁節(jié)段(共37個)均采用纜索吊機起吊安裝。非正常工作區(qū)范圍由吊放邊跨橋面鋼縱橫梁節(jié)段的工況控制，兩岸均不應(yīng)大于30m。

2.2 橫橋向工作覆蓋范圍及橫移方式的確定

纜索吊機的橫橋向工作范圍以提籃拱肋第5個節(jié)段的橫橋向吊裝位置控制，即從橋梁中心線起±13m以內(nèi)。參考類似工程的施工經(jīng)驗［2－8］，結(jié)合本橋節(jié)段重、空間位置復(fù)雜等特點，采用承重索橫移［6］的方式覆蓋橫橋向工作范圍，即在纜塔頂設(shè)橫向滑道，索鞍沿滑道橫移從而帶動承重橫移。

起吊拱肋節(jié)段時，2組承重索同時橫移到上游或下游并相互靠攏，搭配扁擔(dān)梁抬吊;起吊橋面鋼縱橫梁節(jié)段時，2組承重索沿橋梁中心線分開對稱布置，直接起吊。綜合考慮橫橋向工作范圍及承重索布置寬度后，承重索橫移范圍確定為±16.5 m。橫移吊裝示意見圖3。

圖3 橫移吊裝示意(單位:m)

由于現(xiàn)場地形復(fù)雜、地質(zhì)條件很差，為減小錨碇設(shè)計難度，承重索下端不隨中跨同時橫移，而是在錨碇上固定。雖然這種橫移方式會對塔架產(chǎn)生橫橋向水平荷載，但計算表明，此荷載最大僅為800 kN，為驗算最大橫向風(fēng)荷載總和的22%左右，并不控制塔架的設(shè)計。

2.3 額定吊重、承重索垂度及塔高

纜索吊機吊裝的拱肋節(jié)段最大吊重為2 370 kN，橫撐最大吊重2 440 kN，橋面鋼縱橫梁節(jié)段最大吊重3 600 kN。纜索吊機總額定凈吊重為3 600 kN，天車、吊具及起重索等總重600 kN，最大集中荷載4 200 kN。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，對纜索吊機的起吊高度、承重索索力、天車起吊盲區(qū)等因素［8］進行綜合考慮后，確定在跨中起升吊重時，承重索跨中垂度為f=L/12=40m。

拱座頂面至拱肋頂面高110 m，天車及起重索最小高度10m，吊具及吊裝帶高度10m，塔架總高應(yīng)大于110m+10m+10m+40m=170m。考慮一定安全高度后，塔架總高度最終確定為173m，其中扣塔高146 m，纜塔高27m。

纜索吊機總體參數(shù)見表1。

表1 纜索吊機總體參數(shù)

3 纜索吊機分項設(shè)計

3.1 天車

考慮起吊偏載，纜索吊機共設(shè)4臺額定吊重為1 000 kN的天車。每組承重索上布置2臺，縱向距離根據(jù)吊裝節(jié)段的長度定為8m，2臺天車之間以聯(lián)車繩連接。天車由車架、走行輪、起重滑輪組以及牽引滑輪組組成。走行輪采用尼龍車輪，以減少對承重索表面鋼絲的磨損并減輕天車自重［1］。

3.2 承重索

承重索計算荷載包括自重荷載、吊重荷載、起升動荷載、溫度荷載等。計算中不考慮承重索與索鞍間的摩擦，按3跨連續(xù)柔性索，根據(jù)拋物線理論進行計算。天車自重及吊重荷載簡化為1個集中荷載。各工況下承重索的主跨度不變，邊跨度則隨橫移位置的變化而變化。經(jīng)計算確定，承重索采用2×12φ60mm(6×37S+IWR)鋼芯鋼絲繩，承重索最大張力為690 kN，安全系數(shù)為3.5。

計算表明，橫移之后，同組2根承重索垂度差最大達0.313 m，索力差最大達40%，天車傾斜最大達10.1°。為確保吊裝安全，須先將各根承重索垂度重新調(diào)整一致后，才可進行吊裝。為此在每根承重索與錨碇之間均串聯(lián)1套800 kN滑車組，便于快速調(diào)整承重索垂度。

3.3 天車牽引、起重系統(tǒng)

每臺天車配1根起重索，采用φ32(6×37S+FC)鋼絲繩走10。2組承重索兩個方向共設(shè)4根牽引索，采用φ34(6×37S+FC)鋼絲繩走4。200 kN牽引卷揚機、150 kN起重卷揚機均設(shè)于錨碇處。圖4為1組承重索的天車牽引、起重系統(tǒng)布置圖。左、右兩組承重索的牽引、起重系統(tǒng)完全相同。

