大跨径拱桥缆索吊机系统设计探讨

孙振海 韦建昌 韩玉 秦大燕

摘要：缆索吊机施工方法因跨越能力强、航道影响小且适应性强等众多优点成为大跨度CFST拱桥最具竞争力的施工方法，但随着拱桥跨度的进一步增大，超大跨度CFST拱桥应用缆索吊装施工方法时仍面临索跨大、吊装重、索塔稳定性差、环境复杂等难题。文章以平南三桥为工程背景，对承重索、起重索、牵引索以及横移索鞍系统进行设计，开发出具有大索跨、大吊重能力的缆索吊机系统，以适应超大跨径CFST拱桥钢管拱肋安装的需要。

关键词：拱桥;平南三桥;索鞍横移;集中控制系统;运行监控系统

0 引言

CFST拱桥依据所在地位置、地形、环境等条件，其钢管拱肋安装通常可采用有支架法和无支架法两种。有支架施工受桥址地型地质限制较大，且随着跨径的增大施工成本和施工风险越大。目前，大跨径拱桥施工多常采用无支架法施工。拱肋无支架施工技术又包括拱上悬臂吊机（挂篮）法、提升法、转体法、缆索吊机法以及其他方法。其中，缆索吊运施工方法因具有跨越能力大、对航道影响小、适应性强（既可以垂直起吊又可以水平纵向运输）、可周转使用等优势，已成为拱桥工程最具竞争力的施工方法。文献[1]调查表明跨径达200m以上的CFST拱桥绝大多数采用缆索吊机施工。

拱桥缆索吊机施工最先应用于双曲拱桥。1968年，广西、湖北创建了采用卷扬机、滑轮组、钢丝绳扣挂双曲拱桥拱肋、松索合龙悬拼施工方法后，首次在广西灵山三里江桥应用并取得良好的效果，此后采用该项技术修建了多座双曲拱桥和箱形拱桥[2]。1992年，广西“邕宁邕江大桥SRC拱桥设计与施工技术研究”课题组，经过三年多的研究，创立了拱桥千斤顶、钢绞线斜拉扣挂悬拼技术及合龙松索技术。该项技术成功应用于主跨312m的邕宁邕江大桥、三岸邕江大桥和来宾磨东大桥。近些年，缆索吊机技术也取得了较大进步，文献[3]以西江特大桥为工程依托，通过塔顶设滑道，建立横移式缆索吊机。文献[4]以藏木雅鲁藏布江大桥为工程依托，建立了塔顶和后锚双横移技术，进一步提高了缆索吊机的灵活性。文献[5]研发了400t级的缆索吊机系统，应用于宁波明州大桥并取得了良好的应用效果。文献[6]引入横移系统，实现了主索和锚固系统的分离，研发了双向移动缆索吊机。缆索吊机施工方法采用缆索吊机系统逐段吊装钢拱肋节段，直至拱肋合龙形成钢管骨架。缆索吊机系统既可以垂直起吊，又可以纵向水平运输;既可以安装拱肋，又可以安装横梁、吊杆、桥面板等构件，覆盖面广，适应性强。平南三桥为主跨575m的中承式CFST拱桥，建成后为世界最大跨径拱桥，其跨径、吊重、扣塔高度、拱肋节段的加工尺寸等各项施工技术指标均超过了已建同类型桥梁，施工难度大、风险高。该桥钢拱肋吊装技术缺乏可供借鉴的成熟经验，设计难度大，必须在现有技术装备基础上进行改进，以确保钢管拱肋安装过程中结构的安全性能，同时提高其经济性。基于此，本文开发设计出具有大索跨、大吊重能力的缆索吊机系统，以适应超大跨径CFST拱桥钢管拱肋顺利安装的需要。

1 工程概况

平南三桥为主跨575m中承式CFST拱桥，采用缆索吊运斜拉扣挂技术施工，建成后为世界最大跨径拱桥。每片拱肋分为22个节段吊装，南北两岸各11个拼装节段，南北两岸的吊装节段编号如图1所示。

2 总体设计

2.1 总体纵向设计

结合桥梁所处的地质、地形、地貌、气候环境等，按照安全可靠、经济的原则进行缆索吊机的设计，缆索吊装的整体布置如图2所示。北岸采用地下连续墙基础，南岸采用明挖扩大基础。桥梁采用“吊扣合一”的塔架結构型式，即将塔架安装于扣塔顶部，吊塔和扣塔刚接连接。

2.2 总体横向设计

主索系统共计2套，主索道缆索起重机额定起重量确定为220t;工作索道起重绳按5t额定吊重进行设计。主索道用于拱肋节段和桥面节段等大构件的安装，工作索道主要用于小型机械、构配件的吊装运输。

