基于某特大橋安裝關鍵問題分析研究

李真顏

（廣東省冶金建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510080）

1 工程概述

某特大橋所處位置在長江入口上游處，全長687.8m。主橋采用勁性骨架鋼筋砼上承式拱橋，鋼桁拱肋為勁性骨架，主弦管及橫梁弦管內灌注C60自密實無收縮砼，拱圈勁性骨架外包C55補償收縮砼。拱座基礎采用水平樁+豎向樁形式，交界墩為雙柱式空心墩，拱上11根墩柱、三聯連續(xù)梁（4孔一聯），左端引橋2×65mT構連續(xù)梁，右端引橋（44+72+44）m連續(xù)梁+24m簡支梁，全橋位于3‰直線縱坡上。

該大橋纜索吊裝系統(tǒng)跨徑布置為96.100m+492.950m+115.15m（右幅為123.150m），布設兩套75t主纜索吊機與兩套20t工作纜索吊機，兩套主吊中心間距20.8m，兩套工作吊最大間距為15m。兩岸設計門式纜塔，左岸纜塔高95m，右岸纜塔高92m（左幅85m）；纜塔基礎采用樁基承臺結構形式，卷揚機及自動化控制系統(tǒng)放置于右岸5#橋臺附近。

該套纜索吊機系統(tǒng)由纜塔、錨碇、主索、索鞍、牽引索、起重索、行走天車、吊具、牽引及起重卷揚機、自動化控制系統(tǒng)等主要系統(tǒng)構成。主塔立柱采用Φ630×20mm鋼管，橫梁主管采用Φ351×12mm鋼管，鋼管間聯系件采用2［20。塔身由兩道橫梁將上、下游塔柱聯成一體，構成門式框架。纜索吊機主索錨碇分別設置在0#橋臺、5#橋臺附近，纜索吊機結構簡圖如圖1所示，其各索結構基本參數見表1。

表1 索結構參數表

2 主索計算

2.1 荷載分析

主索承受的荷載主要有兩個部分：一是集中荷載；二是均布荷載。集中荷載主要包括節(jié)段重量P1、吊具自重P2、起重索部分重量P3等幾部分。均布荷載由主索、牽引索、起重索、支索器等的自重。

集中荷載：

其中：

P1=180t（最大吊重150t，計入1.2的沖擊系數）；

P2=64t（兩線各兩臺共四臺跑車24t+扁擔梁重40t）；

P3=10.86t（起重索起落高度182.25m的重量）。

主索（2-9Φ62）所受的均布荷載：

鋼絲繩主索：q1=2×9×16.1kg/m=289.8kg/m=0.2898t/m

φ28起重索：q2=2×2×2.98kg/m=11.92kg/m=0.01192t/m

φ30牽引索：q3=2×4×3.42kg/m=27.36kg/m=0.02736t/m

支索器設計每50米一個，共2t：q4=2000/492.95=4.057kg/m=0.0041t/m q=0.2898+0.01192+0.02736+0.0041=0.33318t/m

