悬拼拱架缆索吊装系统的设计与应用分析

刘 怡 肖凯东

(贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550000)



·桥梁·隧道·

悬拼拱架缆索吊装系统的设计与应用分析

刘 怡 肖凯东

(贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550000)

结合两河口大桥工程实例，介绍了悬拼拱架缆索吊装系统的总体设计方案，并从索塔系统、主索、起重索、牵引索、扣索索力等方面，阐述了缆索吊装系统的设计与计算方法，解决了山区特殊地形条件下桥梁的施工难题。

拱桥，缆索吊装系统，起重索，牵引索

贵州省属于典型山区地形，地形主要以高山、深切峡谷为主。拱桥由于其跨越能力大、施工相对简单、与峡谷环境协调性较好等优点，近年来大量拱桥被应用于西部桥梁建设的工程实践中。在施工过程中受建设场地地形的限制，难以应用常规安装方法，缆索吊装系统由于其自身特点，近年来被广泛应用于钢拱架结构吊装施工。

1 工程概况

两河口大桥位于贵州德印公路上，跨越深沟河谷，桥型布置为2×13 m钢筋混凝土空心板+70 m钢筋混凝土箱形拱桥。

2 缆索吊装系统总体设计

箱拱主拱圈采用现浇方案，支架采用20段×14片(7肋)单层贝雷梁拱架，贝雷梁用缆索吊装配套进行。吊装系统由主索、索鞍、跑车、起重滑车组、牵引索、卷扬机、锚锭等组成，索鞍设在索塔顶上。印江岸索塔设在0号桥台上，德江岸索塔设在4号桥台正上方，主索的设计跨度为109 m，设计工作垂度取f=L/17=6.41 m。

3 索塔系统设计

拱架自重220 t，采用10组(共70根)扣索分两岸对称扣挂，每岸5组扣索。印江岸第1，2组扣索越过0号桥台扣于桩锚上，第3，4，5组扣索通过索塔顶端的大索鞍扣于桩锚上；德江岸第1，2组扣索直接扣于2号桥墩盖梁上(盖梁后方设置后缆风绳)，第3，4，5组扣索通过索塔顶端的大索鞍扣于桩锚上。拱架最大扣挂长度为6 m，每组扣索为一个施工节段，两岸对称从拱脚向上拼装直至合龙。两岸索塔高度均为20 m，为增加塔架的承载力，索塔系统采用万能杆件铰结于基础上并组拼成桁架结构，索鞍设置在塔顶，用于放置承重索、起重索、牵引索等。

索塔结构计算采用MIDAS/Civil建立空间模型，采用梁单元模拟桥塔构件进行结构承载能力计算分析，模型共有节点5 924个，单元13 206个。计算中主要考虑索塔结构自重、缆索设备自重、吊重及起吊牵引等产生的荷载，同时考虑了背索安装后初张拉力对结构受力的影响(见图1)。

根据计算结果，索塔最大压应力为下部塔架根部的竖杆，为15.56 MPa；塔顶最不利荷载工况下最大纵向位移83.04 mm。各项计算结果表明索塔系统刚度和强度均能满足正常工作时的要求。

4 主索计算

主索拟采用2φ52(6×37+1)钢丝绳(公称抗拉强度取1 850 MPa)。承受的均布荷载包括主索、起重索和牵引索自重；集中荷载包括一次吊装6 m段拱架(含端头梯形钢桁架)的重量、滑车组自重、横担自重、下垂起重索自重等。

