兩河口特大橋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

徐金華，楊 磊

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 太原市 030012； 2.山西省公路局 太原市 030006)

纜索吊裝系統(tǒng)屬于特種設(shè)備，它以柔性鋼索作為大跨度架空支承件，吊車依靠牽引索牽引在承載索上往返運(yùn)行，進(jìn)而在較大空間范圍內(nèi)完成重物的垂直運(yùn)輸和水平運(yùn)輸，纜索吊具有吊運(yùn)范圍大、生產(chǎn)率高、對(duì)主體工程施工現(xiàn)場(chǎng)干擾少、受汛期影響少、造價(jià)低等特點(diǎn)。

雖然纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念相同，但工程特點(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。結(jié)合兩河口特大橋施工特點(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(duì)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

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，電站壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2km河段，壩址控制流域面積為6.57萬平方公里，壩址處河流多年平均流量666m3/s。

兩河口水電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流豎井泄洪洞、地下發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物等組成，采用“攔河礫石土心墻堆石壩+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)+左岸泄洪、放空系統(tǒng)+左、右岸導(dǎo)流洞”的工程樞紐總體布置格局。礫石土心墻堆石壩最大壩高295m，引水發(fā)電系統(tǒng)為大型地下洞室群結(jié)構(gòu)，安裝6臺(tái)500MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

兩河口特大橋是兩河口水電站的重要配套工程，橋跨布置為(5×30+420+3×30)m，橋梁全長663.0m，主橋結(jié)構(gòu)采用上承式鋼管混凝土拱，主橋計(jì)算跨徑為420m，采用懸鏈線作為拱軸線，拱軸系數(shù)m為1.543，計(jì)算矢高f為105.0m，矢跨比為1/4。該橋橋位處大橋與溝谷約呈60°交角，河谷深切呈V形，高約240m，呈直立狀，兩岸基巖出露良好，橋位下游1km為兩河口水電站壩址位置，其橋型布置圖如圖1所示。

由于兩河口特大橋處在一個(gè)陡峭峽谷，沒有施工場(chǎng)地，相對(duì)高差大，大橋引橋施工鋼筋、模板、混凝土等材料的垂直和水平運(yùn)輸相當(dāng)困難，根據(jù)該大橋特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)地形，決定采用簡(jiǎn)易纜索吊施工工藝,將材料從下游壩址處灌漿平洞內(nèi)轉(zhuǎn)出后順利轉(zhuǎn)運(yùn)至工作橋位處，然后利用纜索吊進(jìn)行材料的運(yùn)輸，纜索吊裝系統(tǒng)的最大吊凈重按2t重進(jìn)行考慮。

2 纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 纜索吊裝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)該大橋所處的地理環(huán)境，采用纜索吊裝工藝進(jìn)行引橋施工中鋼筋、模板、混凝土等材料的垂直和水平運(yùn)輸施工。本纜索吊吊裝荷載較小，左右岸均在橋臺(tái)標(biāo)高平臺(tái)位置采用承臺(tái)+錨桿組合地錨形式。

圖1 兩河口特大橋橋型圖

2.2 吊裝方案的選擇

纜索吊裝系統(tǒng)由主索、跑車、起重索、起重滑車組、牽引索、起重及牽引卷揚(yáng)機(jī)、錨碇、承臺(tái)、風(fēng)纜等組成。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況纜索吊主要為吊裝山谷內(nèi)26000～2840m標(biāo)高處灌漿平洞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)出來的鋼筋用于引橋施工，擬在左右岸A、B點(diǎn)標(biāo)高為2875m已形成的平臺(tái)位置設(shè)置纜索吊錨碇，錨碇采用承臺(tái)+錨桿的錨固形式，纜索吊設(shè)計(jì)跨徑668m，矢跨比為0.055，最大垂度為36.74m，主纜垂度位置低于吊裝頂標(biāo)高2840m，但吊裝頂標(biāo)高2840m處山體與主纜凈空約為27.9m，滿足此處吊裝高度，可按左右岸無塔設(shè)計(jì)，該方案具有成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此引橋施工鋼筋、模板、混凝土、倉面廢棄物等材料的纜索吊裝系統(tǒng)按此方案予以實(shí)施。

