大跨徑拱橋纜索吊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

孫振海 韋建昌 韓玉 秦大燕

摘要：纜索吊機(jī)施工方法因跨越能力強(qiáng)、航道影響小且適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)成為大跨度CFST拱橋最具競(jìng)爭(zhēng)力的施工方法，但隨著拱橋跨度的進(jìn)一步增大，超大跨度CFST拱橋應(yīng)用纜索吊裝施工方法時(shí)仍面臨索跨大、吊裝重、索塔穩(wěn)定性差、環(huán)境復(fù)雜等難題。文章以平南三橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)承重索、起重索、牽引索以及橫移索鞍系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出具有大索跨、大吊重能力的纜索吊機(jī)系統(tǒng)，以適應(yīng)超大跨徑CFST拱橋鋼管拱肋安裝的需要。

關(guān)鍵詞：拱橋;平南三橋;索鞍橫移;集中控制系統(tǒng);運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

CFST拱橋依據(jù)所在地位置、地形、環(huán)境等條件，其鋼管拱肋安裝通常可采用有支架法和無(wú)支架法兩種。有支架施工受橋址地型地質(zhì)限制較大，且隨著跨徑的增大施工成本和施工風(fēng)險(xiǎn)越大。目前，大跨徑拱橋施工多常采用無(wú)支架法施工。拱肋無(wú)支架施工技術(shù)又包括拱上懸臂吊機(jī)（掛籃）法、提升法、轉(zhuǎn)體法、纜索吊機(jī)法以及其他方法。其中，纜索吊運(yùn)施工方法因具有跨越能力大、對(duì)航道影響小、適應(yīng)性強(qiáng)（既可以垂直起吊又可以水平縱向運(yùn)輸）、可周轉(zhuǎn)使用等優(yōu)勢(shì)，已成為拱橋工程最具競(jìng)爭(zhēng)力的施工方法。文獻(xiàn)[1]調(diào)查表明跨徑達(dá)200m以上的CFST拱橋絕大多數(shù)采用纜索吊機(jī)施工。

拱橋纜索吊機(jī)施工最先應(yīng)用于雙曲拱橋。1968年，廣西、湖北創(chuàng)建了采用卷?yè)P(yáng)機(jī)、滑輪組、鋼絲繩扣掛雙曲拱橋拱肋、松索合龍懸拼施工方法后，首次在廣西靈山三里江橋應(yīng)用并取得良好的效果，此后采用該項(xiàng)技術(shù)修建了多座雙曲拱橋和箱形拱橋[2]。1992年，廣西“邕寧邕江大橋SRC拱橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究”課題組，經(jīng)過(guò)三年多的研究，創(chuàng)立了拱橋千斤頂、鋼絞線斜拉扣掛懸拼技術(shù)及合龍松索技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于主跨312m的邕寧邕江大橋、三岸邕江大橋和來(lái)賓磨東大橋。近些年，纜索吊機(jī)技術(shù)也取得了較大進(jìn)步，文獻(xiàn)[3]以西江特大橋?yàn)楣こ桃劳?，通過(guò)塔頂設(shè)滑道，建立橫移式纜索吊機(jī)。文獻(xiàn)[4]以藏木雅魯藏布江大橋?yàn)楣こ桃劳?，建立了塔頂和后錨雙橫移技術(shù)，進(jìn)一步提高了纜索吊機(jī)的靈活性。文獻(xiàn)[5]研發(fā)了400t級(jí)的纜索吊機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)用于寧波明州大橋并取得了良好的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[6]引入橫移系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主索和錨固系統(tǒng)的分離，研發(fā)了雙向移動(dòng)纜索吊機(jī)。纜索吊機(jī)施工方法采用纜索吊機(jī)系統(tǒng)逐段吊裝鋼拱肋節(jié)段，直至拱肋合龍形成鋼管骨架。纜索吊機(jī)系統(tǒng)既可以垂直起吊，又可以縱向水平運(yùn)輸;既可以安裝拱肋，又可以安裝橫梁、吊桿、橋面板等構(gòu)件，覆蓋面廣，適應(yīng)性強(qiáng)。平南三橋?yàn)橹骺?75m的中承式CFST拱橋，建成后為世界最大跨徑拱橋，其跨徑、吊重、扣塔高度、拱肋節(jié)段的加工尺寸等各項(xiàng)施工技術(shù)指標(biāo)均超過(guò)了已建同類型橋梁，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。該橋鋼拱肋吊裝技術(shù)缺乏可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)難度大，必須在現(xiàn)有技術(shù)裝備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以確保鋼管拱肋安裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性能，同時(shí)提高其經(jīng)濟(jì)性。基于此，本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出具有大索跨、大吊重能力的纜索吊機(jī)系統(tǒng)，以適應(yīng)超大跨徑CFST拱橋鋼管拱肋順利安裝的需要。