圖4 牽引、起重系統(tǒng)布置

3.4 索鞍

由于承重索、牽引索、起重索橫移后在索鞍處除了豎向的轉(zhuǎn)角外，還有橫向的轉(zhuǎn)角(最大為8.5°)。索鞍除布置常規(guī)的豎向轉(zhuǎn)向輪外，另在靠邊跨側(cè)設(shè)置1組斜向轉(zhuǎn)向輪。由于橫向轉(zhuǎn)角較小，工作循環(huán)次數(shù)較少，空間要求緊湊，鋼絲繩彎曲比可適當(dāng)降低［9］，故斜向轉(zhuǎn)向輪采用相對較小的直徑。

3.5 橫移牽引系統(tǒng)

承重索及索鞍由纜塔頂設(shè)置的牽引系統(tǒng)牽引橫移。牽引系統(tǒng)沿纜塔頂2條滑道上各布置1組。計算表明，吊機空載橫移時，纜索對單個索鞍的最大橫向荷載為470 kN，對應(yīng)的豎向荷載為－2 270 kN。斜向轉(zhuǎn)向滑輪布置在靠邊跨的滑道上，故纜索的橫向荷載只由一組牽引系統(tǒng)承擔(dān)，另一組牽引只需克服一半豎向荷載產(chǎn)生的摩擦力。假設(shè)索鞍與纜塔頂滑道摩擦系數(shù)為0.1，靠邊跨側(cè)牽引系統(tǒng)牽引力為470+1/2×0.1×2 270=584 kN，配50 kN卷揚機+φ26鋼絲繩走12牽引?？靠缰袀?cè)牽引系統(tǒng)牽引力為1/2×0.1×2 270=114 kN，配20 kN牽引卷揚機+φ26鋼絲繩走12。

橫移時一座纜塔頂上的2個索鞍分別進行，一個索鞍橫移到位后，先在滑道上固定，再利用2個索鞍之間的牽引系統(tǒng)，以固定的索鞍作為反力點，牽引另一個索鞍橫移到位。

3.6 纜塔

由于2組纜索對纜塔的最大豎向荷載約2×5 000 kN。當(dāng)橫移至纜塔中部進行吊裝作業(yè)時，纜塔橫梁會承受巨大的豎向彎矩。纜索的水平荷載還會使橫梁承受水平彎矩和扭矩，使其處于復(fù)雜的雙向彎扭狀態(tài)。因此在通常的門式框架結(jié)構(gòu)形式［10］基礎(chǔ)上，纜塔內(nèi)部增加人字形斜撐，以減小橫梁跨度和彎矩并增強纜塔承受橫向荷載的能力。同時橫梁做成桁架式結(jié)構(gòu)，以增大雙向抗彎能力。橫梁頂部設(shè)2道滑道，便于索鞍橫移。最終采用的纜塔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 纜塔立面布置(單位:m)

3.7 風(fēng)纜

風(fēng)纜的作用是保證鉸接纜塔的穩(wěn)定，并通過前、后風(fēng)纜索力的減小、增大產(chǎn)生的反向水平荷載來平衡纜索對塔頂?shù)目v橋向水平荷載。風(fēng)纜的配置以控制纜塔頂?shù)钠徊怀^纜塔高度的1/200為原則。經(jīng)計算，風(fēng)纜配置如下:兩岸纜塔間以2－8φ39(6×37S+FC)鋼絲繩通風(fēng)纜相連，纜塔后方以72φs15.2鋼絞線后風(fēng)纜連于后方錨碇。為了減小承重索移動到纜塔中部時，纜索縱橋向水平荷載在纜塔頂橫梁上產(chǎn)生的水平彎矩，后風(fēng)纜除在橫梁兩側(cè)各集中布置24φs15.2鋼絞線外，其余24φs15.2鋼絞線在橫梁中部均勻布置，形成多點彈性支承。風(fēng)纜平面布置如圖6所示。

3.8 錨碇

錨碇將承重索、后風(fēng)纜的拉力傳遞給山體，是纜索吊機的生命線。本纜索吊機一岸上、下游共需2座錨碇，布置于兩岸山坡上。單座錨碇承受的纜索總荷載達13 000 kN。而橋址處兩岸地形、地質(zhì)條件極差:兩岸地形陡峭，坡度在35°～55°，施工場地狹小;錨碇區(qū)域正好位于3條斷層的相交地帶，巖層破碎、裂隙發(fā)育;覆蓋層很厚，全風(fēng)化層厚度大約為5m，強風(fēng)化層厚度約10m，強風(fēng)化和中風(fēng)化界限深度在8～10m，中風(fēng)化和微風(fēng)化界限在45～60m。因此錨碇的設(shè)計是本纜索吊機的重點和難點。

