纜索起重機的設計及其在橋梁施工中的應用分析

張永強

（中鐵十七局集團城市建設有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

目前，纜索起重機憑借其大跨距架空承載構件的優(yōu)勢，能夠應用于橋梁工程當中，作為懸吊運輸工具使用，進行施工材料的起重與裝卸作業(yè)。在橋梁工程施工中，纜索起重機的設計與應用需要嚴格參考《纜索起重機型式試驗細則》（TSG Q7009—2007）的施工規(guī)范，對起重機設施的設計過程進行嚴格規(guī)劃，保障其纜索系統(tǒng)、塔架系統(tǒng)、錨定系統(tǒng)、分索系統(tǒng)等設計的合理性，最終才能有效應用于橋梁工程中。

1 纜索起重機的設計要點及建議

1.1 明確纜索起重機的設計原則

在橋梁工程中，相關人員必須根據橋梁工程的屬性來明確其設計原則。以深圳某大橋主橋施工為例，該橋梁屬于鋼管混凝土系拱橋，單孔跨度約140m，對此，纜索起重機的索道主跨設計長度應大于橋梁單孔主跨約25%；橋梁拱肋的矢量高度達到平均35m 的水平，而塔架的設計高度需超出矢量高度100%，因此起重機塔架設計高度最佳值應取65～70m；橋梁拱肋中心的平均間距達到19m，因此塔架寬度的設計取值應在23～26m 之間，才能確保起重機能夠覆蓋橋梁施工吊裝工作的所有范圍。此外，結合《起重機械檢查與維護規(guī)程》（GB/T 31052.1—2014）的規(guī)范要求，起重機械塔架必須具備充足的穩(wěn)定性與抗性強度，密封式主索需要同時搭配6 根及以上符合規(guī)格的起重索、牽引索，因此，該施工案例中預計設計8 根φ28mm 的后纜風索、4 根φ55mm 的密封式鋼絲繩，這一舉措毫無疑問符合纜索起重機的設計原則，有利于提高纜索起重機在橋梁施工中的穩(wěn)定性。

1.2 主索的設計要點

主索的設計可以根據橋梁工程的跨度進行選擇，例如，針對長度為500m 左右的大跨度橋梁，施工單位的纜索起重機應采用三跨主索的形式進行設計，具體的做法為：纜索起重機布置多組承重主索，主索間距應當視情況而定，控制在300～500mm 之間，并且搭載直徑大于50mm 的鋼絲繩進行加固；在起重索的設計上，考慮到起重索兩端需要預留位置來安裝調索裝置系統(tǒng)，因此，可以采用不小于φ20mm 的鋼絲繩及轉向滑輪構成繩索系統(tǒng)，配合吊點設計進行作業(yè)；在牽引索的設計上，考慮到繩索并非定向的運動形式，所以，牽引索系統(tǒng)需要搭載若干慢速卷揚機，才能夠實現牽引系統(tǒng)的多項驅動，并且由牽引索的規(guī)格來決定卷揚機的規(guī)格，如：5t 卷揚機可搭配φ21mm 及以上規(guī)格的鋼絲繩索進行布置，卷揚機設置于錨定位置的后方，以便實施有效牽引[1]。

1.3 主索設計的計算方法

在纜索起重機的繩索設計上，各種繩索的安全系數需要達到施工規(guī)范要求，如：主索破斷拉力需要不小于3，應力水平需要不小于2；牽引索破斷拉力應不小于5，應力需要不小于3……起重索與纜風索的設計安全系數以此類推。因此，在起重機繩索的設計中，需要借助計算得出纜索是否具備相應的設計條件。仍然以500m 大跨度橋梁的多跨主索為例，在多跨主索中，主跨垂度增大會引發(fā)其余跨度相應減小，以至于多跨主索能夠通過垂度變化來適應運行時的張力，而多跨主索在多種情況下的受力計算應當參考式（1）進行分析。當纜索起重機的矢跨比達到5%～10%之間時，其設計的取值最為合理。

纜索起重機三跨主索計算公式：

式（1）中：Wcable表示主索自重；γ 表示主索單位長度的線密度；Acable表示主索橫截面積；Lcable表示主索長度。

與此同時，相關人員需要對纜索起重機的主索最大拉力進行驗算，并對比纜索起重機的設計規(guī)范標準，判斷其最大拉力、水平拉力的設計是否合格，計算方法如式（2）所示。

