架空索道受力計算

朱 鵬 飛，　徐　飛，　朱 毓 杰

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第八支隊，重慶　410320；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都　611130)

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架空索道受力計算

朱 鵬 飛1，徐飛1，朱 毓 杰2

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第八支隊，重慶410320；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都611130)

隨著水電開發(fā)的日益深入，在西部地勢險要山區(qū)進行水工隧洞施工時，將遇到修建臨時施工道路難度大等實際問題，架空索道作為解決這些難題的可靠方式，解決了水工隧洞施工期間的材料運輸問題，實現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟和社會效益。結合架空索道在“引田入環(huán)”輸水隧洞工程2#支洞施工中的應用，對架空索道的結構計算進行了介紹。

架空索道；結構；受力；計算；田灣河；引田入環(huán)

1　工程概況

“引田入環(huán)”輸水隧洞工程位于大渡河支流田灣河上，為仁宗海水庫電站的引水工程，田灣河干流河水經(jīng)首部樞紐取水沿輸水隧洞引到一山之隔的支流環(huán)河上，在仁宗海建壩，匯干、支流水量實現(xiàn)增水發(fā)電的目的，隧洞全長8.9 km，2#施工支洞與輸水隧洞交于樁號(輸)5+136處，主要作為輸水隧洞樁號(輸)4+100～(輸)6+900控制段的施工通道。設計的2#施工支洞出口位于沖溝內，從圖1中可以看出此處地勢陡峭，右岸邊坡為70°左右，修建臨時施工道路難度極大，不僅要修建過河交通橋，還需進行高邊坡開挖且開挖量極大，易形成新的不穩(wěn)定邊坡，造成極大的安全隱患，同時將造成較大的環(huán)境破壞。經(jīng)綜合分析，最終決定采用架空索道方式，確保了施工期間的各種材料運輸，設計索道最大承載力為8 000 kgf(為方便敘述使用kgf單位，1kgf=9.8 N)，索道布置情況見圖1。

2　索道側型的選擇

索道側型，即承載索索底的縱剖面。側型的選擇不僅直接影響架空索道的修建及運行費用的高低，而且決定架空索道修建的可行性。因此，初步設計階段，應由施工測量人員嚴格按照擬定的裝卸料平臺位置進行沿途地形測量，并要考慮承載索運行中的擺動幅度，繪出數(shù)條縱剖面線，給工程技術部門合理選定兩端塔架高度和跨中最大撓度提供依據(jù)，做到合理經(jīng)濟。

3　主要結構受力分析和計算

圖1　架空索道剖面示意圖

架空索道的承載索是整個結構中的最重要部件，對它的受力分析和計算是否正確直接關系到整個結構是否達到設計要求。為盡可能地使受力分析和計算反映結構的實際情況，確保索道的運行安全，筆者主要結合運貨小車滑行的具體位置，對承載索的受力情況進行分析。

根據(jù)《水利水電施工組織設計手冊》中的計算方法，在水利水電工程中，架空索道的工作垂度ε(跨中最大撓度與水平跨度的比值)一般為0.05～0.07，最好的取值為0.055～0.06。在本架空索道中取0.06，即跨中最大撓度f=ε×L=0.06×657.68=39(m)，初選承載索為6×37-1 570，直徑54 mm，自重11.1 kg/m，最小破斷拉力1 510 kN(約1.54 082×105kgf)。

3.1承載索在自重情況下的受力計算

根據(jù)簡易作圖法，承載索在自重情況下的受力分析見圖2。根據(jù)平衡條件：

HA=HB

(1)

VB=VA+ql

(2)

由于承載索為柔性結構，索本身不承擔彎矩，故：

(3)

(4)

式中l(wèi)為承載索跨度，657.68 m；h為高差，197.48 m；q為承載索線荷載，11.1 kgf/m。

由式(1)、(2)、(3)、(4)求出：

HA=16 091.8 kgfHB=16 091.8 kgf

VA=1 348.6 kgfVB=8 648.8 kgf

圖2　承載索在自重情況下的受力分析圖

在具體施工過程中，采用先錨固B端，張拉A端的方式進行，張拉力大小TA=16 148.2 kgf。張拉時，用已經(jīng)安裝好的卷揚機進行張拉，為確保39 m的撓度，必須控制好承載索的長度，承載索中點長度簡化計算方法為：

=690.74(m)

承載索架設時，在中點(690.74 m)處布設標識，在承載索撓度達到設計撓度后即可停止張拉。

3.2承載索對載貨小車支持力的計算

在實際運行過程中，牽引繩牽引運貨小車沿承載索向上勻速滑行，滑行過程中，受到自身的重力、牽引繩對它的牽引力、承載索對它的支持力和摩阻力等作用。由于摩阻力對承載索的支持力無影響，此處不作討論。

承載索對載貨小車的支持力隨小車滑行的過程而變化。經(jīng)分析，當小車滑行至跨中時，承載索產(chǎn)生最大的撓度和最大張力，小車行至跨中時的受力分析見圖3。

圖3　對運貨小車的受力分析圖

小車行至跨中，承載索產(chǎn)生最大撓度，由于跨度縮短一半，再加上自身具有的較大張力，可以看作承載索(CB區(qū)間)因自重產(chǎn)生的懸索曲線和錨固端B與承載索跨中最低點C的連線基本吻合。運貨小車瞬間滑動方向(忽略承載索自重影響)與小車理論爬坡最大角度呈90°時，運貨小車重力Q與牽引繩對其的拉力F二者大小相等，方向相反，作為一對作用力與反作用力，此時承載索對小車的支持力為0，支持力方向為水平方向，針對上述情況，分析小車沿承載索滑動過程中承載索對小車的支持力方向垂直于瞬間滑動方向的結論。

當運貨小車行至跨中時，由運貨小車受力分析簡圖(圖3)及三力平衡原則可以推出：

N=Q×cos22.7°=7 380.3 kgf

F=Q×sin22.7°=3 087.2 kgf

對承載索在有荷載情況下進行受力分析(圖4)。

對于該受力狀態(tài)下的承載索，同理有：

(5)

(6)

(7)

HA=HB+N′sin22.7°

(8)

圖4　承載索在有荷載情況下的受力分析圖

由以上各式可以推出：

HA=45 798.6 kgfVA=5 934.3 kgf

HB=42 950.5 kgfVB=20 376.7 kgf

安全系數(shù)k=154 082/47 539=3.2，在3～3.2范圍內，既避免了因安全系數(shù)過小造成承載索易斷，又避免了因該系數(shù)過大造成疲勞斷絲。

4　結　語

經(jīng)過對架空索道進行結構計算，對索道所選取的參數(shù)進行了驗證，在進行索道架設時，通過對下地錨A點張拉力的控制，確定出承載索準確的長度，從而較好地控制了跨中的最大撓度。在計算最大張力時，以無載時承載索形成的最大撓度代替實際運行過程中承載索形成的最大撓度。由于承載索為柔性結構，索的材料符合虎克定律，即應力與應變成線性關系，故承載索受到集中荷載后長度會產(chǎn)生一定的變化，跨中撓度有所增加，承載索最大張力的計算結果稍微偏大，索道運行的安全系數(shù)偏大。索道自架設完工后，經(jīng)運行檢驗，各項情況良好。

(責任編輯：李燕輝)

2016-07-12

TV53+2;TV51;TV53

B

1001-2184(2016)04-0040-03

朱鵬飛(1983-)，男，重慶石竹人，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

徐飛(1985-)，男，四川郫縣人，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

朱毓杰(1986-)，男，吉林榆樹人，工程師，學士，從事水利水電工程建設技術與管理工作.