圖6 風(fēng)纜平面布置

方案比選研究表明，預(yù)應(yīng)力巖錨是最適應(yīng)本纜索吊機錨碇受力大、地質(zhì)地形條件差等不利條件的結(jié)構(gòu)形式。它有以下優(yōu)點:(1)錨碇錨索的預(yù)應(yīng)力對松散的邊坡起到了加固作用，有利于邊坡整體的穩(wěn)定［11］;(2)錨索的張拉過程，對其錨固段的承載能力起到了檢驗作用，可以確保錨碇受力的可靠性;(3)錨碇體體積小，可以最大限度地減少錨碇施工的挖方工程量。

根據(jù)受力計算，纜索吊機每個錨碇體采用21束斜向預(yù)應(yīng)力錨索及12束豎向預(yù)應(yīng)力錨索錨固在山體上。斜向預(yù)應(yīng)力錨索采用壓力分散型，單束配15根φs15.2鋼絞線，預(yù)張拉力1 350 kN。豎向預(yù)應(yīng)力錨索采用拉力型，單束配6根φs15.2鋼絞線，預(yù)張拉力900 kN。錨索錨固段長度均為10 m，嵌入微風(fēng)化巖層，自由段長度為30～60 m。預(yù)應(yīng)力巖錨總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力巖錨總體結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

錨碇體采用實體混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力錨索和固定錨固梁的精軋螺紋鋼筋在錨碇體內(nèi)交錯錨固，可充分利用混凝土的受壓能力來傳遞荷載。錨固梁為內(nèi)填混凝土的大直徑圓鋼管，承重索及風(fēng)纜連接鋼絲繩均采用纏繞過錨固梁后上繩夾的方式錨固。錨碇體構(gòu)造如圖8所示。

4 應(yīng)用效果

圖8 錨碇體構(gòu)造示意

本4 200 kN橫移式纜索吊機已成功應(yīng)用于新建南廣鐵路西江特大橋的施工，順利完成了所有節(jié)段的吊裝，效果良好。使用過程中吊機運行平穩(wěn)可靠，各項性能符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范、標準要求。吊機橫移系統(tǒng)操作簡單、可靠。相比一般固定式纜索吊機增加的“橫移并調(diào)整承重索垂度”的工序，可利用節(jié)段焊接、扣錨索掛設(shè)等工序進行時的吊裝間隙進行，作業(yè)人員操作熟練后僅需半個工作日即可完成，不影響總體施工進度。而在經(jīng)濟性方面，經(jīng)測算，本橫移式纜索吊機造價比可完成相同功能的固定式纜索吊機降低40%左右。

5 結(jié)語

采用承重索在錨碇上固定，索鞍沿纜塔頂滑道橫移帶動承重索邊跨扇形移動、承重索中跨平行移動的超大吊重橫移式纜索吊機，技術(shù)上完全可行，經(jīng)濟性優(yōu)勢突出。南廣鐵路西江特大橋4 200 kN橫移式纜索吊機的成功設(shè)計和使用，可作為今后類似大跨度橋梁施工中纜索吊機應(yīng)用的參考。

［1］嚴自勉，顧斯照．纜索起重機［M］．北京:中國電力出版社，2010．

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［4］何曉東．大寧河特大橋施工過程中關(guān)鍵問題的研究［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2010．

［5］李長學(xué)．整體橫移式纜索吊機設(shè)計與安裝［J］．鐵道建筑技術(shù)，2006(S1):26－30．

［6］董傳洲．主索橫移式纜索吊機在拱肋吊裝中的應(yīng)用［J］．城市建設(shè)理論研究:電子版，2001(16)．

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［12］張發(fā)明，邵蔚俠．巖質(zhì)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固問題研究［J］．河海大學(xué)學(xué)報，1999，27(6):73－76．

Design of 4 200 kN Transversely-movable Cable Crane for Xijiang River Super M ajor Bridge on New ly-built Nanning-Guangzhou Railway

WANG Ling-xia

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co．，Ltd．，Wuhan 430050，China)

The Xijiang River Bridge，which is a supermajor bridge on newly-built Nanning-Guangzhou Railway，belongs to a kind of X-style half-through arch bridgewith steel box and thrust force．For hoisting its steel girder segments，itwas necessary to study out a design scheme of large-tonnage cable crane with reliable technology and reasonable economy．Based on existing experience，according to this bridge's construction characteristics，such as heavy hoisting load，poor topographical and geological conditions and so on，a general design scheme of 4 200 kN transversely-movable cable cranewas determined after study．And then its component parts，including the cable saddles，towers，wind-cables，anchorage，were designed respectively．Calculation and application suggest that this kind of cable crane is technically feasible and has a remarkable economic advantage．

railway bridge;transversely-movable cable crane;design

U445.32

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．014

1004－2954(2014)03－0059－04

2013－07－11;

2013－08－25

王令俠(1983—)，男，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，2006年畢業(yè)于浙江大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。