懸拼拱架纜索吊裝系統的設計與應用分析

劉 怡 肖凱東

(貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550000)

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·橋梁·隧道·

懸拼拱架纜索吊裝系統的設計與應用分析

劉 怡 肖凱東

(貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550000)

結合兩河口大橋工程實例，介紹了懸拼拱架纜索吊裝系統的總體設計方案，并從索塔系統、主索、起重索、牽引索、扣索索力等方面，闡述了纜索吊裝系統的設計與計算方法，解決了山區特殊地形條件下橋梁的施工難題。

拱橋，纜索吊裝系統，起重索，牽引索

貴州省屬于典型山區地形，地形主要以高山、深切峽谷為主。拱橋由于其跨越能力大、施工相對簡單、與峽谷環境協調性較好等優點，近年來大量拱橋被應用于西部橋梁建設的工程實踐中。在施工過程中受建設場地地形的限制，難以應用常規安裝方法，纜索吊裝系統由于其自身特點，近年來被廣泛應用于鋼拱架結構吊裝施工。

1 工程概況

兩河口大橋位于貴州德印公路上，跨越深溝河谷，橋型布置為2×13 m鋼筋混凝土空心板+70 m鋼筋混凝土箱形拱橋。

2 纜索吊裝系統總體設計

箱拱主拱圈采用現澆方案，支架采用20段×14片(7肋)單層貝雷梁拱架，貝雷梁用纜索吊裝配套進行。吊裝系統由主索、索鞍、跑車、起重滑車組、牽引索、卷揚機、錨錠等組成，索鞍設在索塔頂上。印江岸索塔設在0號橋臺上，德江岸索塔設在4號橋臺正上方，主索的設計跨度為109 m，設計工作垂度取f=L/17=6.41 m。

3 索塔系統設計

拱架自重220 t，采用10組(共70根)扣索分兩岸對稱扣掛，每岸5組扣索。印江岸第1，2組扣索越過0號橋臺扣于樁錨上，第3，4，5組扣索通過索塔頂端的大索鞍扣于樁錨上；德江岸第1，2組扣索直接扣于2號橋墩蓋梁上(蓋梁后方設置后纜風繩)，第3，4，5組扣索通過索塔頂端的大索鞍扣于樁錨上。拱架最大扣掛長度為6 m，每組扣索為一個施工節段，兩岸對稱從拱腳向上拼裝直至合龍。兩岸索塔高度均為20 m，為增加塔架的承載力，索塔系統采用萬能桿件鉸結于基礎上并組拼成桁架結構，索鞍設置在塔頂，用于放置承重索、起重索、牽引索等。

索塔結構計算采用MIDAS/Civil建立空間模型，采用梁單元模擬橋塔構件進行結構承載能力計算分析，模型共有節點5 924個，單元13 206個。計算中主要考慮索塔結構自重、纜索設備自重、吊重及起吊牽引等產生的荷載，同時考慮了背索安裝后初張拉力對結構受力的影響(見圖1)。

根據計算結果，索塔最大壓應力為下部塔架根部的豎桿，為15.56 MPa；塔頂最不利荷載工況下最大縱向位移83.04 mm。各項計算結果表明索塔系統剛度和強度均能滿足正常工作時的要求。

4 主索計算

主索擬采用2φ52(6×37+1)鋼絲繩(公稱抗拉強度取1 850 MPa)。承受的均布荷載包括主索、起重索和牽引索自重；集中荷載包括一次吊裝6 m段拱架(含端頭梯形鋼桁架)的重量、滑車組自重、橫擔自重、下垂起重索自重等。

1)主索在均布荷載和集中荷載作用下的拉力：

水平拉力：H=39.209+703.386=742.595 kN。

豎向拉力：V=11.205+100.506=111.711 kN。

2)主索的安全系數：

單根主索的破斷拉力總和為：

1 850MPa×1 003.8mm2×10-3=1 857.03kN。

換算系數取0.82，主索的總破斷力：

Tn=2×1 857.03×0.82=3 045.529kN。

不考慮沖擊荷載，主索的安全系數為：

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

5 起重索計算

起重索擬采用2φ21.5(6×37+1)鋼絲繩(公稱抗拉強度取1 700MPa)。起重索套繞于主索跑車組和導向滑車之間起吊構件重物用。

取起重一個吊點計算，起重索最大拉力與安全系數。

本吊裝系統滑輪組工作線數n=4，滑輪組滑輪的轉輪數m=3，轉向滑輪數μ=5，可得輪軸工作系數K=3.07。取單根起重索做計算單元：

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

則：T破=174.27×1 700×10-3=296.259kN。

起重索最大拉力安全系數為：

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

6 牽引索計算

牽引索擬采用2φ21.5(6×37+1)鋼絲繩(公稱抗拉強度取1 700MPa)。跑車在主索上運行是依靠牽引索的牽引。牽引力一般由跑車運動阻力、起重索運動阻力和后牽引索自然松弛張力等三部分組成。

牽引索兩岸定滑輪距離L=240m,查表可得牽引索每米重力q=1.982kg，牽引索所穿過滑車的效率取η=0.96，牽引索穿過滑車的數量n=2。

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

計算牽引索的安全系數：

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

7 扣索索力計算

索扣在橋墩蓋梁上的，以蓋梁中心點和扣索軸線與拱架截面形心的交點為結點，兩結點之間為一單元，兩岸各設置5組扣索。模型輸出計算結果如表1所示。

表1 扣索最大索力計算表

對于同一組扣索，在不同的施工階段中，索力值會相應發生變化。對于印江岸：第1組～2組扣索索力是先增大后減小；第3組扣索減小，第4組扣索增大。對于德江岸：所有扣索索力均隨拼裝節段的累加而增大。

單組扣索(7根)的索力，印江岸為155.19 kN～324.67 kN，德江岸為144.70 kN～302.67 kN。印江岸最大索力出現在拱腳第1段，德江岸最大索力出現在拱腳第2段，第3段。

初選單組扣索的規格為：7φ21.5(6×37+1)鋼絲繩。

破斷拉力為：

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

則扣索安全系數為：

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

8 結語

通過對兩河口大橋纜索吊裝系統設計，可解決山區特殊地形條件下的施工難題，同時對提高施工效率、壓縮工期、降低施工過程成本具有積極意義，為后期西部山區大跨徑拱橋的使用積累了相關設計和施工經驗，可進行廣泛推廣。

[1] 孫重光，賀曉紅.公路施工材料手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 冉茂學，許紅勝.山區大跨懸索橋施工纜索的設計要點[J].中外公路，2009(4)：101-103.

[3] 鄭春玲，雷 霆.某鋼管拱橋拱肋懸拼中的扣索計算[J].橋梁建設，2001(4)：92-93.

[4] 黃建躍.蔚林大橋貝雷鋼桁拱架的設計與施工[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

劉 怡(1983- )，男，碩士，高級工程師； 肖凱東(1987- )，男，碩士，工程師

U442.5

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