山區(qū)大跨徑懸索橋纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)研究

梁進(jìn)達(dá)+趙強(qiáng)+先正權(quán)

摘要：針對跨徑千米以上且加勁梁節(jié)段質(zhì)量超過150 t的大跨徑山區(qū)懸索橋，以云南龍江大橋?yàn)槔U述了大跨徑懸索橋纜索吊機(jī)主索、起重和牽引系統(tǒng)、索鞍、支索器的設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)材料的選用。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，該工程纜索吊的設(shè)計(jì)充分考慮了大跨度和大起重噸位的特點(diǎn)，采用智能化集成控制系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為今后類似的橋梁工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：山區(qū)；大跨徑；懸索橋；纜索吊機(jī)

中圖分類號：U448.25文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： For those suspension bridges in the mountains with a span of more than 1 000 meters and stiffening girder that weighs over 150 t， such as Longjiang Bridge in Yunnan Province， the design of principal cable， lifting and traction system， cable saddle and cable supporter of the cable crane was expounded， as well as the control system and selection of structural materials. The practice shows that the cable crane， which fully considers the characteristics of long span and large lifting tonnage and applies intelligent control system， is functioning steadily.

Key words： mountain area； long span； suspension bridge； cable crane

0引言

山區(qū)懸索橋加勁梁通常采用纜索吊機(jī)架設(shè)法，跨徑在千米以下的懸索橋應(yīng)用較多，目前該技術(shù)已比較成熟，但對于跨徑千米以上且加勁梁節(jié)段重量超過150 t的大跨徑山區(qū)懸索橋，因架設(shè)加勁梁的纜索吊機(jī)的跨徑、吊重均比以往工程有很大突破，纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)要充分考慮跨徑大、吊重大的特點(diǎn)[13]。本文以云南龍江大橋?yàn)槔?，簡要闡述大跨徑懸索橋纜索吊機(jī)的設(shè)計(jì)，為今后類似橋梁工程提供借鑒。

1工程概況

云南省保（山）騰（沖）高速公路龍江特大橋位于云南省西部，主橋采用320 m+1 196 m+320 m雙塔單跨鋼箱梁懸索橋方案，主纜矢跨比為1/10.5，2根主纜中心間距為255 m，吊索間距為12.4 m，是國內(nèi)山區(qū)最大跨徑的鋼箱梁懸索橋。主橋鋼箱梁采用不等邊風(fēng)嘴的單箱單室斷面，全寬33.5 m（含兩側(cè)各2.5 m的檢修道），高3.0 m，全橋鋼箱梁共分97個梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長12.4 m，重153.4 t。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

懸索橋加勁梁預(yù)拼節(jié)段架設(shè)施工的關(guān)鍵問題是梁段的運(yùn)送和提升。龍江大橋?yàn)樯絽^(qū)跨峽谷懸索橋，谷底距離橋面高度約280 m，谷口寬度約1 100 m，橋軸縱斷面岸坡坡度一般為30°～60°，主橋鋼箱梁無法采用陸運(yùn)或水運(yùn)到達(dá)安裝位置下方，且不能采用直接垂直起吊的安裝方案。根據(jù)橋址的地形條件和懸索橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本橋鋼箱加勁梁采用纜索吊機(jī)架設(shè)安裝方案。

2纜索吊機(jī)總體設(shè)計(jì)

懸索橋加勁梁吊裝的纜索吊機(jī)具有一個最大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，就是利用主橋索塔、錨碇作為纜索吊的塔架和主索地錨[46]。龍江大橋纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)也是基于這一原則，纜索吊主索跨徑組合為310 m+1 196 m+310 m，索鞍布置于索塔上橫梁頂面，主索分別錨固在兩岸主橋錨碇散索鞍支墩上，左、右幅各設(shè)置1套起吊系統(tǒng)，中跨主索左右幅中心間距為16.2 m，邊跨主索錨固點(diǎn)中心間距為25.5 m，起重卷揚(yáng)機(jī)及牽引卷揚(yáng)機(jī)布置于兩岸塔錨間引道上。纜索吊總體布置如圖2所示。

2.1纜索吊主索設(shè)計(jì)

