特大跨徑懸索橋主纜PPWS施工牽引力近似計算方法

王 峻，林 帆

(1.江蘇省長江公路大橋建設指揮部，江蘇泰州 225321;2.中交第二公路工程局第二工程有限公司，西安 710119)

1 前言

PPWS施工牽引系統通常有軌道小車式、架空索道式、門架拽拉式3種方式［1］。其中軌道小車式、架空索道式索股架設時不能連續穿越塔頂，因而施工效率比較低。門架拽拉式牽引系統可連續通過塔頂，索股架設效率高、質量好，適應特大跨徑懸索橋主纜PPWS索股數量多，牽引距離長的施工特點，應用最為廣泛［2］。牽引系統設計主要是牽引設備的選型，最關鍵的是牽引力的計算。以前懸索橋PPWS施工牽引力主要依靠經驗估算，準確度不高。例如，日本明石海峽大橋主纜架設由于牽引力估算不足，造成施工過程中索股牽引困難，最后不得不在回轉輪處增加驅動裝置。因此，在特大跨徑懸索橋施工中，有必要對牽引力進行較準確的計算。世界首座主跨跨徑超千米的三塔兩跨懸索橋——泰州長江公路大橋是國內第一座主纜超過3 km的懸索橋工程，主纜索股長、架設需要穿越3個塔頂，在泰州大橋上部結構安裝施工中，研究總結了PPWS施工門架拽拉式牽引系統牽引力的計算方法，經過與實測數值比較，計算結果準確可靠［3］。

2 PPWS索股架設工況分析

泰州大橋PPWS法施工總體布置見圖1。

圖1 泰州大橋主纜架設牽引系統總體布置圖Fig.1 General layout of traction system for main cable erection of Taizhou Bridge

索股牽引各設計參數如下:貓道門架間距L=45 m;貓道門架高度ht=7.0 m;牽引索距主纜中心線h1=5.2 m;主纜索股單位重量q=0.148 kN/m ，長度約3 107 m;索股錨頭+拽拉器重量為G=6.41 kN;滾筒高度hg=1.1 m;拽拉器高 hz=1.0 m;錨頭及連接器高ls=0.8 m。

貓道門架間索股牽引過程受力分析見圖2。

圖2 貓道門架間索股牽引過程受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram in wire strand traction process between catwalk gantry

以索股架設牽引過程中索股錨頭不能與滾筒干涉為原則，確定錨頭與滾筒的豎向安全距離為

為確保安全Δh=1.5 m

3 牽引力受力分析及計算

3.1 索股牽引端張力分析

索股在貓道滾筒上牽引端張力分析見圖3。

圖3 索股牽引過程分析圖Fig.3 Analysis diagram of wire strand traction process

牽引端張力

式(2)中，μ為索股與滾筒間的摩擦系數，取μ=0.1;P0為索股反拉力(6～10 kN)，取P0=8 kN;ΔW為索股在貓道門架間的重量。

3.2 貓道線形分析

貓道線形近似平行于主纜空纜線形，貓道距主纜距離1.5 m，為簡化計算，貓道線形以主纜線形平移后得到，計算精度可以滿足施工需要。泰州大橋主纜空纜線形，見圖4。

將主纜空纜線形向下平移后可得貓道線形，按照貓道跨徑、垂度、錨固點等特征坐標，依拋物線線形近似計算，以錨固點和主跨跨中為坐標圓點，貓道線形方程為

貓道任意點的傾角θ可通過對式(2)取導數計算

3.3 索股在拽拉器與滾筒間的線形分析

PPWS索股由拽拉器牽引，沿滾筒牽引，PPWS傾斜度與貓道傾斜度相同，見圖5。

圖4 泰州大橋主纜空纜線形(單位:mm)Fig.4 Main cable profile of Taizhou Bridge before girder lifting(unit:mm)

圖5 滾筒與拽拉器間索股線形Fig.5 Wire strand profile between roller and puller

索股與貓道傾角相同，拽拉器與滾筒間索股的線形方程為

圖5及式(5)～式(11)中，h0為拽拉器到滾筒的豎向距離;l為拽拉器至滾筒間索股自由懸索的跨度;Hst為索股傳遞給拽拉器的水平力;Vst為索股傳遞給拽拉器的豎向力平力;Pst為索股錨頭轉遞給拽拉器的合力;θ為計算點處貓道傾角。

3.4 索股牽引架設是拽拉器受力分析

索股拽拉器受力簡圖見圖6。由圖6可知

水平方向與豎直方向合力為

圖6 索股拽拉器受力簡圖Fig.6 Loading sketch of wire strand puller

圖6 及式(12)～式(17)中，TA為拽拉器前端牽引索張力;TB為拽拉器后端牽引索反張力;θA為拽拉器前端牽引索與水平面的夾角;θB為拽拉器后端牽引索與水平面的夾角。

3.5 牽引力計算結果

根據式(1)～式(17)分析，對各貓道門架間的索股自重按照門架間傾斜直線長度計算、貓道門架間貓道傾角按照門架間中點處近似計算，利用Excel建立電子計算表格，對索股通過各貓道門架間牽引力進行逐段疊加計算。泰州大橋PPWS架設牽引力計算結果為最大張力172 kN。

3.6 牽引力計算結果與實測牽引力比較

根據牽引力計算結果，泰州大橋選用250 kN專用牽引卷揚機進行索股架設，該機具有實時測長、測力功能，索股架設已于2011年1月11日完成，使用情況良好，卷揚機選型合理。

根據實測情況，在索股架設初期，最大牽引力在196 kN左右。在完成8根索股架設之后，最大牽引力基本穩定在155～175 kN。分析原因，牽引系統初始作業時，約兩年時間未使用的導輪組摩阻力較大，經過幾天磨合趨于正常。經過工程實踐，牽引力近似計算結果較為準確，可以用于指導實際工程施工。

4 結語

筆者介紹了特大跨徑懸索橋主纜PPWS施工，門架拽拉式牽引系統牽引力的近似計算的方法。經過泰州大橋三塔懸索橋工程實踐，牽引力計算結果較為準確，對今后懸索橋建設、主纜牽引設備能力需求提供了一種具有現實意義的計算方法，對牽引設備的選型具有重要的參考價值。

［1］王 峻，楊 寧，吉 林.江陰大橋主纜施工［C］//中國公路學會橋梁和結構工程學會一九九九年橋梁學術討論會論文集.1999.

［2］薛光雄，金 倉，杜洪池，等.潤揚大橋懸索橋牽引系統設計與施工［J］.橋梁建設，2004(4):25－28.

［3］楊 進.泰州長江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設計的技術理念［J］.橋梁建設，2007(3):33－35.