1 工程概況

平南三橋?yàn)橹骺?75m中承式CFST拱橋，采用纜索吊運(yùn)斜拉扣掛技術(shù)施工，建成后為世界最大跨徑拱橋。每片拱肋分為22個(gè)節(jié)段吊裝，南北兩岸各11個(gè)拼裝節(jié)段，南北兩岸的吊裝節(jié)段編號(hào)如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體縱向設(shè)計(jì)

結(jié)合橋梁所處的地質(zhì)、地形、地貌、氣候環(huán)境等，按照安全可靠、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)，纜索吊裝的整體布置如圖2所示。北岸采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，南岸采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁采用“吊扣合一”的塔架結(jié)構(gòu)型式，即將塔架安裝于扣塔頂部，吊塔和扣塔剛接連接。

2.2 總體橫向設(shè)計(jì)

主索系統(tǒng)共計(jì)2套，主索道纜索起重機(jī)額定起重量確定為220t;工作索道起重繩按5t額定吊重進(jìn)行設(shè)計(jì)。主索道用于拱肋節(jié)段和橋面節(jié)段等大構(gòu)件的安裝，工作索道主要用于小型機(jī)械、構(gòu)配件的吊裝運(yùn)輸。

3 纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 承載索設(shè)計(jì)

主承載索為纜索吊裝系統(tǒng)最核心的受力結(jié)構(gòu)。鋼絲繩選型時(shí)，選用了抗拉強(qiáng)度高、支撐表面積大、耐磨性能優(yōu)、表面平滑的密封鋼絲繩。主承載索單繩長(zhǎng)1800m，單套數(shù)量為8根，全橋共計(jì)16根。主承載索兩端的錨固均設(shè)置半圓形鋼筋混凝土錨梁，將主索繞過(guò)錨固梁折回，安裝專用蝴蝶型鎖夾固定，單端鎖夾數(shù)量不得少于36個(gè)。

工作索道系統(tǒng)主要作為輔助吊運(yùn)，承載索選用一般用途鋼絲繩，全橋共計(jì)4根，單根長(zhǎng)度1800m，與主索道系統(tǒng)共用地錨。承載索繞過(guò)錨固梁后，安裝騎馬式繩卡，單端繩卡數(shù)量不得少于11個(gè)。

承載索安裝時(shí)，采用專用發(fā)線器放線，牽引繩牽引過(guò)江，繞過(guò)錨固橫梁后，采用滑車組進(jìn)行調(diào)索。安裝時(shí)，以空索垂度進(jìn)行控制。系統(tǒng)安裝完成及每次橫移索鞍后，均需對(duì)主承載索的線形進(jìn)行調(diào)整，保證承載索均勻受力。

3.2 起重索設(shè)計(jì)

按照主拱肋最大節(jié)段重量215t，考慮爬梯、錨拉板扣點(diǎn)、檢修道、施工設(shè)備等荷載進(jìn)行計(jì)算，主索道纜索起重機(jī)額定起重量確定為220t。起重索采用“定10動(dòng)8走14線”布置，單套系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)吊點(diǎn)，分別命名為藍(lán)點(diǎn)、紅點(diǎn)。起重索不設(shè)錨固端，兩端均布置起重卷?yè)P(yáng)機(jī)。兩岸起重卷?yè)P(yáng)機(jī)可獨(dú)立運(yùn)行，亦可聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。纜索系統(tǒng)邊跨、中跨均設(shè)支索器，限制松索狀態(tài)下起重繩、牽引繩的下?lián)希ㄒ?jiàn)圖3）。

工作索道起重繩按5t額定吊重進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用“定2動(dòng)2走2線”布置。起重索錨固端設(shè)置于北岸主地錨處，錨固于主承重索錨固梁上;另一端在南岸主地錨處轉(zhuǎn)向后進(jìn)入起重卷?yè)P(yáng)機(jī)（見(jiàn)下頁(yè)圖4）。

3.3 牽引索設(shè)計(jì)

兩岸的每組主索道系統(tǒng)分別設(shè)置獨(dú)立的牽引繩，采用“走4線”布置。牽引繩兩端在主地錨處轉(zhuǎn)向后，進(jìn)入牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)（見(jiàn)圖5）。

工作索道的牽引繩采用閉合循環(huán)布線方式，采用“走2線”布置。起重牽引繩采用摩擦型卷?yè)P(yáng)機(jī)作為牽引設(shè)備，繩兩端分別在地錨的轉(zhuǎn)向滑輪處轉(zhuǎn)向折回，錨固于工作跑車兩端，形成閉合回路?？刂葡到y(tǒng)控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的正反驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作跑車的往復(fù)牽引（見(jiàn)圖6）。

