山区大跨径悬索桥施工缆索吊机总体设计

常 文，朱东生，刘德敬，梁进达，李庆达，邱大彦

(1. 云南龙江特大桥建设指挥部，云南 腾冲 679100；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 3. 中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

山区大跨径悬索桥施工缆索吊机总体设计

常 文1，朱东生2，刘德敬1，梁进达3，李庆达1，邱大彦1

(1. 云南龙江特大桥建设指挥部，云南 腾冲 679100；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 3. 中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

通过介绍悬索桥施工缆索吊机的特点，并结合龙江桥千米级大吨位缆索吊机的设计，论证了悬索桥施工缆索吊机主索、塔顶塔架、支索器、主索锚固形式等主要构件或构造的设计要点及常用形式。其研究成果对悬索桥施工缆索吊机的设计具有参考价值。

桥梁工程；悬索桥；缆索吊机；设计

0 引 言

随着西部山区高等级公路的建设，大跨径悬索桥数量愈来愈多。山区大跨径悬索桥与沿海地区或大江大河上的大跨径悬索桥相比，在设计或建造技术上有许多不同，例如加劲梁的架设技术就有很大的差别。

在通航条件良好、能够行驶大吨位船舶的江河或海面上架设悬索桥加劲梁时，一般可选择平坦开阔的场地制造加劲梁，之后利用大吨位船舶将制造好的加劲梁节段运送到桥位处欲安装位置的正下方，再利用缆载吊机垂直起吊安装。不具备良好通航条件的山区悬索桥则很难利用该方法施工，其原因主要是加劲梁节段不仅重量大，一个节段的重量通常超过100 t，而且尺寸庞大，其平面尺寸在十多米到数十米之间；如此庞大的加劲梁很难通过陆路运输，更难运送至欲安装位置的正下方。所以山区悬索桥一般需要在桥位附近设置加劲梁制造厂，避免大节段加劲梁的陆路运输，同时还需解决加劲梁在桥位处的运输安装问题。

针对山区悬索桥加劲梁安装存在的困难，桥梁建设者们在工程中研究实践了不同的安装方法。如贵州坝陵河大桥的加劲梁采用钢桁加劲梁，加劲钢桁梁采用桥面吊机悬臂拼装架设法；湖南矮寨大桥也采用钢桁加劲梁，其加劲梁架设则采用了轨索滑移法。从架设速度和经济效益方面综合衡量，缆索吊机安装是山区悬索桥加劲梁安装的一种适宜方法。

缆索吊机对环境的适应性强，起吊能力大，不仅能垂直起吊，还能水平长距离快速运输，可进行加劲梁梁段的整体吊装，施工速度快，是桥梁和水电大坝施工中经常使用的设备[1]。缆索吊机在桥梁工程中主要用于拱桥的预制安装施工，国内现代悬索桥施工中最早采用缆索吊机进行加劲梁安装施工的是重庆丰都长江大桥(450 m)和重庆鹅公岩大桥(600 m)[2]，之后重庆忠县长江大桥(460 m)、西藏角笼坝大桥(357 m)、重庆万州长江二桥(580 m)、贵州北盘江大桥(636 m)、湖北沪蓉西四渡河大桥(900 m)等均采用缆索吊机进行加劲梁的安装施工[3-4]。

悬索桥施工中使用的缆索吊机和拱桥施工中使用的缆索吊机有相同之处，也有一定的差异，特别是构造方面。结合国内外首座千米级大吨位缆索吊机——龙江特大桥施工缆索吊机的设计，研究了悬索桥施工缆索吊机的总体布置及构造设计问题。

1 悬索桥施工中缆索吊机塔架设计

拱桥施工缆索吊机多数都需要索塔和扣塔，在地势比较平坦的地区，随着桥梁跨径的增大，索塔的高度迅速增大，导致施工风险和缆索吊机成本的增大[5-6]。而悬索桥施工缆索吊机不需要扣塔，一般也不需要独立的索塔，通常可在悬索桥主索塔上设置高度较小的塔架来支撑缆索吊机主索。这不仅避免了高索塔设置和索塔缆风，也大大降低了施工风险和成本。

在悬索桥施工缆索吊机塔顶塔架的设计中，需要考虑塔架的几何尺寸和结构形式。确定悬索桥施工缆索吊机塔顶塔架高度时，不仅要考虑缆索吊机主索工作时的垂跨比，还需保证缆索吊机工作时主索与起重索、牵引索以及悬索桥主塔之间互不干扰[7]。