1)主索在均布荷载和集中荷载作用下的拉力：

水平拉力：H=39.209+703.386=742.595 kN。

竖向拉力：V=11.205+100.506=111.711 kN。

2)主索的安全系数：

单根主索的破断拉力总和为：

1 850MPa×1 003.8mm2×10-3=1 857.03kN。

换算系数取0.82，主索的总破断力：

Tn=2×1 857.03×0.82=3 045.529kN。

不考虑冲击荷载，主索的安全系数为：

K=Tn/T总=3 045.529/750.951=4.06>3～4(满足要求)。

5 起重索计算

起重索拟采用2φ21.5(6×37+1)钢丝绳(公称抗拉强度取1 700MPa)。起重索套绕于主索跑车组和导向滑车之间起吊构件重物用。

取起重一个吊点计算，起重索最大拉力与安全系数。

本吊装系统滑轮组工作线数n=4，滑轮组滑轮的转轮数m=3，转向滑轮数μ=5，可得轮轴工作系数K=3.07。取单根起重索做计算单元：

Tmax=Q/K=(201.012/2)/3.07=32.738kN(采用5t卷扬机)。

则：T破=174.27×1 700×10-3=296.259kN。

起重索最大拉力安全系数为：

K起=T破/Tmax=296.259/32.738=9.05>5～6(满足要求)。

6 牵引索计算

牵引索拟采用2φ21.5(6×37+1)钢丝绳(公称抗拉强度取1 700MPa)。跑车在主索上运行是依靠牵引索的牵引。牵引力一般由跑车运动阻力、起重索运动阻力和后牵引索自然松弛张力等三部分组成。

牵引索两岸定滑轮距离L=240m,查表可得牵引索每米重力q=1.982kg，牵引索所穿过滑车的效率取η=0.96，牵引索穿过滑车的数量n=2。

T引=W(2-ηn)=71.746×(2-0.962)=77.371 kN(采用8 t卷扬机)。

计算牵引索的安全系数：

K引=T破/T引=1 700×174.27×10-3÷77.371=3.83≥3～4(满足要求)。

7 扣索索力计算

索扣在桥墩盖梁上的，以盖梁中心点和扣索轴线与拱架截面形心的交点为结点，两结点之间为一单元，两岸各设置5组扣索。模型输出计算结果如表1所示。

表1 扣索最大索力计算表

对于同一组扣索，在不同的施工阶段中，索力值会相应发生变化。对于印江岸：第1组～2组扣索索力是先增大后减小；第3组扣索减小，第4组扣索增大。对于德江岸：所有扣索索力均随拼装节段的累加而增大。

单组扣索(7根)的索力，印江岸为155.19 kN～324.67 kN，德江岸为144.70 kN～302.67 kN。印江岸最大索力出现在拱脚第1段，德江岸最大索力出现在拱脚第2段，第3段。

初选单组扣索的规格为：7φ21.5(6×37+1)钢丝绳。

破断拉力为：

Tn=7×174.27×1 700×0.82×10-3=1 700.53 kN。

则扣索安全系数为：

K=Tn/T=1 700.53/324.67=5.24>3.5(满足要求)。

8 结语

通过对两河口大桥缆索吊装系统设计，可解决山区特殊地形条件下的施工难题，同时对提高施工效率、压缩工期、降低施工过程成本具有积极意义，为后期西部山区大跨径拱桥的使用积累了相关设计和施工经验，可进行广泛推广。

[1] 孙重光，贺晓红.公路施工材料手册[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 冉茂学，许红胜.山区大跨悬索桥施工缆索的设计要点[J].中外公路，2009(4)：101-103.

[3] 郑春玲，雷 霆.某钢管拱桥拱肋悬拼中的扣索计算[J].桥梁建设，2001(4)：92-93.

[4] 黄建跃.蔚林大桥贝雷钢桁拱架的设计与施工[J].中外公路，2003(4)：70-74.

On design and application of cantilever arch cable hoisting system

Liu Yi Xiao Kaidong

(Guizhou Expressway Group Co., Ltd, Guiyang 550000, China)

Combining with the engineering case of Lianghekou bridge, the paper introduces the general design scheme for the cantilever arch cable hoisting system, and illustrates its design and calculation methods from the cable tower system, main cable, hoisting cable, pulling cable, and fastening stay force, so as to solve the construction difficulties in bridges under special mountainous topographic conditions.

arch bridge, cable hoisting system, hoisting cable, pulling cable

1009-6825(2017)08-0149-02

2017-01-05

刘 怡(1983- )，男，硕士，高级工程师； 肖凯东(1987- )，男，硕士，工程师

U442.5

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