3 缆索起重机设计

3.1 承载索设计

主承载索为缆索吊装系统最核心的受力结构。钢丝绳选型时，选用了抗拉强度高、支撑表面积大、耐磨性能优、表面平滑的密封钢丝绳。主承载索单绳长1800m，单套数量为8根，全桥共计16根。主承载索两端的锚固均设置半圆形钢筋混凝土锚梁，将主索绕过锚固梁折回，安装专用蝴蝶型锁夹固定，单端锁夹数量不得少于36个。

工作索道系统主要作为辅助吊运，承载索选用一般用途钢丝绳，全桥共计4根，单根长度1800m，与主索道系统共用地锚。承载索绕过锚固梁后，安装骑马式绳卡，单端绳卡数量不得少于11个。

承载索安装时，采用专用发线器放线，牵引绳牵引过江，绕过锚固横梁后，采用滑车组进行调索。安装时，以空索垂度进行控制。系统安装完成及每次横移索鞍后，均需对主承载索的线形进行调整，保证承载索均匀受力。

3.2 起重索设计

按照主拱肋最大节段重量215t，考虑爬梯、锚拉板扣点、检修道、施工设备等荷载进行计算，主索道缆索起重机额定起重量确定为220t。起重索采用“定10动8走14线”布置，单套系统设置两个吊点，分别命名为蓝点、红点。起重索不设锚固端，两端均布置起重卷扬机。两岸起重卷扬机可独立运行，亦可联动运行。缆索系统边跨、中跨均设支索器，限制松索状态下起重绳、牵引绳的下挠（见图3）。

工作索道起重绳按5t额定吊重进行设计，采用“定2动2走2线”布置。起重索锚固端设置于北岸主地锚处，锚固于主承重索锚固梁上;另一端在南岸主地锚处转向后进入起重卷扬机（见下页图4）。

3.3 牵引索设计

两岸的每组主索道系统分别设置独立的牵引绳，采用“走4线”布置。牵引绳两端在主地锚处转向后，进入牵引卷扬机（见图5）。

工作索道的牵引绳采用闭合循环布线方式，采用“走2线”布置。起重牵引绳采用摩擦型卷扬机作为牵引设备，绳两端分别在地锚的转向滑轮处转向折回，锚固于工作跑车两端，形成闭合回路。控制系统控制卷扬机的正反驱动，实现工作跑车的往复牵引（见图6）。

3.4 横移索鞍设计

缆索起重机的索鞍横移牵引绳每岸塔架设2根20mm（6×37b+FC-1670）钢丝绳。索鞍横移牵引绳从塔架附近的5t起重卷扬机引出，先后经过塔脚和塔顶上横梁转向滑轮，然后在索鞍横移滑轮组处采取“定13动12走24线”的布置形式，最后经转向滑轮绕回塔架附近的5t起重卷扬机（见图7）。

（1）吊装拱肋节段时，索鞍在上游拱肋、中间横撑、下游拱肋三个位置周期性移动。本工况下，将索鞍组合，横移牵引绳一侧收紧，另一侧放松。横移至指定位置时，安装索鞍锚固装置，将索鞍固定。

（2）吊装桥面梁时，将组合索鞍横移至其中一个吊装工位，安装锚固装置固定已定位的索鞍。将横移车架与固定索鞍分离，两主索鞍分离，启动横移牵引卷扬机，将另一个主索鞍移动至安装工位，最后锚固，完成索鞍横移。

4 设备配置

4.1 主索鞍

吊装主拱圈节段时，两套主索鞍及4套工作索鞍合并布置在塔顶横梁上，中心位置正对一侧拱肋中心线;吊装另一侧主拱肋时，通过横移系统将索鞍横移至另一侧主拱肋中心。主索鞍采用模块化设计，分上、下两层结构。上层结构为承重索支撑滑轮（绳槽350mm），总计2组各14片;下层结构内部设有起升索导向滑轮（绳槽355mm）、牵引索导向滑轮（绳槽355mm）。索鞍底部设置有走行滚轮，使索鞍可以在轨道梁上沿横桥滑移，从而改变两组承重索之间的跨距，满足施工要求。各部件均采用焊接结构，部件间采用栓接，便于安拆及运输。索鞍端部有连接法兰，可以将主索鞍与其他索鞍之间通过法兰连接（见图8）。索鞍各部件设计重量都满足塔吊安装要求。

主索鞍横移滑车安装于主索鞍下部，通过螺栓与主索鞍连接。滑车由牵引动滑轮组（绳槽直径355mm）、车体、连杆等组成。通过两端牵引对拉形式来实现索鞍的左右横移（见图9）。

