山區(qū)纜索吊裝系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析

李治學(xué)　胡若鄰　李平杰

摘要：針對拱橋及山區(qū)施工特點(diǎn)，結(jié)合思遵高速草鞋婭大橋吊裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，采用有限元對纜索吊裝系統(tǒng)，包括主索、起重索、牽引索、扣索、錨索錨樁、扣索錨碇、索塔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行大變形受力分析，驗(yàn)算了索端反力、撓度等參數(shù)，確保了纜索吊裝系統(tǒng)的受力安全。該纜索吊裝系統(tǒng)的有效應(yīng)用，可為其他纜索吊裝系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：纜索；吊裝系統(tǒng)；拱橋；有限元分析

中圖分類號(hào)：U445.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The cable lifting system was adopted to construct the reinforced concrete arch ring for Caoxieya bridge on SimaoZunyi highway. The cable lifting system， designed to lift the weight of 18 t， consists of main cable， whip hoist， drag cable， pintle cable， cable anchor pile， buckle cable anchorage， cable tower and so forth. According to the construction characteristics of the arch bridge and the mountain area， the cable lifting system was specially designed； the large deformation stress on the cable was analyzed with finite element； parameters such as cable end reaction force and deflection were calculated； the force safety was ensured. The effect of the cable lifting system in practice provides reference for other cable lifting schemes design.

Key words： cable； cable lifting system； arch bridge； finite element analysis

0引言

中國早在上世紀(jì)70年代就開始采用纜索吊裝系統(tǒng)修建橋梁，隨著纜索材料強(qiáng)度的不斷提高，及其跨度、用途、使用環(huán)境的不同，纜索吊裝系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在鋼管混凝土拱橋[13]、鋼筋混凝土拱橋等橋梁施工中。雖然，纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念相同，但由于針對的橋梁特點(diǎn)及使用環(huán)境不同，纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)也有所變化。本文結(jié)合思遵高速草鞋婭大橋山區(qū)施工特點(diǎn)，特別設(shè)計(jì)了纜索吊裝系統(tǒng)，并在受力變形分析論證的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)進(jìn)行了有效應(yīng)用，為往后類似工程提供借鑒及建議。

1工程概況

思遵高速草鞋婭大橋鋼拱架分段拼裝采用纜索吊裝系統(tǒng)，以主索承重，兩岸錨碇及索塔作為主索固定結(jié)構(gòu)，運(yùn)用起重索及牽引索使滑車實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)。纜索吊裝系統(tǒng)包括纜索、思南岸錨索錨碇、思南岸扣索錨碇（0#橋臺(tái)）、遵義岸后錨碇、遵義岸扣索錨碇（18#橋臺(tái)）、遵義岸索塔及纜索吊裝機(jī)具（見圖1）。

2纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1纜索

纜索主要包括主索、起重索、牽引索、扣索。

2.1.1主索

主索為主承重索，支承于索鞍上，用于承受吊物重量。遵義岸主索通過索塔索鞍后錨固于后錨錨碇上，思南岸錨固于錨索錨碇上。主索根據(jù)吊運(yùn)構(gòu)件的重量、垂度、計(jì)算跨徑等因素，設(shè)2組Φ52 mm鋼絲繩，設(shè)計(jì)起重量為18 t。

2.1.2起重索

起重索用于控制所吊物體的升降，其一端纏繞于一岸的卷揚(yáng)機(jī)滾筒上，并跨過索鞍穿繞過起重滑車固定于另一岸，通過控制卷揚(yáng)機(jī)的滾動(dòng)方向來控制被吊物體升降。起重索一般根據(jù)吊運(yùn)構(gòu)件的重量、走線形式、滑車規(guī)格選取。本次施工的起重索選用Φ21.5 mm鋼絲繩，采用“走4”方式穿繞滑車。

2.1.3牽引索

牽引索用于牽引跑車在主索上沿橋跨方向移動(dòng)，牽引方式有單線循環(huán)牽引及雙向牽引。本工程采用雙向牽引，即牽引索一端纏繞于一岸的卷揚(yáng)機(jī)滾筒上跨過索塔與滑車上牽引鉤相連，另一岸亦是如此，通過控制兩岸的卷揚(yáng)機(jī)來控制跑車沿主索的前后移動(dòng)。牽引索的牽引力由跑車運(yùn)動(dòng)阻力、起重索運(yùn)動(dòng)阻力和牽引索自然松弛力3部分組成，需計(jì)算出最大拉力再與所選牽引索的破斷力進(jìn)行比較，并考慮安全系數(shù)，從而決定牽引索規(guī)格。本工程的牽引索采用Φ24 mm鋼絲繩將跑車與卷揚(yáng)機(jī)相連。

