新建南广铁路西江特大桥4 200 kN横移式缆索吊机设计

王令侠

(中铁大桥局股份有限公司，武汉 430050)

新建南广铁路西江特大桥4 200 kN横移式缆索吊机设计

王令侠

(中铁大桥局股份有限公司，武汉 430050)

新建南广铁路西江特大桥为跨度450m的中承式钢箱提篮推力式拱桥。为吊装其钢梁节段，需要研究技术可靠、经济合理的大吨位缆索吊机设计方案。结合既有经验，根据本桥吊重大、地形地质条件差等特点，研究确定了总集中荷载为4 200 kN的横移式缆索吊机总体方案，针对性地进行索鞍、缆塔、风缆、锚碇等各分项的设计。计算及应用表明，该种横移式缆索吊机技术上完全可行，经济优势突出。

铁路桥梁;横移式缆索吊机;设计

1 工程概况

西江特大桥是新建南广铁路的标志性和控制性工程。大桥全长618.3m，主跨为450m的中承式钢箱提篮拱桥，拱肋内倾角为4.8°。全桥共设4个推力式拱座，拱座处拱肋横向中心距为34.0m，拱顶处为15.17 m。上、下游拱肋节段间共设置18组横撑，其中桥面系以上12组，为“一”字形钢箱截面。桥面系跨度布置为(41.2+486+49.1)m钢纵横梁与钢筋混凝土桥面板结合梁+32m预应力混凝土简支箱梁。其中钢纵横梁是由主纵梁、横梁、次纵梁组成的格子梁体系。主纵梁为箱形截面，横向中心距为20m。西江特大桥桥式布置见图1。

主桥拱肋的总体施工方案采用无支架扣挂法，即从两岸向跨中分节段悬臂拼装，跨中合龙。拱肋、横撑、桥面钢纵横梁等分节段在工厂制造完成后，通过西江航道运输至桥位，利用起重船和缆索吊机起吊安装。

2 缆索吊机总体设计

2.1 纵桥向工作覆盖范围及跨度的确定

图1 桥式布置(单位:m)

桥面钢纵横梁总长达576.3m。缆索吊机若要将所有节段直接吊装到位，其跨度需要600m以上。为此在两岸边跨各设置1座滑移支架。拱肋以外桥面钢纵横梁节段沿滑移支架拖拉滑移至设计位置。这样，缆索吊机纵桥向工作范围可缩小为两岸拱座之间的区域。

为了减少工程量，采用缆塔与扣塔合建、缆塔铰接于扣塔顶部的方案，同时利用拱座作为塔架基础。因此，缆索吊机主跨度根据两岸拱座距离确定为476m，两岸边跨根据锚碇位置的不同分别为202～225m。缆索吊机总体布置见图2。

图2 缆索吊机总体布置(单位:m)

每个拱座开始的前4个节段和对应的横撑位于缆索吊机的非正常工作区［1］(又称盲区)，另采用起重船吊装。这不仅可以解决盲区的吊装问题，而且可以在缆索吊机安装完成之前，先行吊装，以加快工期。其余的拱肋节段(共70个)、横撑(共14道)和桥面钢纵横梁节段(共37个)均采用缆索吊机起吊安装。非正常工作区范围由吊放边跨桥面钢纵横梁节段的工况控制，两岸均不应大于30m。

2.2 横桥向工作覆盖范围及横移方式的确定

缆索吊机的横桥向工作范围以提篮拱肋第5个节段的横桥向吊装位置控制，即从桥梁中心线起±13m以内。参考类似工程的施工经验［2－8］，结合本桥节段重、空间位置复杂等特点，采用承重索横移［6］的方式覆盖横桥向工作范围，即在缆塔顶设横向滑道，索鞍沿滑道横移从而带动承重横移。

起吊拱肋节段时，2组承重索同时横移到上游或下游并相互靠拢，搭配扁担梁抬吊;起吊桥面钢纵横梁节段时，2组承重索沿桥梁中心线分开对称布置，直接起吊。综合考虑横桥向工作范围及承重索布置宽度后，承重索横移范围确定为±16.5 m。横移吊装示意见图3。

图3 横移吊装示意(单位:m)

由于现场地形复杂、地质条件很差，为减小锚碇设计难度，承重索下端不随中跨同时横移，而是在锚碇上固定。虽然这种横移方式会对塔架产生横桥向水平荷载，但计算表明，此荷载最大仅为800 kN，为验算最大横向风荷载总和的22%左右，并不控制塔架的设计。

2.3 额定吊重、承重索垂度及塔高

缆索吊机吊装的拱肋节段最大吊重为2 370 kN，横撑最大吊重2 440 kN，桥面钢纵横梁节段最大吊重3 600 kN。缆索吊机总额定净吊重为3 600 kN，天车、吊具及起重索等总重600 kN，最大集中荷载4 200 kN。

