懸拼拱架纜索吊裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

劉 怡 肖凱東

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000)

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·橋梁·隧道·

懸拼拱架纜索吊裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

劉 怡 肖凱東

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000)

結(jié)合兩河口大橋工程實(shí)例，介紹了懸拼拱架纜索吊裝系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并從索塔系統(tǒng)、主索、起重索、牽引索、扣索索力等方面，闡述了纜索吊裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，解決了山區(qū)特殊地形條件下橋梁的施工難題。

拱橋，纜索吊裝系統(tǒng)，起重索，牽引索

貴州省屬于典型山區(qū)地形，地形主要以高山、深切峽谷為主。拱橋由于其跨越能力大、施工相對(duì)簡(jiǎn)單、與峽谷環(huán)境協(xié)調(diào)性較好等優(yōu)點(diǎn)，近年來大量拱橋被應(yīng)用于西部橋梁建設(shè)的工程實(shí)踐中。在施工過程中受建設(shè)場(chǎng)地地形的限制，難以應(yīng)用常規(guī)安裝方法，纜索吊裝系統(tǒng)由于其自身特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于鋼拱架結(jié)構(gòu)吊裝施工。

1 工程概況

兩河口大橋位于貴州德印公路上，跨越深溝河谷，橋型布置為2×13 m鋼筋混凝土空心板+70 m鋼筋混凝土箱形拱橋。

2 纜索吊裝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

箱拱主拱圈采用現(xiàn)澆方案，支架采用20段×14片(7肋)單層貝雷梁拱架，貝雷梁用纜索吊裝配套進(jìn)行。吊裝系統(tǒng)由主索、索鞍、跑車、起重滑車組、牽引索、卷揚(yáng)機(jī)、錨錠等組成，索鞍設(shè)在索塔頂上。印江岸索塔設(shè)在0號(hào)橋臺(tái)上，德江岸索塔設(shè)在4號(hào)橋臺(tái)正上方，主索的設(shè)計(jì)跨度為109 m，設(shè)計(jì)工作垂度取f=L/17=6.41 m。

3 索塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拱架自重220 t，采用10組(共70根)扣索分兩岸對(duì)稱扣掛，每岸5組扣索。印江岸第1，2組扣索越過0號(hào)橋臺(tái)扣于樁錨上，第3，4，5組扣索通過索塔頂端的大索鞍扣于樁錨上；德江岸第1，2組扣索直接扣于2號(hào)橋墩蓋梁上(蓋梁后方設(shè)置后纜風(fēng)繩)，第3，4，5組扣索通過索塔頂端的大索鞍扣于樁錨上。拱架最大扣掛長(zhǎng)度為6 m，每組扣索為一個(gè)施工節(jié)段，兩岸對(duì)稱從拱腳向上拼裝直至合龍。兩岸索塔高度均為20 m，為增加塔架的承載力，索塔系統(tǒng)采用萬能桿件鉸結(jié)于基礎(chǔ)上并組拼成桁架結(jié)構(gòu)，索鞍設(shè)置在塔頂，用于放置承重索、起重索、牽引索等。

索塔結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MIDAS/Civil建立空間模型，采用梁?jiǎn)卧M橋塔構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算分析，模型共有節(jié)點(diǎn)5 924個(gè)，單元13 206個(gè)。計(jì)算中主要考慮索塔結(jié)構(gòu)自重、纜索設(shè)備自重、吊重及起吊牽引等產(chǎn)生的荷載，同時(shí)考慮了背索安裝后初張拉力對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響(見圖1)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，索塔最大壓應(yīng)力為下部塔架根部的豎桿，為15.56 MPa；塔頂最不利荷載工況下最大縱向位移83.04 mm。各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明索塔系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度均能滿足正常工作時(shí)的要求。

4 主索計(jì)算

主索擬采用2φ52(6×37+1)鋼絲繩(公稱抗拉強(qiáng)度取1 850 MPa)。承受的均布荷載包括主索、起重索和牽引索自重；集中荷載包括一次吊裝6 m段拱架(含端頭梯形鋼桁架)的重量、滑車組自重、橫擔(dān)自重、下垂起重索自重等。

1)主索在均布荷載和集中荷載作用下的拉力：

水平拉力：H=39.209+703.386=742.595 kN。

豎向拉力：V=11.205+100.506=111.711 kN。

2)主索的安全系數(shù)：

單根主索的破斷拉力總和為：

1 850MPa×1 003.8mm2×10-3=1 857.03kN。

換算系數(shù)取0.82，主索的總破斷力：

Tn=2×1 857.03×0.82=3 045.529kN。

不考慮沖擊荷載，主索的安全系數(shù)為：

K=Tn/T總=3 045.529/750.951=4.06>3～4(滿足要求)。

5 起重索計(jì)算

起重索擬采用2φ21.5(6×37+1)鋼絲繩(公稱抗拉強(qiáng)度取1 700MPa)。起重索套繞于主索跑車組和導(dǎo)向滑車之間起吊構(gòu)件重物用。