2.1.4扣索

扣索分為正式扣索、臨時(shí)扣索和纜風(fēng)索。正式扣索用來在鋼拱架拼裝過程中固定調(diào)整拱架，并保留至鋼拱架合攏為止；臨時(shí)扣索用于鋼拱架拼裝中臨時(shí)固定鋼拱架待正式扣索扣掛完成即可拆除；纜風(fēng)索根據(jù)使用位置不同分為索塔纜風(fēng)索及鋼拱架纜風(fēng)索，其作用是為了平衡風(fēng)荷載保證纜索吊裝系統(tǒng)及鋼拱架的穩(wěn)定。本工程的扣索皆采用Φ26 mm鋼絲繩，正式扣索遵義岸5組，思南岸6組，每組6根；臨時(shí)扣索遵義岸及思南岸均為5組，每組4根；單根索塔纜風(fēng)索共4根，扣掛于索塔頂部；拱架纜風(fēng)索共8組，每組2根，分別扣掛于兩岸的第4、6、8、10鋼拱架節(jié)段上。

2.2思南岸錨索錨樁

思南岸設(shè)置2個(gè)中心間距為9 m的錨索與錨樁相結(jié)合的錨固端，每個(gè)錨樁設(shè)置2組鋼絞線錨索，孔深為15 m，錨固長度為5 m，與水平線成30°斜向下布孔。為了便于張拉錨樁，設(shè)計(jì)將C40混凝土澆注成長、寬2 m，高6 m，埋深為5 m的方樁（見圖2）。

2.3思南岸扣索錨碇（0#橋臺(tái)）

思南岸共設(shè)置6組正式扣索，其中3組正式扣索扣掛于錨索錨樁上，另外2組正式扣索扣掛于思南岸0#橋臺(tái)上。原設(shè)計(jì)0#橋臺(tái)形式為簡易臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)，單幅橋臺(tái)重約172.5 t。采用MIDAS建模計(jì)算出各組扣索在各拼裝階段過程中的最大索力，得出扣索1的最大索力為23.45 t， 扣索2的最大索力為3614 t， 扣索3的最大索力為3984 t。錨錠處為整體性良好的微風(fēng)化灰石，摩擦系數(shù)取0.4，安全系數(shù)取1.3，由此進(jìn)行錨碇設(shè)計(jì)。橋臺(tái)前需增設(shè)25 m寬、1.0 m高的通長混凝土基礎(chǔ)，并預(yù)埋I25a工字鋼用于扣索扣掛，并且左右幅橋臺(tái)整體澆注，以增加抗滑力（見圖3）。

2.4遵義岸扣索錨碇（18#橋臺(tái)）

遵義岸共5組正式扣索，2段扣索扣掛于18#橋臺(tái)上，另外3組通過索塔索鞍扣掛于遵義岸后錨碇上。遵義岸的扣索錨碇形式及設(shè)計(jì)方法與思南岸一致，根據(jù)索力驗(yàn)算錨碇的傾覆穩(wěn)定性及抗滑性穩(wěn)定性從而確定橋臺(tái)前增設(shè)1.5 m寬，1.0 m高的通長混凝土基礎(chǔ)，并預(yù)埋I25a工字鋼（見圖4）。

2.5遵義岸后錨碇

后錨碇位于索塔正后方30 m處，用于錨固主索及扣索。遵義岸設(shè)2個(gè)后錨碇，采用C30鋼筋混凝土澆注而成。錨碇形式采用重力式錨錠與圓形錨樁相結(jié)合的方式。通過對錨樁進(jìn)行抗拔性驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算及傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，得出重力式錨錠順橋向長8.5 m，橫橋向?qū)?.5 m，深4 m，圓形錨樁直徑為2 m，長6 m，深4 m，露出地面2 m，錨樁位于錨錠中。錨碇上預(yù)埋扣索用千斤頭，主索背索扣緊于圓形錨樁上（見圖5）。

2.6遵義岸索塔

本工程索塔為采用螺旋鋼管和型鋼焊接而成的門式結(jié)構(gòu)。索塔立柱為2根25 m高的Φ630 mm×10 mm螺旋鋼管，立柱中心距為9 m，采用位于頂部及中部的2道由I32a工字鋼和[20a槽鋼連接而成的桁架式橫聯(lián)，索塔頂高程與思南岸錨索錨碇扣掛扣索處高程相同，均為9427 m。

塔頂焊接3 cm厚A3鋼板，其上設(shè)置索鞍。索塔塔腳采用特制鋼結(jié)構(gòu)鉸座，并將其與索塔立柱焊接并加綴板連接，鉸座由上鉸座、下鉸座、銷子等部分組成。由于索塔較高，為了防止出現(xiàn)失穩(wěn)，索塔內(nèi)灌注C25混凝土。