根据相关工程经验，对缆索吊机的起吊高度、承重索索力、天车起吊盲区等因素［8］进行综合考虑后，确定在跨中起升吊重时，承重索跨中垂度为f=L/12=40m。

拱座顶面至拱肋顶面高110 m，天车及起重索最小高度10m，吊具及吊装带高度10m，塔架总高应大于110m+10m+10m+40m=170m。考虑一定安全高度后，塔架总高度最终确定为173m，其中扣塔高146 m，缆塔高27m。

缆索吊机总体参数见表1。

表1 缆索吊机总体参数

3 缆索吊机分项设计

3.1 天车

考虑起吊偏载，缆索吊机共设4台额定吊重为1 000 kN的天车。每组承重索上布置2台，纵向距离根据吊装节段的长度定为8m，2台天车之间以联车绳连接。天车由车架、走行轮、起重滑轮组以及牵引滑轮组组成。走行轮采用尼龙车轮，以减少对承重索表面钢丝的磨损并减轻天车自重［1］。

3.2 承重索

承重索计算荷载包括自重荷载、吊重荷载、起升动荷载、温度荷载等。计算中不考虑承重索与索鞍间的摩擦，按3跨连续柔性索，根据抛物线理论进行计算。天车自重及吊重荷载简化为1个集中荷载。各工况下承重索的主跨度不变，边跨度则随横移位置的变化而变化。经计算确定，承重索采用2×12φ60mm(6×37S+IWR)钢芯钢丝绳，承重索最大张力为690 kN，安全系数为3.5。

计算表明，横移之后，同组2根承重索垂度差最大达0.313 m，索力差最大达40%，天车倾斜最大达10.1°。为确保吊装安全，须先将各根承重索垂度重新调整一致后，才可进行吊装。为此在每根承重索与锚碇之间均串联1套800 kN滑车组，便于快速调整承重索垂度。

3.3 天车牵引、起重系统

每台天车配1根起重索，采用φ32(6×37S+FC)钢丝绳走10。2组承重索两个方向共设4根牵引索，采用φ34(6×37S+FC)钢丝绳走4。200 kN牵引卷扬机、150 kN起重卷扬机均设于锚碇处。图4为1组承重索的天车牵引、起重系统布置图。左、右两组承重索的牵引、起重系统完全相同。

图4 牵引、起重系统布置

3.4 索鞍

由于承重索、牵引索、起重索横移后在索鞍处除了竖向的转角外，还有横向的转角(最大为8.5°)。索鞍除布置常规的竖向转向轮外，另在靠边跨侧设置1组斜向转向轮。由于横向转角较小，工作循环次数较少，空间要求紧凑，钢丝绳弯曲比可适当降低［9］，故斜向转向轮采用相对较小的直径。

3.5 横移牵引系统

承重索及索鞍由缆塔顶设置的牵引系统牵引横移。牵引系统沿缆塔顶2条滑道上各布置1组。计算表明，吊机空载横移时，缆索对单个索鞍的最大横向荷载为470 kN，对应的竖向荷载为－2 270 kN。斜向转向滑轮布置在靠边跨的滑道上，故缆索的横向荷载只由一组牵引系统承担，另一组牵引只需克服一半竖向荷载产生的摩擦力。假设索鞍与缆塔顶滑道摩擦系数为0.1，靠边跨侧牵引系统牵引力为470+1/2×0.1×2 270=584 kN，配50 kN卷扬机+φ26钢丝绳走12牵引。靠跨中侧牵引系统牵引力为1/2×0.1×2 270=114 kN，配20 kN牵引卷扬机+φ26钢丝绳走12。

横移时一座缆塔顶上的2个索鞍分别进行，一个索鞍横移到位后，先在滑道上固定，再利用2个索鞍之间的牵引系统，以固定的索鞍作为反力点，牵引另一个索鞍横移到位。

3.6 缆塔

由于2组缆索对缆塔的最大竖向荷载约2×5 000 kN。当横移至缆塔中部进行吊装作业时，缆塔横梁会承受巨大的竖向弯矩。缆索的水平荷载还会使横梁承受水平弯矩和扭矩，使其处于复杂的双向弯扭状态。因此在通常的门式框架结构形式［10］基础上，缆塔内部增加人字形斜撑，以减小横梁跨度和弯矩并增强缆塔承受横向荷载的能力。同时横梁做成桁架式结构，以增大双向抗弯能力。横梁顶部设2道滑道，便于索鞍横移。最终采用的缆塔结构如图5所示。

图5 缆塔立面布置(单位:m)

