峡谷大跨径拱桥缆索吊装系统设计及验算

高威威 宋军玺 唐勤镇

（1.中交建筑集团有限公司，北京 100020；2.中交四公局第二工程有限公司，北京 101100）

一、工程概况

乌梅河特大桥位于低山丘陵区，微地貌为河谷，地势上两侧高，中间低，地形起伏较大。上跨翁马河，桥址区地面标高在714.6m～938m之间，相对高差223.4m。

由引桥和主桥两部分构成，左幅设计桥跨布置为2×40+4×40+4×40+320.1+3×40+2×40，全长928m；右幅设计桥跨布置为2×40+4×40+4×40+320.1+4×40，全长888.1m。引桥采用40m装配式预应力混凝土先简支后连续T梁。主桥采用计算跨径为300m的上承式钢管混凝土变截面拱桥，拱轴线采用悬链线，拱轴线系数m=1.55，矢高h=60m，矢跨比f=1/5，主拱圈采用等宽度变高度空间桁架结构，断面高度从拱顶5m变化到拱脚9m（中到中），吊装构件的最大重量为拱肋第一节段192.9t。

二、缆索吊装系统设计流程

（一）索跨中跨长度设计

乌梅河特大桥主桥计算跨径为300m，标准跨径为320.1m，考虑桥址实际地形和场地布置，以引桥9#墩～1 0#墩桥面作为起吊平台，索塔考虑设置在贵阳岸9#墩和黄平岸12#墩的位置，因此主跨长度设计为40+320.1+40=400.1m。

（二）垂跨比设计

缆索吊装系统的垂跨比是指索跨中跨的垂度与跨度之比，通常缆索起重机设计垂跨比宜取1/12～1/15，取较小的设计垂跨比（中跨更接近直线），有利于提升牵引索的牵引能力；取较大的设计垂跨比（中跨更曲），有利于提升承重索的承载能力。因此，确定合理的垂跨比应综合考虑承重索的承载能力、牵引索的牵引能力和吊高等因素。乌梅河特大桥缆索起重机起吊平台设置在索塔塔前，需要较大的牵引力，因此设计垂跨比取为1/14.8，那么重载垂度为400.1/14.8=27m。

（三）索塔塔高设计

根据承载索最大垂度，

取索塔高度为h=h1+h2+h3+h4+fmax

fmax表表示最大垂度，为27m(l/14.8)；h1+表示跑车和起吊滑车组构造高度，取3m；+h2+表示吊钩、捆绳及扁担梁的高度，取10m；h3表示吊物的最大高度，取10m；+h4表示起吊平台起吊通过平台的安全距离，取4m。那么，h=27+3+10+10+4=54m，塔高取56.6m。

（四）后锚碇设计

根据桥型布置，将黄平岸缆索后锚碇设置在16#台路基中心线上，根据里程桩号和标高推算，黄平岸边跨长172m，与水平面夹角为20°。

考虑到索塔受力平衡，贵阳岸缆索后锚碇同取水平面夹角为20°，因此贵阳岸后锚碇设置在3#墩两侧，贵阳岸边跨为240m。

（五）估定缆索系统钢丝绳

吊装构件的最大重量为拱肋第一节段192.9t，考虑到吊装安全性及经济性，将拱肋第一节段由3榀拆分成2榀与1榀依次吊装，单次最大吊重约为160t，因此选用两套额定载重为80t的缆索吊系统，估定1套缆索吊系统的承重索采用8根直径为62mm型号为6×37S+IWR的钢丝绳，牵引索采用4根直径32mm型号为6×37S+FC的钢丝绳按走“4”的形式缠绕，起重索采用2根直径26mm型号为6×37S+FC的钢丝绳按走“10”的方式穿绕。

图1 缆索吊系统锚碇布置图

三、缆索系统验算

（一）荷载取值

拟定承载索选用公称直径为60mm，结构为6×37S+IWR钢丝绳，起重索选用公称直径为26mm，结构为6×37S+FC钢丝绳，牵引索选用公称直径为38mm，结构为6×37S+FC钢丝绳。根据《重要用途钢丝绳》，一套缆索系统钢丝绳参数表如下：

那么荷载取值如下：

表1 钢丝绳参数表

1.一套承载索均布荷载

承载索：g1=g1'×n1/cosβ=15×8/1=120kg/m

起重索：g2=g2'×n2/cosβ=2.57×2/1=5.14kg/m

牵引索：g3=g3'×n3/cosβ=5.49×4/1=21.96kg/m

承索器：g4=g4'/cosβ=7.395kg/m

式中β为两端索塔高差产生的视线坡脚，该套缆索吊装系统的两端索塔高差为0，因此β=0。起重索、牵引索通过承索器悬挂在承载索上，那么承载索均布荷载为g=g1+g2+g3+g4=154.495kg/m=1.54kN/m。

2.一套承载索集中荷载P由4部分组成

跑车和定滑轮重：P1=2×4=8t；

吊点重（含配重）：P2=2×1.1=2.2t；

起重索自重（走“10”布置），最大起吊高度100m：P3=2×10×100×2.57/ 1000=5.14t；

最大构件吊重：P4=80t；

那么承载索最大集中荷载为：

起重索最大集中荷载为：

（二）承载索验算

1.吊重位于跨中工况

索力计算公式为：T=H/cosθ，式中=H/为承载索两端支座的水平反力，θ为承载索的水平倾角。承载索由于其柔性的特点，只能承受轴向拉力，既无弯矩，也无剪力，因此支座的水平反力即承载索水平力。

（1）承载索水平力

承载索最大水平力计算公式为：Hmax=Mmax/fx，可以理解为承载索的水平力类似荷载条件下简支梁的弯矩除以垂度，荷载示意图如图2所示。

图2 荷载示意图

已知当集中荷载位于跨中时弯矩最大，根据弯矩叠加法可得：

那么吊重位于跨中工况下，承载索水平力为：

（2）承载索最大张力

承载索的最大张力计算公式为：

?

3.承重索空载垂度

承重索自重下垂度时，只考虑起重索、牵引索、承索器等产生的均布荷载，取集中荷载Px=0，通过上述方法计算出的垂度即为承重索空载垂度，为18m。

（三）起重索验算

1.起重索最大张力验算

单套缆索系统采用两个天车起吊，1个天车上挂架共6个起重轮（定滑轮），下挂架共有5个起重轮（动滑轮），转向滑轮牵引侧两个、固定侧1个，根据绕绳方式可知，有效绳数为10。

将索力定义为Si，其中i为索的段次，卷扬机侧至起重索转向轮为=S0，依次至S15，取转向滑轮及滑轮组的效率为η=0.96。

当吊件起升时，如（1）所示，当吊件下降时，如（2）所示。