为避免缆索吊机主索与悬索桥主缆、猫道及桥面之间的干扰，缆索吊机主索工作时必须与悬索桥桥面之间保持一定的距离，该距离与吊具尺寸、期望的安全距离等有关。当主索的允许最低高度及期望的垂跨比确定后，塔架的高度也可基本确定。

计算表明起吊相同重量时，主索工作时的垂跨比越大，主索的受力越小，因此仅从有利于主索受力角度考虑，主索的垂跨比越大越好。增加塔架高度虽然可以增大主索的垂跨比，改善主索受力，但塔架高度增加对塔架受力不利，而且悬索桥施工缆索吊机的跨径一般较大，塔架高度的有限增加对垂跨比的影响也有限。所以一般情况下，通过增加塔架高度来增大主索垂跨比并不一定合理。

以龙江桥为例，其塔顶塔架高度为5.5 m，主索工作时的最大垂度为95 m，缆索吊机跨径为1 196 m，缆索吊机工作时的垂跨比为1/12.59，若其他条件不变，仅将塔架高度增加5 m，假定主索工作时的最大垂度也增加5 m，则缆索吊机工作时的垂跨比为1/11.96。由于主索的垂度增大了约5%，主索的水平力也减小约5%，但主索张力减小不到5%。由于缆索吊机塔架不仅受竖向力，还有较大的水平力，塔架高度增大后，虽然主索受力略有减小，但对塔架受力则极为不利。因此一般不宜通过增大塔架高度来增大主索垂跨比。

在塔架设计中，还需要考虑的因素就是主索的曲率以及避免主索与主塔之间相互干扰。为减小主索作用在塔顶的水平力，主索在塔顶一般通过滑轮索鞍支撑。滑轮的直径一般不会太大，若顺桥方向只设置一排滑轮，则主索的曲率会很大，进而引起主索过大的弯曲应力，这对主索受力很不利。在不增加索鞍滑轮直径的情况下，可沿顺桥向设置多组滑轮以减小主索的弯曲应力。图1和图2分别是龙江桥和北盘江桥缆索吊机塔顶滑轮索鞍的布置形式。当塔架顺桥方向尺寸较小，且塔架高度较小时，应注意防止缆索吊机起吊时主索与主塔边缘是否会发生接触。塔架上除设置主索的支承滑轮外，还需考虑起重索和牵引索的支承，并注意防止3种索之间的相互干扰。

图1 北盘江桥缆索吊机塔架布置示意(单位：cm)Fig.1 The cable crane tower support layout diagram,Beipanjiang bridge

图2 龙江桥缆索吊机塔架示意(单位：cm)Fig.2 The cable crane tower diagram of Longjiang bridge

塔架一般采用钢桁架结构形式，杆件可以采用型钢或钢管。如果采用钢管，为增加钢管的稳定性，可考虑钢管内灌注混凝土。

2 主索布置

悬索桥施工缆索吊机一般需要设置两组主索，两组主索的横桥向间距可以比悬索桥主缆的间距大，也可以比悬索桥主缆的横向间距小。图3是重庆鹅公岩桥缆索吊机主索横向布置示意。图4是龙江桥缆索吊机主索的横向布置形式。影响两组主索横向间距的主要因素是加劲梁的吊运方式。如果加劲梁吊运过程中不经过已架设到位的梁段下方，即加劲梁从两岸两端分别向跨中方向依次吊运时，缆索吊机两组主索一般布置在主缆内侧，当然也可布置在主缆的外侧。缆索吊机主索布置在悬索桥主缆外侧时，不仅需要设置大尺寸的吊具，支承主索的塔架也需通过塔顶强大的预埋件来支撑在塔壁外侧，因此缆索吊机主索一般布置在主缆内侧。若吊运过程中加劲梁需要通过已架设梁段的下方时，则缆索吊机两组主索必须布置在悬索桥主缆的外侧。

图3 鹅公岩桥缆索吊机主索横向布置示意Fig.3 Cable crane main line horizontal layout, Egongyan bridge

图4 龙江桥缆索吊机主索横向布置(单位：mm)Fig.4 The transverse layout of main cable of cable crane, Longjiang bridge