主索最大拉力計算：

式（2）中：T 表示主索拉力；W 表示橋梁總荷載；H 表示主索最大凈高度；L 表示主索有效跨度。

1.4 承載索的設計要點

起重機承載索的設計需要針對多項物理參數進行復雜設計，所以可以借助計算機程序輔助計算。以兩端固定式承載索的程序計算為例，通過將起重機承載索的水平跨距視為l0，將其高度差視為h，以及最大起重量視為Q，這些數據均能作為初始計算參數，通過計算機程序計算出承載系統(tǒng)鋼絲繩最大荷載Qmax、承載索最大張力T 等數據。最終獲得的計算參數能夠用于承載索的校驗與比對，最終，由施工人員選擇出最符合計算參數的承載索規(guī)格用于實際施工，保障纜索起重機的使用效能。而能夠用于計算承載索初始參數的計算機程序包括M-NET-F、Access 以及VS.net 等，主要的應用流程如圖1 所示。

圖1 計算機程序下的承載索參數設計流程

2 纜索起重機的塔架設計與建議

2.1 塔架設計方法

纜索起重機的塔架高度設計與主索的最大撓度、臨空高度以及塔架底端與橋梁最高點的高度差有所關聯，在設計過程中，需要同時參考以上數據參數，方能得出最合理的塔架高度取值。高度計算的方法如式（3）所示，其中需要注意的是，一般纜索起重機的塔架受力情況為：塔架整體的垂直荷載略微高于水平荷載，但塔架的受壓結構致使水平荷載容易影響塔架的穩(wěn)定性。故此，主索臨空高度的統(tǒng)計需要考慮重物最大高度、吊鉤及捆繩高度、吊滑車組高度差（一般情況下，控制在1500～2000mm 的區(qū)間）等參數，得出最合理的計算參數。

一般纜索起重機塔架高度計算：

式（3）中：H高表示塔架設計高度；Fmax表示起重機主索最大撓度；h1表示考慮重物最大高度等參數的主索臨空高度；h2表示塔架底面至橋梁最高點的間距差。

2.2 塔架設計要點

塔架的設計與計算需要以塔架結構或支座的設計情況為出發(fā)點，在一般情況下，塔架的水平荷載需要由多個結構承受，如：塔架下端交接位置的水平荷載作用于纜風索；上端部分則由兩端安裝的受壓構件來承受。因此，在設計塔架過程中，塔架與纜風索之間的位置關系應當明確，以減少塔架頂端的位移情況，合理分配塔架的內力關系。在此基礎上，采用多元化的塔架形式，能夠有效適應橋梁施工現場的場地條件及施工需求。如：墩頂式塔架適應頂部位移變化；輻射式塔架提高底部穩(wěn)定性。因此，合理選擇有效的塔架形式，配合塔架設計，才能夠使施工更加靈活便利[2]。

3 纜索起重機在橋梁施工中的應用范圍分析

3.1 纜索起重機用于橋梁施工材料物流

運輸與吊載施工材料是纜索起重機的重要功能之一，在橋梁工程施工中，橋梁多處結構的施工均會使用到纜索起重機輔助施工作業(yè)。典型的代表有：橋梁施工的主墩承臺澆筑時，需要采用大體積混凝土進行不間斷澆筑，但考慮到地貌因素對混凝土運輸造成的影響，施工單位在完成混凝土的配備與攪拌后，采用纜索起重機將混凝土吊裝至需澆筑的施工位置。相較于管道運輸混凝土，起重機吊裝混凝土能夠有效避免氣溫變化影響混凝土入模溫度，保障混凝土澆筑時的灌實程度。

3.2 纜索起重機用于橋梁施工調運大型器械

纜索起重機能夠通過吊鉤綁定施工機械，起升后通過靜載的方式調往目的地點，使施工機械能夠在橋梁施工中發(fā)揮其最大效用。具體的案例有，綿陽市某橋梁工程中利用纜索系統(tǒng)對橋梁工程左右兩岸的施工器械進行調送運輸，纜索起重機的配重系統(tǒng)能夠承受最大9.5t 的起吊任務，于當日17：26—18：20，順利將DH-9 型挖掘機吊至左岸卸貨平臺，次日將DH215-9 型挖掘機及自卸車、裝載機等設備調運過江，調運效率之高使施工的進度得到有效保障。

3.3 纜索起重機用于吊運其他施工物資

纜索起重機能夠用于吊運施工電箱、工具箱等施工資源。以雅礱江的纜索起重機應用為例，通過以纜索起重機調運方案代替施工棧道運輸方案，有效解決一些施工零部件及工具無法在橋梁工程中及時運輸的問題，使該橋梁工程的工期相較預期計劃縮短11.6%，并且節(jié)約施工中的交通投資約160 余萬元。由此可見，纜索起重機在橋梁施工中具有顯著的應用價值[3]。