2.3 吊裝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與布置

由于施工荷載最大凈重量為2t，配重1.0t，因此本纜索吊裝系統(tǒng)額定起重量按3.0t設(shè)計(jì)。采用一組主索，安裝一個(gè)起重跑車。

整個(gè)纜索吊裝系統(tǒng)左右岸各設(shè)1處C30錨碇承臺(tái)梁，承臺(tái)梁長6m，寬2.5m，厚度、高度平均為2.5m，錨碇承臺(tái)底設(shè)置4.5m鋼筋錨桿18根，左岸錨碇設(shè)一處主纜固定點(diǎn)、牽引索轉(zhuǎn)向滑輪以及預(yù)留一處卷揚(yáng)機(jī)錨固點(diǎn)，右岸設(shè)3臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)錨點(diǎn)(起重卷揚(yáng)機(jī)、牽引卷揚(yáng)機(jī)、主纜收緊卷揚(yáng)機(jī)(可用倒鏈替代))，設(shè)置主纜固定點(diǎn)一處，轉(zhuǎn)向滑輪2處，右岸錨碇側(cè)設(shè)卷揚(yáng)機(jī)值班室及控制室。

纜索吊裝系統(tǒng)主要參數(shù)取值如下：

(1)額定起重量Q=2t；

(2)跨距l(xiāng)=688m；

(3)視線坡角β=0；

(5)最大起重高度h=240m；

(6)起重索工作高度：1.5m；

(7)吊鉤至吊桶底距離：1.5m；

(8)安全凈空：3m；

(9)吊點(diǎn)重(吊具及其間鋼絲繩)重量：0.04t；

(10)跑車重：0.04t；

(11)最大凈吊重：2t；

(12)配重重：1.0t。

纜索吊裝系統(tǒng)整體布置如圖2所示。

纜索吊裝系統(tǒng)的主要部件結(jié)構(gòu)如下：

(1)主索(承重索)

通過初步試算，主索采用單根直徑48mm(6×37S+FC)鋼絲繩承擔(dān)，單位質(zhì)量為7.97kg/m，破斷拉力T為1270kN。主索通過索鞍支承于塔頂并連接至主地錨處。索鞍設(shè)計(jì)為松緊可調(diào)結(jié)構(gòu)，松開時(shí)主索可以在索鞍上滑動(dòng)，夾緊時(shí)主索不能滑動(dòng)。主索上設(shè)有1臺(tái)起重跑車、牽引及起重系統(tǒng)。

(2)牽引索和起重索

牽引索采用一根直徑16mm(6×37S+FC)鋼絲繩，單位質(zhì)量為0.89kg/m，破斷拉力T為134 kN。鋼絲繩采用走“4”的方式穿繞，系統(tǒng)配5t牽引卷揚(yáng)機(jī)2臺(tái)。

圖2 纜索吊機(jī)立面布置圖

起重索采用一根直接20mm(6×37S+FC)鋼絲繩，單位質(zhì)量為1.38kg/m，破斷拉力T為209 kN。系統(tǒng)配起重卷揚(yáng)機(jī)一臺(tái)。

(3) 地錨

大壩纜索吊左右岸共設(shè)置2個(gè)錨錠。錨碇設(shè)置為承臺(tái)+錨桿組合形式，錨桿承臺(tái)下有效錨固長為4.5m。錨碇基礎(chǔ)為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為6m×2.5m×2.5m，其立面、平面布置如圖3和圖4所示，基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置18根直徑25mm鋼筋錨桿，鋼筋錨桿施工時(shí)，先開挖承臺(tái)后再進(jìn)行鉆孔，錨孔孔徑為80mm，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后先將錨孔灌注C30砂漿后再放入鋼筋，承臺(tái)底錨孔長4.6m，錨桿共長5.5m，錨桿伸入承臺(tái)內(nèi)錨固長度大于等于40d?；A(chǔ)配筋采用雙層雙向18mm@200鋼筋網(wǎng)片，周邊采用12mm@200鋼筋時(shí)上下網(wǎng)片鋼筋形成整體，拉筋為12mm@600梅花形布置。