3.4 橫移索鞍設(shè)計(jì)

纜索起重機(jī)的索鞍橫移牽引繩每岸塔架設(shè)2根20mm（6×37b+FC-1670）鋼絲繩。索鞍橫移牽引繩從塔架附近的5t起重卷?yè)P(yáng)機(jī)引出，先后經(jīng)過(guò)塔腳和塔頂上橫梁轉(zhuǎn)向滑輪，然后在索鞍橫移滑輪組處采取“定13動(dòng)12走24線”的布置形式，最后經(jīng)轉(zhuǎn)向滑輪繞回塔架附近的5t起重卷?yè)P(yáng)機(jī)（見(jiàn)圖7）。

（1）吊裝拱肋節(jié)段時(shí)，索鞍在上游拱肋、中間橫撐、下游拱肋三個(gè)位置周期性移動(dòng)。本工況下，將索鞍組合，橫移牽引繩一側(cè)收緊，另一側(cè)放松。橫移至指定位置時(shí)，安裝索鞍錨固裝置，將索鞍固定。

（2）吊裝橋面梁時(shí)，將組合索鞍橫移至其中一個(gè)吊裝工位，安裝錨固裝置固定已定位的索鞍。將橫移車架與固定索鞍分離，兩主索鞍分離，啟動(dòng)橫移牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)，將另一個(gè)主索鞍移動(dòng)至安裝工位，最后錨固，完成索鞍橫移。

4 設(shè)備配置

4.1 主索鞍

吊裝主拱圈節(jié)段時(shí)，兩套主索鞍及4套工作索鞍合并布置在塔頂橫梁上，中心位置正對(duì)一側(cè)拱肋中心線;吊裝另一側(cè)主拱肋時(shí)，通過(guò)橫移系統(tǒng)將索鞍橫移至另一側(cè)主拱肋中心。主索鞍采用模塊化設(shè)計(jì)，分上、下兩層結(jié)構(gòu)。上層結(jié)構(gòu)為承重索支撐滑輪（繩槽350mm），總計(jì)2組各14片;下層結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有起升索導(dǎo)向滑輪（繩槽355mm）、牽引索導(dǎo)向滑輪（繩槽355mm）。索鞍底部設(shè)置有走行滾輪，使索鞍可以在軌道梁上沿橫橋滑移，從而改變兩組承重索之間的跨距，滿足施工要求。各部件均采用焊接結(jié)構(gòu)，部件間采用栓接，便于安拆及運(yùn)輸。索鞍端部有連接法蘭，可以將主索鞍與其他索鞍之間通過(guò)法蘭連接（見(jiàn)圖8）。索鞍各部件設(shè)計(jì)重量都滿足塔吊安裝要求。

主索鞍橫移滑車安裝于主索鞍下部，通過(guò)螺栓與主索鞍連接?；囉蔂恳齽?dòng)滑輪組（繩槽直徑355mm）、車體、連桿等組成。通過(guò)兩端牽引對(duì)拉形式來(lái)實(shí)現(xiàn)索鞍的左右橫移（見(jiàn)圖9）。

索鞍橫移就位后，通過(guò)錨固支座及精軋螺紋鋼筋將索鞍錨固于軌道上（見(jiàn)圖10）。

吊裝橋面梁時(shí)，將兩套主索分開(kāi)，每套主索鞍兩側(cè)分別布置一套工作索鞍，索鞍中心分別位于橋面梁兩端，橫向中心間距38.5m。索鞍橫移采用鋼絲繩牽引，牽引繩先繞過(guò)塔頂橫梁轉(zhuǎn)向滑輪，再經(jīng)過(guò)塔底轉(zhuǎn)向滑輪，進(jìn)入位于地面的橫移卷?yè)P(yáng)機(jī)組中。主索鞍設(shè)計(jì)荷載為300t，大于本工程纜索起重機(jī)最大吊重220t，便于后期系統(tǒng)的循環(huán)利用。

4.2 主索道起重跑車

主索道起重跑車由起升定滑輪組、牽引動(dòng)滑輪組、走行滑輪、連桿等組成。主索道系統(tǒng)采用雙吊點(diǎn)設(shè)計(jì)，每套系統(tǒng)有兩臺(tái)起重跑車，命名為紅跑車、藍(lán)跑車，倒掛在承重軌索上。兩臺(tái)起重跑車采用鋼絲繩串聯(lián)。每臺(tái)起重跑車包括8個(gè)走行滑輪，分兩組作用在承重索上（見(jiàn)圖11）。