4 纜索起重機在橋梁施工中的應用要點與建議

4.1 使用期間有效配置起重設施參數

只有嚴格控制纜索起重機內鋼索直徑、型號、工程強度及折舊系數等參數，才能夠確保纜索起重機能夠正常應用于實際的橋梁工程中。以主跨度超200m，并采取無支架吊裝形式進行施工的橋梁建設為例，在纜索起重機參數的控制上，施工人員可以參考表1 所示的繩索系統(tǒng)參數進行配置。在此基礎上，前期的施工檢查需針對繩索系統(tǒng)的抗滑安全系數進行分析，確保安全系數控制在2.0～3.0 之間，配合雙地錨固、臥式地錨固等方式進行加固，并且做好鎖扣的預埋工作。

表1 纜索起重機參數配置參考

4.2 使用期間選擇適配的起重設施

纜索起重機按照適用范圍的不同，可以分為固定式纜索起重機、擺塔式纜索起重機等，因此，為了優(yōu)化纜索起重機在橋梁工程施工中的應用效果，施工單位應根據現場實際情況，選擇適配的起重機設施。以洣水河大橋施工為例，該施工案例中纜索起重機的選擇嚴格參考施工現場的地貌地形、河流及地質條件等因素，具體的根據為：該橋梁工程跨越大于500m 的距離，相對高差最高達到230m，很顯然，常規(guī)的便道施工無法解決橋梁工程施工的物流問題。對此，施工單位采用雙弧動式纜索起重機，將主副兩車配置在兩端圓心的軌道之上，兩段長度不同的弧形軌道能夠覆蓋整個施工場地，且能夠應對相對高差對起重機運行造成的影響。此外，其他機型的纜索起重機有其相應的適用范圍，施工單位應當根據橋梁工程施工的實際情況妥善選擇。如：索軌式起重機的覆蓋范圍類似狹長梯形，適用于在較為平直的橋梁施工中進行作業(yè)；輻射式起重機的一般額定起重量能夠達到9.5t 以上，跨區(qū)更能達到300m 之長，適用于大跨度的橋梁工程施工。

4.3 落實運行前檢查工作

纜索起重機在實際應用之前，施工單位需做好對起重機設施的質量檢查工作，確保設備能夠正式應用到工作中。需著重檢查的指標有：針對主索垂度進行檢查，設備承載索垂度的變化不應高于5%，其余主索垂度變化按照設計規(guī)格而定；針對塔架垂直度偏差進行檢查，可接受的最大偏差角度變化幅度為0.05%，位移幅度為0.0025%，超出界定值則起重機不可應用于實際施工；針對起重機主要受力部件進行檢查，重點關注受力構件是否出現開裂、位移等現象，檢查方法可以采用外觀檢查或紅油漆法；針對鋼絲繩的規(guī)格與性能進行檢查，一般而言，起重機械鋼絲繩的直徑不應小于30mm，在吊裝期間鋼絲繩直徑參數變化幅度不應大于7%，并且嚴格避免鋼絲繩斷股變形等現象；針對起重機械滑輪的磨損情況進行檢查，槽底直徑的磨損量不應超出鋼絲繩直徑的50%。確保所有檢測指標均合格之后，纜索起重機才能夠正式應用于橋梁施工中。

4.4 做好纜索起重機的試運行工作

纜索起重機的試運行能夠有效排除起重設施在運行過程中的隱患問題，而試運行工作需要抓住以下工作要點：首先，完成纜索起重機設施的安裝之后，施工人員需要嚴格按照施工規(guī)范調整塔架纜風索，確保塔架的傾角符合設計標準（一般以30～70°為宜），并采用空車索道運行的方式試運行多個回合，檢查起重機系統(tǒng)的運行情況。其次，試運行工作需要分多次進行，如：按照設計吊重的50%、90% 以及110%，或者70%、110%以及130%進行試驗，從中觀察起重機往返運行、靜載的實際情況，如達到設計要求，便可正式將纜索起重機應用于橋梁工程。

5 結語

總體而言，纜索起重機的設計與應用是橋梁工程施工中的兩項重要環(huán)節(jié)，通過采用精密的計算方式測算纜索起重機各結構設施是否設計合理，來保障纜索起重機的安全性能和穩(wěn)定性能。同時，施工單位及技術部門需繼續(xù)研究纜索起重機的設計與實際施工的要求之間的適配性，通過采用完善的施工技術方案來指導纜索起重機的施工設計，才能夠充分發(fā)揮出纜索起重機在橋梁工程中的實際作用。