2.2 主索張力計算

針對主索的計算應選擇最不利工況，即吊重處于跨中位置工況。

最大吊重處于跨中位置時主索的設計最大垂度：

則主索最大水平拉力為：

承重索和最大吊重在靠近河心側作用在纜塔上的豎向力為：

靠近河心側承重索和水平線的豎向夾角α可以通過力的關系計算：

則由此可計算出主索的最大張力：

2.3 主索的接觸應力計算

式中：

F——主索截面積，為1808×18=32544mm2；

Dmin——小車平滾的最小直徑，取450mm；

d——主索鋼絲直徑，取3mm；

Ek——主索的彈性模量，取7.3381×104MPa。

主索的接觸應力安全系數為：

2.4 主索的彎曲應力計算

式中，n為起重跑車車輪數，設計中為n=2×18=36，其它符號與前面相同。

則主索的彎曲應力安全系數為：

2.5 空索安裝張力與安裝垂度計算

主索的張力方程為：

式中：

Hx——主索的水平張力；

Q——集中荷載；

Qx——任意荷載值，空索狀態(tài)即Qx=0；

Gx——兩塔間均布荷載總重，為164.24t；

Hm——最大水平張力，為1280.96t；

Eη——換算彈性模量。

因為主索兩端錨固長度較大，所以按三跨計算更接近實際，其換算彈性模量為：

代入公式可求得空索水平力為：則可求出空索安裝時的跨中垂度為：

垂直分力：

則最大張力為：

主索長度為：

每根主索安裝的切線傾角為：

安裝時每根主索的拉力為：

3 起重索計算

起重索使用四臺起重跑車起吊，每臺起重跑車采用φ28纖維芯鋼絲繩（6×37S+FC）走10線布置，選用4臺15t起重卷揚機，下圖2為1/2起重索布置：

圖2 起重索布置圖

3.1 荷載計算

作用在起重索上的荷載包括：最大吊重180t、扁擔梁重40t、起重索部分重10.86t。作用在跑車上的總荷載為：

不計偏載系數，作用于每臺起重跑車上的總荷載為：

3.2 起重索最大張力計算

每段拱肋采用四部跑車抬吊，每部跑車各有一組起重滑輪組，走10線布置，從定滑輪繞出，起重滑輪與轉向滑輪均采用滾動軸承。

起重索采用φ28（6×37S+FC）普通纖維芯鋼絲繩，TP=458kN，設起重索進入卷揚機卷筒時的單頭拉力為T。

起重索破斷拉力安全系數為：

3.3 起重索接觸應力計算

418.47MPa

式中：

F—— 單根起重索截面面積，為317mm2；

d—— 起重索單根鋼絲直徑，為1.2mm；

Dmin—— 起重滑輪組直徑，取400mm；

Ek—— 起重索彈性模量，為7.56×104MPa。

起重索破斷拉力安全系數為：

即起重繩安全滿足要求。

3.4 起重索容繩量計算

起重索容繩量由起重跑車運行至跨中時需繩量控制，最大起吊高度Hmax=塔頂高程-最低水位-吊重垂度-起吊物及吊具的總高度（大約25m）。

一臺起重跑車設計走10線，各卷揚機同時起吊，為確保繩索足夠，卷揚機含有50m富余量，則起重卷揚機的容繩量為：

則其容繩量取2100m。

4 牽引索計算

牽引索采用2×1Φ30（6×37+FC）鋼絲繩，單套系統(tǒng)走4線布置，配置4臺25t雙筒摩擦卷揚機作為機械動力。下圖3為1/2牽引索布置：

4.1 荷載計算

牽引索受力由牽引升角最大工況控制影響，跑車位于塔架附近x=50m時，牽引升角最大。

假定主索在索鞍處不移動，可得到索結構張力方程為：

得：Hx=9202.39kN

該位置垂度為：

牽引索最大升角為：

即：θ=10.09°

4.2 最大牽引力計算

最大牽引力包括：后牽引索松弛張力W1、跑車運動阻力W2和滑輪轉動阻力W3。

1）后牽引索松弛阻力

式中：

qa——牽引索單位長度重量，為0.02736t/m；

xa——后牽引索跨度，為492.95m；

fa——牽引索垂度，為后牽引索跨度的1/15。

2）跑車運動阻力

式中：

μ——鋼絲繩與起重跑車的運動阻力系數，弧形軸承取μ=0.02；

Q——荷載總重；

θ——牽引索升角。

3）滑輪轉動阻力

式中：

fc——起重索穿過滑車（取0.98）；

a——起重跑車運行時，牽引索中轉動的導向滑輪數；

b——起重跑車運行時，起重索中轉動的導向滑輪數。

總牽引索牽引力為：

4.3 牽引力計算

牽引滑輪組實際工作效率：

卷揚機牽引力：

牽引索拉力安全系數：

4.4 牽引索接觸應力與安全系數計算

式中：

F——單根牽引索截面面積，為364mm2；

d——牽引單根鋼絲直徑，為1.4mm；

Dmin——牽引滑輪組直徑，取400mm；

Ek——牽引索彈性模量，為7.56×104MPa。

即牽引繩安全滿足要求。

4.5 牽引卷揚機容繩量計算

牽引索按走4布置，每岸通過兩臺牽引卷揚機進行牽引，牽引索可在全跨內移動。卷揚機初始繞繩量取值50m，則卷揚機的容繩量為：

式中，未計索繞過滑輪的長度，其值包含在50m的初始繞繩量中，選用容繩量2200m。

5 結語

對于長江入江口處，一般兩岸地形較為陡峭，不適合大型構件的生產與安裝，當在這種位置建橋時，首選方案即為將預制拼裝完成的構件節(jié)段通過長江水路運送到安裝位置并通過纜索吊裝系統(tǒng)進行吊運安裝。針對現場地形設計的纜索吊裝系統(tǒng)，其索結構的受力合理極為重要。本文對該橋各索的受力進行了驗算，滿足規(guī)范安全要求，確保了施工的安全性，同時也為同類型施工提供了一定的借鑒依據。