每組主索道跑車間通過(guò)鋼絲繩連接，兩跑車中心間距依據(jù)吊裝節(jié)段重心位置確定，本工程取15.5m。跑車連接繩采用38mm的6×37+IWR鋼絲繩。每道工作索設(shè)一個(gè)跑車，結(jié)構(gòu)與主索道跑車類似。

采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0SP1軟件建立跑車實(shí)體模型進(jìn)行強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算，計(jì)算荷載考慮了0.7倍吊重、起重繩自重及吊鉤吊具自重，單個(gè)跑車外部荷載取值為104kN。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可知，主跑車的強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

4.3 支索器

支索器主要用來(lái)解決各種索空中纏繞和空鉤下落的問(wèn)題，還能對(duì)主索、牽引索、起重索進(jìn)行有效分層和限位，保證纜索系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和使用安全。支索器設(shè)置在纜索起重機(jī)的跑車前后方，其結(jié)構(gòu)包括行走輪，起重、牽引托輪及隔板，各支索器之間采用1根鋼絲繩進(jìn)行串聯(lián)，繩兩端設(shè)旋轉(zhuǎn)器，并與起重跑車連為一體。在纜索起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，支索器依靠跑車頂推或牽拉進(jìn)行收放。支索器行走輪設(shè)置在兩根主承載索上，其余承載索采用反壓滾軸限位。支索器共分為固定支索器、活動(dòng)支索器、邊跨支索器三類。固定及活動(dòng)支索器布置在中跨，間距約40m布置一個(gè)。全橋固定支索器共計(jì)4個(gè)，活動(dòng)支索器共計(jì)56個(gè)，尾跨支索器共計(jì)96個(gè)（見(jiàn)圖12）。

4.4 主索道吊具

吊具根據(jù)拱肋節(jié)段吊裝特點(diǎn)和纜索起重機(jī)索鞍的布置情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體構(gòu)造見(jiàn)圖13。

4.5 工作索道索鞍

工作索鞍布置于主索鞍兩側(cè)，索鞍采用模塊化設(shè)計(jì)，分為上、下兩層結(jié)構(gòu)。上層結(jié)構(gòu)為承重索支撐滑輪（繩槽直徑450mm），總計(jì)2片;下層裝設(shè)有起升索導(dǎo)向滑輪（繩槽直徑435mm）、牽引索導(dǎo)向滑輪（繩槽直徑435mm）。索鞍底部設(shè)置有走行滾輪，使索鞍可以在滑道梁上沿橫橋滑移，從而改變工作索鞍的位置，滿足施工要求。索鞍端部有連接法蘭，可以將工作索鞍與其他索鞍之間通過(guò)法蘭連接起來(lái)（見(jiàn)圖14）。

采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0SP1軟件建立工作索鞍實(shí)體模型進(jìn)行強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算，計(jì)算荷載考慮了主承重索的最大張力、起重索及牽引索的最大拉力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2數(shù)據(jù)可知，工作索鞍的強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

4.6 工作索跑車及吊具

工作索跑車由牽引錨固端、起升定滑輪組、走行滾輪等組成。見(jiàn)圖15。

采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0SP1軟件建立工作索跑車實(shí)體模型并進(jìn)行強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算，計(jì)算荷載考慮了1.2倍吊重、起重繩自重及吊鉤吊具自重。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3數(shù)據(jù)可知，工作索跑車的強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

工作索吊點(diǎn)設(shè)5t吊具，由動(dòng)滑輪組（繩槽直徑400mm）、拉板、吊鉤組成（見(jiàn)圖16）。

4.7 電氣系統(tǒng)

起重機(jī)電氣系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等組成。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分組布置。每組為一套獨(dú)立系統(tǒng)，又能通過(guò)光纖連接組成一套系統(tǒng)（見(jiàn)圖17～18）。

5 結(jié)語(yǔ)

纜索吊機(jī)施工方法因跨越能力強(qiáng)、航道影小且適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)成為大跨度CFST拱橋最具競(jìng)爭(zhēng)力的施工方法，但隨著拱橋跨度的進(jìn)一步增大，超大跨度CFST拱橋應(yīng)用纜索吊機(jī)施工方法時(shí)仍面臨索跨大、吊裝重、索塔穩(wěn)定性差、環(huán)境復(fù)雜等難題。基于此，以平南三橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)承重索、起重索、牽引索以及橫移索鞍系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成一整套纜索吊機(jī)系統(tǒng)，提高了纜索吊機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)健性、經(jīng)濟(jì)性和吊運(yùn)過(guò)程中的靈活性，相關(guān)成果可為同類型CFST拱橋提供借鑒。

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