取起重一個(gè)吊點(diǎn)計(jì)算，起重索最大拉力與安全系數(shù)。

本吊裝系統(tǒng)滑輪組工作線數(shù)n=4，滑輪組滑輪的轉(zhuǎn)輪數(shù)m=3，轉(zhuǎn)向滑輪數(shù)μ=5，可得輪軸工作系數(shù)K=3.07。取單根起重索做計(jì)算單元：

Tmax=Q/K=(201.012/2)/3.07=32.738kN(采用5t卷揚(yáng)機(jī))。

則：T破=174.27×1 700×10-3=296.259kN。

起重索最大拉力安全系數(shù)為：

K起=T破/Tmax=296.259/32.738=9.05>5～6(滿足要求)。

6 牽引索計(jì)算

牽引索擬采用2φ21.5(6×37+1)鋼絲繩(公稱抗拉強(qiáng)度取1 700MPa)。跑車在主索上運(yùn)行是依靠牽引索的牽引。牽引力一般由跑車運(yùn)動(dòng)阻力、起重索運(yùn)動(dòng)阻力和后牽引索自然松弛張力等三部分組成。

牽引索兩岸定滑輪距離L=240m,查表可得牽引索每米重力q=1.982kg，牽引索所穿過滑車的效率取η=0.96，牽引索穿過滑車的數(shù)量n=2。

T引=W(2-ηn)=71.746×(2-0.962)=77.371 kN(采用8 t卷揚(yáng)機(jī))。

計(jì)算牽引索的安全系數(shù)：

K引=T破/T引=1 700×174.27×10-3÷77.371=3.83≥3～4(滿足要求)。

7 扣索索力計(jì)算

索扣在橋墩蓋梁上的，以蓋梁中心點(diǎn)和扣索軸線與拱架截面形心的交點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)，兩結(jié)點(diǎn)之間為一單元，兩岸各設(shè)置5組扣索。模型輸出計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 扣索最大索力計(jì)算表

對(duì)于同一組扣索，在不同的施工階段中，索力值會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。對(duì)于印江岸：第1組～2組扣索索力是先增大后減?。坏?組扣索減小，第4組扣索增大。對(duì)于德江岸：所有扣索索力均隨拼裝節(jié)段的累加而增大。

單組扣索(7根)的索力，印江岸為155.19 kN～324.67 kN，德江岸為144.70 kN～302.67 kN。印江岸最大索力出現(xiàn)在拱腳第1段，德江岸最大索力出現(xiàn)在拱腳第2段，第3段。

初選單組扣索的規(guī)格為：7φ21.5(6×37+1)鋼絲繩。

破斷拉力為：

Tn=7×174.27×1 700×0.82×10-3=1 700.53 kN。

則扣索安全系數(shù)為：

K=Tn/T=1 700.53/324.67=5.24>3.5(滿足要求)。

8 結(jié)語

通過對(duì)兩河口大橋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可解決山區(qū)特殊地形條件下的施工難題，同時(shí)對(duì)提高施工效率、壓縮工期、降低施工過程成本具有積極意義，為后期西部山區(qū)大跨徑拱橋的使用積累了相關(guān)設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)行廣泛推廣。

[1] 孫重光，賀曉紅.公路施工材料手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 冉茂學(xué)，許紅勝.山區(qū)大跨懸索橋施工纜索的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中外公路，2009(4)：101-103.

[3] 鄭春玲，雷 霆.某鋼管拱橋拱肋懸拼中的扣索計(jì)算[J].橋梁建設(shè)，2001(4)：92-93.

[4] 黃建躍.蔚林大橋貝雷鋼桁拱架的設(shè)計(jì)與施工[J].中外公路，2003(4)：70-74.

On design and application of cantilever arch cable hoisting system

Liu Yi Xiao Kaidong

(Guizhou Expressway Group Co., Ltd, Guiyang 550000, China)

Combining with the engineering case of Lianghekou bridge, the paper introduces the general design scheme for the cantilever arch cable hoisting system, and illustrates its design and calculation methods from the cable tower system, main cable, hoisting cable, pulling cable, and fastening stay force, so as to solve the construction difficulties in bridges under special mountainous topographic conditions.

arch bridge, cable hoisting system, hoisting cable, pulling cable

1009-6825(2017)08-0149-02

2017-01-05

劉 怡(1983- )，男，碩士，高級(jí)工程師； 肖凱東(1987- )，男，碩士，工程師

U442.5

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