缆索吊机每组主索通常由多根钢丝绳组成，如鹅公岩桥和四渡河桥的缆索吊机每组主索均由8根Φ56的钢丝绳组成，北盘江桥每组主索由12根Φ52钢丝绳组成，龙江桥选择了10根Φ60的钢丝绳组成。多根钢丝绳形成一组主索时，为避免各根主索垂度不一致导致的受力不均，常将各根主索串联。如四渡河桥将8根主索在锚固位置通过滑轮串联，北盘江桥则将12根主索分为两组，每组6根之间串联。各根主索串联虽然有利于主索垂度的调平，但其安全隐患也不容小视。当一根主索出现问题时，可能会导致整个系统的崩溃。因此龙江桥采用了先串联安装主索，安装完成后之后每两根主索并联锁定锚固。这种先串联后并联的方式不仅有利于多根主索的调平，也增加了缆索吊系统的安全性。

缆索吊机主索最大吊重下的垂跨比一般介于1/10～1/15之间[8]，如四渡河桥缆索吊机的空索垂跨比为1/15，重载垂跨比为l/12，北盘江桥缆索吊机的空索垂跨比为1/26，重载垂跨比为l/15。龙江桥缆索吊机安装时的垂跨比为空索垂跨比为1/20，重载垂跨比为l/12.6。

主索应力验算应进行3方面的验算：①验算由于主索张力引起的拉应力;②验算起重小车在主索上行走时引起的接触应力;③主索的弯曲应力。3种情况下的安全系数并不相同，拉应力的安全系数一般介于3.0～3.5之间，此安全系数不宜过大，对于大跨径缆索吊机，由于恒载(缆索系统自重)所占比重较大，且这部分重量相对较为稳定，因此大跨径缆索吊机的拉应力安全系数更宜取小值。接触应力和弯曲应力的安全系数一般大于2。

3 支索器设计

大跨径悬索桥为减小牵引索运行阻力，避免不同索之间的相互缠绕，解决配重占吊重比例大的问题，应设置支索器。支索器托辊所用材料不应对起重索和牵引索产生非正常的磨损。易损坏的部件应方便维护和更换。支索器的间距应结合多种因素考虑确定。龙江桥施工缆索吊机原方案中支索器采用等间距布置，间距为46 m，起重小车两侧各布置25个。考虑到主索的线形为悬链线，在桥塔附近起重索和牵引索可以下垂大一些，对整个系统的运行不会有影响。因此方案优化后的支索器采用纵向不等间距布置，从跨中起重小车向索塔方向布置间距逐渐增大，支索器的间距分别为：(15×46+3×50+65+ 80+90)m，起重小车两侧各布置21个。调整后的方案既减少了支索器数量，同时仍保持跨中区域支索器定位绳下垂高度不变。

4 主索锚固方式

拱桥施工缆索吊机的主索一般需要独立的地锚，随着起吊重量的增加，地锚工程量也增大。而悬索桥施工缆索吊机的主索可以利用悬索桥主缆地锚来锚固，不仅减小了费用，还增加了安全性。缆索吊机主索在悬索桥锚碇结构上的锚固位置，应结合锚碇结构特点进行考虑，但需避免主索和猫道、主缆之间的相互交叉影响，且方便主索架设施工。

如果悬索桥为重力式锚碇，主索可锚固在散索鞍支墩上，或者锚固在锚块上。如果悬索桥主缆为隧道锚或者岩锚，为减少施工投入，可在锚碇结构设计时，预先考虑缆索吊机主索的锚固空间要求和受力要求。四渡河桥缆索吊机主索一端锚固在主桥隧道锚上方的岩体中，采用岩锚锚索形式，另一端锚固在重力式锚锭上方。鹅公岩桥主桥的地锚一端为重力锚，一端为隧道锚，其缆索吊机主索地锚为单独的锚固系统，为设在两岸的钢筋混凝土地锚，尺寸为(5.5×3.5×2.5)m，地锚嵌入完整砂岩1.5 m以上，为了增加地锚的抗倾、抗剪能力，又在地锚尾部增设两根φ1 m，深3.5 m的挖孔桩。

龙江桥主桥地锚为重力式锚锭，缆索吊机主索锚固在散索鞍支墩上，在锚碇散索鞍支墩埋设钢板带，在支墩前斜面安装锚固滑轮，形成主索锚固系统。图5为龙江桥缆索吊机主索串联改并联的锚固示意。