纜索吊左右幅各布置1組主索，每組主索由10根Φ60 mm鋼絲繩組成。利用主橋兩岸的錨碇作為纜索吊主索錨碇，在兩岸錨碇左右幅的散索鞍支墩上分別埋設(shè)主索錨固預(yù)埋件[78]。為了保證每根主索受力均勻，方便調(diào)整主索線形，在主索錨固端設(shè)置滑輪組，將單組10根主索串聯(lián)在一起，待主索線形調(diào)整完成且各根主索受力達(dá)到平衡時，經(jīng)過載荷試吊檢驗(yàn)后，再將10根主索進(jìn)行兩兩鎖緊，將主索由串聯(lián)轉(zhuǎn)換為平聯(lián)。主索鋼絲繩繞線方式如圖3所示。

2.2纜索吊起重和牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜索吊對應(yīng)于左右幅主索各設(shè)置1套起重小車，起重索采用Φ36 mm鋼絲繩走8線，牽引索采用Φ42 mm鋼絲繩走3線，起重采用25 t卷揚(yáng)機(jī)，牽引采用30 t卷揚(yáng)機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)分別布置于兩岸塔錨之間的引道上。纜索吊單側(cè)起重索、牽引索走線方式如圖4所示。

起重小車由跑車、上掛架及下掛架3部分組成。跑車輪組取四輪結(jié)構(gòu)，跑車輪直徑取600 mm，每臺跑車由40個輪組成，如圖5所示。

2.3纜索吊索鞍設(shè)計(jì)

由于纜索吊是采用主橋索塔作為塔架，而纜索吊在運(yùn)行過程中，主索在中跨、邊跨的水平力會不斷變化，中跨、邊跨主索的水平力差會對索塔產(chǎn)生較大的水平推力，對索塔受力不利，所以需要在索鞍頂部設(shè)置滑輪組，使主索可以自由滑動，從而起到平衡中跨、邊跨主索水平張力的作用。

在對應(yīng)于左右幅主索位置的索塔上橫梁頂面各布置1套索鞍，如圖6所示。索鞍的高度根據(jù)主索受力情況進(jìn)行確定，主要考慮纜索吊在跨中的吊裝高度應(yīng)滿足加勁梁架設(shè)的需要。纜索吊索鞍主要包括主索承載滑輪組、起重索導(dǎo)向滑輪組和牽引索導(dǎo)向滑輪組，這些輪組在纜索吊系統(tǒng)中不僅起到支撐主索的作用，同時起到起重索、牽引索的導(dǎo)向作用[910]。

2.4纜索吊支索器設(shè)計(jì)

在大跨度纜索吊中，首先要解決各功能索空中纏繞和空鉤自由下落的問題，因此設(shè)置支索器對牽引索、主索、起重索進(jìn)行有效的分層和限位，以提高纜索吊的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用安全性。

龍江特大橋纜索吊支索器設(shè)置于纜索吊機(jī)的跑車前后方，其結(jié)構(gòu)包括牽引索托輪組、起重索托輪組和行走輪組，各支索器之間采用1根鋼絲繩進(jìn)行定位。在纜索吊機(jī)運(yùn)行過程中，支索器依靠跑車頂推或牽拉進(jìn)行收放?？紤]到纜索吊維修的需要，支索器行走輪布設(shè)在中間6根主索上，預(yù)留外側(cè)2根主索用于檢修吊籠行走。纜索吊支索器的設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖7所示。

支索器的間距設(shè)置不合理同樣影響著纜索吊的運(yùn)行性能：支索器間距過小、數(shù)量過多，會增加纜索吊的自重，并且增加牽引索、起重索的摩阻力；間距過大，則可能起不到支托牽引索、起重索的作用，并且當(dāng)支索器收攏時，支索器定位繩自由下垂過大會造成定位繩掛靠已吊裝加勁梁的情況。因此，支索器的數(shù)量和間距設(shè)計(jì)，既要使支索器能起到其本身的作用，又不能影響纜索吊的運(yùn)行。龍江大橋支索器采用不等間距布置，從起重小車向索塔方向布置間距依次增大，分別為15×46 m、3×50 m、65 m、80 m、90 m，起重小車兩側(cè)各設(shè)21個支索器，為防止支索器收攏時定位繩扭轉(zhuǎn)相互纏繞，支索器定位索采用防扭轉(zhuǎn)鋼絲繩。支索器布置如圖8所示。

2.5纜索吊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜索吊的運(yùn)行主要是依靠起重、牽引卷揚(yáng)機(jī)來控制。對于跨度大、吊裝重量大的纜索吊，采用常規(guī)的目測觀察方法已經(jīng)難以保證吊裝系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而且通過對講機(jī)進(jìn)行人工指揮的來完成吊裝，對多臺卷揚(yáng)機(jī)的協(xié)同工作存在較大的命令執(zhí)行滯后性。