3.7 风缆

风缆的作用是保证铰接缆塔的稳定，并通过前、后风缆索力的减小、增大产生的反向水平荷载来平衡缆索对塔顶的纵桥向水平荷载。风缆的配置以控制缆塔顶的偏位不超过缆塔高度的1/200为原则。经计算，风缆配置如下:两岸缆塔间以2－8φ39(6×37S+FC)钢丝绳通风缆相连，缆塔后方以72φs15.2钢绞线后风缆连于后方锚碇。为了减小承重索移动到缆塔中部时，缆索纵桥向水平荷载在缆塔顶横梁上产生的水平弯矩，后风缆除在横梁两侧各集中布置24φs15.2钢绞线外，其余24φs15.2钢绞线在横梁中部均匀布置，形成多点弹性支承。风缆平面布置如图6所示。

3.8 锚碇

锚碇将承重索、后风缆的拉力传递给山体，是缆索吊机的生命线。本缆索吊机一岸上、下游共需2座锚碇，布置于两岸山坡上。单座锚碇承受的缆索总荷载达13 000 kN。而桥址处两岸地形、地质条件极差:两岸地形陡峭，坡度在35°～55°，施工场地狭小;锚碇区域正好位于3条断层的相交地带，岩层破碎、裂隙发育;覆盖层很厚，全风化层厚度大约为5m，强风化层厚度约10m，强风化和中风化界限深度在8～10m，中风化和微风化界限在45～60m。因此锚碇的设计是本缆索吊机的重点和难点。

图6 风缆平面布置

方案比选研究表明，预应力岩锚是最适应本缆索吊机锚碇受力大、地质地形条件差等不利条件的结构形式。它有以下优点:(1)锚碇锚索的预应力对松散的边坡起到了加固作用，有利于边坡整体的稳定［11］;(2)锚索的张拉过程，对其锚固段的承载能力起到了检验作用，可以确保锚碇受力的可靠性;(3)锚碇体体积小，可以最大限度地减少锚碇施工的挖方工程量。

根据受力计算，缆索吊机每个锚碇体采用21束斜向预应力锚索及12束竖向预应力锚索锚固在山体上。斜向预应力锚索采用压力分散型，单束配15根φs15.2钢绞线，预张拉力1 350 kN。竖向预应力锚索采用拉力型，单束配6根φs15.2钢绞线，预张拉力900 kN。锚索锚固段长度均为10 m，嵌入微风化岩层，自由段长度为30～60 m。预应力岩锚总体结构如图7所示。

图7 预应力岩锚总体结构示意(单位:m)

锚碇体采用实体混凝土结构，预应力锚索和固定锚固梁的精轧螺纹钢筋在锚碇体内交错锚固，可充分利用混凝土的受压能力来传递荷载。锚固梁为内填混凝土的大直径圆钢管，承重索及风缆连接钢丝绳均采用缠绕过锚固梁后上绳夹的方式锚固。锚碇体构造如图8所示。

4 应用效果

图8 锚碇体构造示意

本4 200 kN横移式缆索吊机已成功应用于新建南广铁路西江特大桥的施工，顺利完成了所有节段的吊装，效果良好。使用过程中吊机运行平稳可靠，各项性能符合设计及相关规范、标准要求。吊机横移系统操作简单、可靠。相比一般固定式缆索吊机增加的“横移并调整承重索垂度”的工序，可利用节段焊接、扣锚索挂设等工序进行时的吊装间隙进行，作业人员操作熟练后仅需半个工作日即可完成，不影响总体施工进度。而在经济性方面，经测算，本横移式缆索吊机造价比可完成相同功能的固定式缆索吊机降低40%左右。

5 结语

采用承重索在锚碇上固定，索鞍沿缆塔顶滑道横移带动承重索边跨扇形移动、承重索中跨平行移动的超大吊重横移式缆索吊机，技术上完全可行，经济性优势突出。南广铁路西江特大桥4 200 kN横移式缆索吊机的成功设计和使用，可作为今后类似大跨度桥梁施工中缆索吊机应用的参考。

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Design of 4 200 kN Transversely-movable Cable Crane for Xijiang River Super M ajor Bridge on New ly-built Nanning-Guangzhou Railway

WANG Ling-xia

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co．，Ltd．，Wuhan 430050，China)

The Xijiang River Bridge，which is a supermajor bridge on newly-built Nanning-Guangzhou Railway，belongs to a kind of X-style half-through arch bridgewith steel box and thrust force．For hoisting its steel girder segments，itwas necessary to study out a design scheme of large-tonnage cable crane with reliable technology and reasonable economy．Based on existing experience，according to this bridge's construction characteristics，such as heavy hoisting load，poor topographical and geological conditions and so on，a general design scheme of 4 200 kN transversely-movable cable cranewas determined after study．And then its component parts，including the cable saddles，towers，wind-cables，anchorage，were designed respectively．Calculation and application suggest that this kind of cable crane is technically feasible and has a remarkable economic advantage．

railway bridge;transversely-movable cable crane;design

U445.32

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．014

1004－2954(2014)03－0059－04

2013－07－11;

2013－08－25

王令侠(1983—)，男，工程师，一级注册结构工程师，2006年毕业于浙江大学土木工程专业，工学学士。