2.7纜索吊系統(tǒng)機(jī)具

纜索吊裝系統(tǒng)的機(jī)具主要包括滑車和卷揚(yáng)機(jī)?；嚁?shù)量與起重索根數(shù)相同，本工程共2臺(tái)滑車?；囉膳苘嚰盎嚱M構(gòu)成，附著于主索上運(yùn)行的部分稱為跑車，滑車組由上下2部分組成，與跑車相連的部分稱為定滑車組，與吊物相連的部分稱為動(dòng)滑車組。卷揚(yáng)機(jī)是通過轉(zhuǎn)動(dòng)卷筒，將纏繞在卷筒上的鋼絲產(chǎn)生牽引力的起重設(shè)備，其噸位應(yīng)根據(jù)所吊重物來進(jìn)行選擇。本工程中，用于起重的8 t卷揚(yáng)機(jī)有2臺(tái)，位于遵義岸索塔后方，用于牽引的8 t卷揚(yáng)機(jī)各2臺(tái)分別位于思南岸錨索錨樁前方及遵義岸索塔后方。

3纜索索端反力及強(qiáng)度分析

草鞋婭大橋施工纜索是大變形幾何非線性受力，為精確計(jì)算錨固力，應(yīng)采用大變形非線性計(jì)算理論。在此，采用ANSYS軟件求解纜索在各種不利荷載下的索端反力，將其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和總結(jié)，得出索端反力的最大值，最后驗(yàn)算纜索強(qiáng)度。

3.1有限元模型

根據(jù)纜索的實(shí)際情況，取纜索在思南岸錨墩上的錨固位置為有限元模型的端點(diǎn)。主索選用Φ52 mm鋼絲繩，左右各1組。Φ52 mm鋼絲繩技術(shù)參數(shù)為：每米質(zhì)量為943 kg，橫斷面積為1 0038 mm2，鋼絲直徑為24 mm，抗拉強(qiáng)度為1 870 MPa，彈性模量為75 600 MPa。

纜索采用Link10桿單元，由210個(gè)單元組成，施加自重荷載，通過迭代找形得到垂度為4.06 m的懸鏈線。

3.2纜索索端反力計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)際工況，利用有限元模型分析恒載、恒載+跨中集中荷載、恒載+跨中集中荷載+風(fēng)載3種工況。通過計(jì)算得到纜索兩端的約束反力，同時(shí)比較和分析其最大值。計(jì)算結(jié)果見表1，從表中可知，纜索兩端最大反力在工況“恒載+跨中集中荷載+風(fēng)載”下，1#墩處的索力為1 010 kN，2#墩處的索力為1 010 kN。而采用簡化方法（即不考慮風(fēng)荷載）計(jì)算纜索端反力在恒載、跨中集中荷載作用下為906.4 kN，較精確解偏小約10%，在臨時(shí)工程施工精度范圍內(nèi)尚可接受，但要預(yù)留足夠的安全系數(shù)。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在不考慮風(fēng)纜作用的情況下，風(fēng)荷載作用施工纜索的橫向位移為2.635 m；集中荷載作用下的豎向位移為6.127 m；風(fēng)荷載加集中荷載作用下的豎向位移為6.107 m；最大撓跨比為3.33%。

在考慮風(fēng)纜作用的情況下，風(fēng)荷載作用施工纜索的橫向位移為2.089 m；集中荷載作用下的豎向位移為3.608 m；風(fēng)荷載加集中荷載作用下的豎向位移為3.532 m；最大撓跨比為2.0%。從計(jì)算過程可見，風(fēng)纜對施工纜索的橫向和豎向位移均能起到減小的作用。

5結(jié)語

采用有限元ANSYS軟件，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，充分考慮各種可能出現(xiàn)的工況，取各種荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，對草鞋婭大橋施工纜索進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果如下。

（1） 1#墩處的索力為1 010 kN，2#墩處的索力為1 010 kN。主索采用Φ52 mm鋼絲繩的安全系數(shù)大于規(guī)范值2，安全系數(shù)滿足要求。

（2） 對于纜索撓度，在未考慮風(fēng)纜影響時(shí)，風(fēng)荷載作用纜索的橫向位移較大，為2635 m；集中荷載作用下的豎向位移為6.127 m；風(fēng)荷載加集中荷載作用下的豎向位移為6.107 m；最大撓跨比為333%。在考慮風(fēng)纜影響時(shí)，風(fēng)荷載作用纜索的橫向位移較大，為2089 m；集中荷載作用下的豎向位移為3.608 m；風(fēng)荷載加集中荷載作用下的豎向位移為3.532 m；最大撓跨比為2.0%。說明風(fēng)纜對施工纜索的橫向和豎向位移均能起到減小的作用。建議在纜索吊裝系統(tǒng)施工過程中，兩岸上下游均采用風(fēng)纜扣住施工纜索，以減小施工纜索橫向和豎向位移。

（3） 鋼絲繩計(jì)算截面面積和破斷力等力學(xué)參數(shù)對結(jié)果影響較大，因此，在方案實(shí)施前，建議項(xiàng)目部實(shí)測纜索的密度、破斷力、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，以便校核出廠數(shù)據(jù)和計(jì)算假設(shè)。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]