索鞍横移就位后，通过锚固支座及精轧螺纹钢筋将索鞍锚固于轨道上（见图10）。

吊装桥面梁时，将两套主索分开，每套主索鞍两侧分别布置一套工作索鞍，索鞍中心分别位于桥面梁两端，横向中心间距38.5m。索鞍横移采用钢丝绳牵引，牵引绳先绕过塔顶横梁转向滑轮，再经过塔底转向滑轮，进入位于地面的横移卷扬机组中。主索鞍设计荷载为300t，大于本工程缆索起重机最大吊重220t，便于后期系统的循环利用。

4.2 主索道起重跑车

主索道起重跑车由起升定滑轮组、牵引动滑轮组、走行滑轮、连杆等组成。主索道系统采用双吊点设计，每套系统有两台起重跑车，命名为红跑车、蓝跑车，倒挂在承重轨索上。两台起重跑车采用钢丝绳串联。每台起重跑车包括8个走行滑轮，分两组作用在承重索上（见图11）。

每组主索道跑车间通过钢丝绳连接，两跑车中心间距依据吊装节段重心位置确定，本工程取15.5m。跑车连接绳采用38mm的6×37+IWR钢丝绳。每道工作索设一个跑车，结构与主索道跑车类似。

采用大型通用有限元软件ANSYS11.0SP1软件建立跑车实体模型进行强度及刚度验算，计算荷载考虑了0.7倍吊重、起重绳自重及吊钩吊具自重，单个跑车外部荷载取值为104kN。计算结果见表1。

从表1数据可知，主跑车的强度及刚度均满足要求。

4.3 支索器

支索器主要用来解决各种索空中缠绕和空钩下落的问题，还能对主索、牵引索、起重索进行有效分层和限位，保证缆索系统运行稳定和使用安全。支索器设置在缆索起重机的跑车前后方，其结构包括行走轮，起重、牵引托轮及隔板，各支索器之间采用1根钢丝绳进行串联，绳两端设旋转器，并与起重跑车连为一体。在缆索起重机运行过程中，支索器依靠跑车顶推或牵拉进行收放。支索器行走轮设置在两根主承载索上，其余承载索采用反压滚轴限位。支索器共分为固定支索器、活动支索器、边跨支索器三类。固定及活动支索器布置在中跨，间距约40m布置一个。全桥固定支索器共计4个，活动支索器共计56个，尾跨支索器共计96个（见图12）。

4.4 主索道吊具

吊具根据拱肋节段吊装特点和缆索起重机索鞍的布置情况进行设计，具体构造见图13。

4.5 工作索道索鞍

工作索鞍布置于主索鞍两侧，索鞍采用模块化设计，分为上、下两层结构。上层结构为承重索支撑滑轮（绳槽直径450mm），总计2片;下层装设有起升索导向滑轮（绳槽直径435mm）、牵引索导向滑轮（绳槽直径435mm）。索鞍底部设置有走行滚轮，使索鞍可以在滑道梁上沿横桥滑移，从而改变工作索鞍的位置，满足施工要求。索鞍端部有连接法兰，可以将工作索鞍与其他索鞍之间通过法兰连接起来（见图14）。

采用大型通用有限元软件ANSYS11.0SP1软件建立工作索鞍实体模型进行强度及刚度验算，计算荷载考虑了主承重索的最大张力、起重索及牵引索的最大拉力。计算结果见表2。

从表2数据可知，工作索鞍的强度及刚度均满足要求。

4.6 工作索跑车及吊具

工作索跑车由牵引锚固端、起升定滑轮组、走行滚轮等组成。见图15。

采用大型通用有限元软件ANSYS11.0SP1软件建立工作索跑车实体模型并进行强度及刚度验算，计算荷载考虑了1.2倍吊重、起重绳自重及吊钩吊具自重。计算结果见表3。

从表3数据可知，工作索跑车的强度及刚度均满足要求。

工作索吊点设5t吊具，由动滑轮组（绳槽直径400mm）、拉板、吊钩组成（见图16）。

4.7 电气系统

起重机电气系统由电源系统、拖动系统、控制系统、安全监控系统等组成。本系统采用模块化设计，分组布置。每组为一套独立系统，又能通过光纤连接组成一套系统（见图17～18）。

5 结语

缆索吊机施工方法因跨越能力强、航道影小且适应性强等众多优点成为大跨度CFST拱桥最具竞争力的施工方法，但随着拱桥跨度的进一步增大，超大跨度CFST拱桥应用缆索吊机施工方法时仍面临索跨大、吊装重、索塔稳定性差、环境复杂等难题。基于此，以平南三桥为工程背景，对承重索、起重索、牵引索以及横移索鞍系统进行设计，形成一整套缆索吊机系统，提高了缆索吊机系统的强健性、经济性和吊运过程中的灵活性，相关成果可为同类型CFST拱桥提供借鉴。

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