圖3 地錨立面布置圖

圖4 地錨平面布置圖

3 纜索吊裝系統(tǒng)靜力計(jì)算分析

纜索系統(tǒng)主要由主纜索、起重索、工作索、牽引索、主纜索跑車及下掛結(jié)構(gòu)、塔頂索鞍、地錨等組成，纜索系統(tǒng)中所用各種鋼絲繩的參數(shù)見表1。

表1 纜吊主索參數(shù)對(duì)照表

3.1 主索計(jì)算分析

主索為纜索吊的支承結(jié)構(gòu)，是纜索吊的核心部分，主索受到荷載主要由集中荷載和均布荷載兩部分組成，其中集中荷載由吊裝重、吊具重、起吊索重組成，均布荷載包括主索、起重索、牽引索的自重。纜索吊的均布荷載和集中荷載的數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 均布荷載

表3 集中荷載

3.2 起重索計(jì)算分析

起重索承受荷載包括吊重Qe，吊具重量Qh，起重索自重引起的最大集中荷載QR，以及起重小車上下掛架重量Qe，起重索繞過卷揚(yáng)機(jī)張力計(jì)算需要考慮起升動(dòng)荷載系數(shù)，在計(jì)算時(shí)系數(shù)取1.5，起重索繞過卷揚(yáng)機(jī)端張力：

式中：Q—起吊總重；

n—滑輪組上起重索工作線數(shù)，取2；

η1—滑輪組效率，取0.96；

η2—轉(zhuǎn)向滑輪效率，取0.96；

m—滑輪組輪數(shù)，取1；

μ—轉(zhuǎn)向滑輪輪數(shù)，取2；

λ—受力不均勻系數(shù)，為1.5。

起重索的接觸應(yīng)力驗(yàn)算：

3.3 牽引索計(jì)算分析

吊運(yùn)過程中，牽引索處于被動(dòng)牽引狀態(tài)，牽引索被動(dòng)牽引起重小車時(shí)，牽引索的拉力大小與起重小車所持的位置有關(guān)，距離主塔越近，牽引力越大，牽引索越不利， 本纜索吊跑車的運(yùn)行阻力最大設(shè)計(jì)在錨固點(diǎn)前5m，即X=663m。

當(dāng)?shù)踔睾奢d距支撐點(diǎn)X(m)時(shí)，主索水平張力為HX,HX的狀態(tài)方程式如下：

其中a、b為與荷載有關(guān)的系數(shù)：

式中,l 為纜索主跨計(jì)算跨徑(m);E為主索彈性模量(MPa)；Ft為主索截面面積(m2)；Gm為各整根索重力之和；P 為額定起重時(shí)的集中荷載，Hm為最大張力之和；Px、Gx計(jì)算狀態(tài)下的集中荷載、索的總重力；Hm=356.63kN ；X=663m代入式中，由此可以求得HX=178.95kN。

主索曲線方程為：

索鞍處升角切線斜率：

相應(yīng)的主索升角γ計(jì)算公式為：

tanγ=f′(x,H)=0.047159，γ=2.7°

跑車處主索升角：γ=2.7°，sinγ=0.04725，cosγ=0.9989

牽引索牽引阻力由跑車運(yùn)行阻力W1、起重索運(yùn)行阻力W2、后牽引索的松弛張力W3三部分組成，其計(jì)算如下：

(1)跑車運(yùn)行阻力W1

W1=Hsinγ+μHcosγ=11.14kN

(2)起重索運(yùn)行阻力W2

W2=Tmax(1-ηm)=36.65×(1-0.962+2)=31.15kN

(3)后牽引索的松弛張力W3

(4)牽引索總牽引阻力W

W=W1+W2+W3=11.14+31.15+13.46=

55.75kN

4 結(jié)語

兩河口特大橋地處陡峭峽谷，相對(duì)高差大，施工用地緊張，施工工期緊，針對(duì)引橋施工鋼筋、模板、混凝土、倉面廢棄物等材料的垂直和水平運(yùn)輸相當(dāng)困難的問題，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，特別設(shè)計(jì)了纜索吊裝系統(tǒng)，對(duì)纜索吊裝系統(tǒng)的主索、起重索、牽引索等結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，計(jì)算結(jié)果表明，主索、起重索、牽引索的受力滿足規(guī)范要求，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。