图5 调整后主索串联改并联锁紧锚固示意Fig.5 Main cable anchoring changed from serial to parallel layout diagram

5 结 语

笔者通过总结国内主要的几座悬索桥缆索吊机的设计特点，并结合龙江桥千米级大吨位缆索吊机的设计，研究了悬索桥施工中缆索吊机的设计要点。重点分析了缆索吊机塔架设计中应考虑的问题及塔架高度的选择、缆索吊机主索的横向布置及垂跨比的选择、同一组主索各根钢丝绳的连接方式、主索的锚固方式、支索器的布置等问题，给出了不同问题的不同解决方案。其研究结果对悬索桥施工缆索吊机的设计具有较大的参考价值。

[1] 严自勉，顾斯照.缆索起重机[M].北京：中国电力出版社,2010. YAN Zimian, GU Sizhao.CableCrane[M].Beijing:China Electric Power Press,2010.

[2] 杨寿忠.重庆鹅公岩悬索桥主梁索道吊装方案设计[J].市政技术，2005,23(5):285-287. YANG Shouzhong. The conceptional design of main girder erection by cableway for Egongyan suspension bridge in Chongqing[J].MunicipalTechnology,2005,23(5):285-287.

[3] 李德钦，包建武，鲜正洪,等.900m大跨径缆索吊验算及荷载试验[J].公路与汽运,2009(1):131-134. LI Deqin，BAO Jianwu，XIAN Zhenghong. Long-span of 900 meters cable hoisting system calculation and load test[J].RoadsandTrucks,2009(1):131-134.

[4] 郭吉平.北盘江大桥缆吊系统及钢桁梁安装关键技术[J].世界桥梁,2011(6):22-25. GUO Jiping. The key technologies of steel truss beam installation and cable crane system of beipangjiang bridge[J].WorldBridges,2011(6):22-25.

[5] 彭成明，陈富强，陈鸣.宁波明州大桥400 t缆索吊机设计与施工[J].中外公路,2011,31(5):167-170. PENG Chengming，CHEN Fuqiang,CHEN Ming. The 400 t cable crane design and construction of Mingzhou bridge in Ningbo[J].JournalofChina&ForeignHighway,2011,31(5):167-170.

[6] 李宝东.缆索吊的设计安装及使用[J].公路,2005(10):73-77. LI Baodong. The design and use of the cable hoisting system[J].Highway,2005(10):73-77.

[7] 冉贸学,许红胜.山区大跨悬索桥施工缆索吊机的设计要点[J].中外公路,2009,29(4):101-104. RAN Maoxue, XU Hongsheng.The cable crane’s key points of construction of long-span suspension bridge in mountain[J].JournalofChina&ForeignHighway,2009,29(4):101-104.

[8] 许红胜，颜东煌，冉贸学.桥梁施工缆索吊机承载索的设计研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(5):837-839. XU Hongsheng, YAN Donghuang, RAN Maoxue. Design of load-bearing cable of cable crane used in large-span bridge construction [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2009,28(5):837-839.

The System Design of Cable Cranes Applied in Erection of Long-span Suspension Bridge in Mountainous Region

CHANG Wen1, ZHU Dongsheng2, LIU Dejing1, LIANG Jingda3, LI Qingda1, QIU Dayan1

(1. Yunnan Longjiang Bridge Construction Headquarters,Tengchong 679100,Yunnan,P.R.China; 2. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China; 3. CCCC Second Highway Engineering Co., Ltd.,Xi’an 710065,Shaanxi,P.R.China)

The salient features of the cable crane for suspension bridge erection were introduced and in combination with the design of cable crane with thousand-meter scale and large tonnage capacity for Longjiang River Bridge design key points and common forms for such major components or configurations as cable crane,tower support on top of bridge tower, cable support, anchorages of main cables were addressed.The results of analysis can be reference to the cable crane design for suspension bridges erection.

bridge engineering;suspension bridge;the cable crane;design

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.04

2015-09-15；

2015-10-11

交通运输部西部交通建设科技项目(2009318000006)

常 文(1961—)，男，云南腾冲人，高级工程师，主要从事公路桥梁技术方面的研究。E-mail:397238898@qq.com。

U445.3

A

1674-0696(2016)05-013-04