龍江大橋纜索吊采用信息化手段，利用成熟的工業(yè)自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，替代原有的人工操作、指揮和控制，開發(fā)出一套模塊化分布式卷揚(yáng)機(jī)智能化集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在每臺卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩出繩位置安裝傳感器，用于實(shí)時測算鋼絲繩的牽引力、出繩長度和速度；利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)將測試數(shù)據(jù)顯示在每臺卷揚(yáng)機(jī)操控臺和主控臺上；再利用計(jì)算機(jī)圖形化控制界面，將纜索吊的運(yùn)行狀態(tài)通過仿真畫面的形式顯示在主控臺屏幕上，實(shí)時反映纜索吊機(jī)跑車的移動位置、吊鉤升降高度以及每臺卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩的張力、出繩長度及速度等數(shù)據(jù)信息；通過顯示屏幕上的按鈕，可以實(shí)現(xiàn)各臺卷揚(yáng)機(jī)的調(diào)控。

通過智能化集成控制系統(tǒng)，可以實(shí)時了解和調(diào)控纜索吊的運(yùn)行狀態(tài)，確保纜索吊機(jī)各卷揚(yáng)機(jī)的同步性、可控性，提高施工效率和精度，有效保證施工安全。

2.6纜索吊結(jié)構(gòu)材料選用

龍江大橋纜索吊跨徑1 196 m，額定載重170 t，要在保證纜索吊結(jié)構(gòu)安全的前提下提高纜索吊結(jié)構(gòu)本身的性價比，降低纜索吊施工和使用過程對橋梁主體結(jié)構(gòu)的影響。為方便維修養(yǎng)護(hù)和以后重復(fù)使用，纜索吊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要采取的措施有以下幾點(diǎn)。

（1） 鋼絲繩。

在以往的工程中，纜索吊鋼絲繩基本上都采用油繩，而在施工過程中鋼絲繩維護(hù)工作量大，并且鋼絲繩潤滑油脂灑落容易對橋梁主體結(jié)構(gòu)造成較大的污染。龍江大橋纜索吊鋼絲繩全部采用了鍍鋅鋼芯鋼絲繩，起重索和牽引索采用表面浸油潤滑，這樣既可減少滑輪磨損，又避免了油脂灑落對橋梁結(jié)構(gòu)造成的污染。

（2） 滑輪結(jié)構(gòu)。

龍江大橋纜索吊跑車、支索器部分滑輪采用MC尼龍材料，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時大大減輕了結(jié)構(gòu)自重，在鋼絲繩材料不變的情況下提高了纜索吊載重能力。

3結(jié)語

龍江大橋?yàn)槟壳皣鴥?nèi)最大跨徑的山區(qū)鋼箱加勁梁懸索橋，鋼箱梁纜索吊機(jī)的跨度、吊裝重量均超過以往工程，纜索吊的設(shè)計(jì)已不能照搬以往的工程經(jīng)驗(yàn)，需要充分考慮大跨度、大起重噸位的特點(diǎn)。龍江大橋纜索吊機(jī)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用智能化集成控制系統(tǒng)，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，90 d順利完成了全橋97片鋼箱梁的吊裝施工任務(wù)，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，其成功經(jīng)驗(yàn)可為今后類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]許紅勝，顏東煌，冉貿(mào)學(xué).橋梁施工纜索吊機(jī)承載索的設(shè)計(jì)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，28（5）：837839.

[2]劉文燈，劉妍.山區(qū)大跨度懸索橋施工纜索吊機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn)，2008（5）：119121.

[3]曾森，馬新偉，陳少峰.懸索橋空纜吊點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法研究[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2015，15（5）：2633.

[4]王東輝.重慶菜園壩長江大橋4200kN纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008（9）：3337.

[5]宋偉俊.株洲石峰大橋700kN雙跨纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2001（5）：2224.

[6]李揚(yáng).CFRP纜索懸索橋的索夾設(shè)計(jì)計(jì)算方法[J].中國公路學(xué)報，2015，28（10）：6775.

[7]汪芳進(jìn)，王令俠，涂滿明.承重索邊跨扇形布置纜索吊機(jī)的橫移影響研究[J].世界橋梁，2013，41（5）：6771.

[8]董傳洲，馮仲仁.重慶巫山大寧河橋165 t纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)[J].交通科技，2013（1）：4245.

[9]許曉東，李泉.蘇拉馬都大橋橋面吊機(jī)的原理及應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2013，30（8）：7881.

[10]金倉.全液壓跨纜吊機(jī)的研制與應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2009，26（9）：2125.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]