大跨徑拱橋纜索吊機系統設計探討

孫振海 韋建昌 韓玉 秦大燕

摘要：纜索吊機施工方法因跨越能力強、航道影響小且適應性強等眾多優點成為大跨度CFST拱橋最具競爭力的施工方法，但隨著拱橋跨度的進一步增大，超大跨度CFST拱橋應用纜索吊裝施工方法時仍面臨索跨大、吊裝重、索塔穩定性差、環境復雜等難題。文章以平南三橋為工程背景，對承重索、起重索、牽引索以及橫移索鞍系統進行設計，開發出具有大索跨、大吊重能力的纜索吊機系統，以適應超大跨徑CFST拱橋鋼管拱肋安裝的需要。

關鍵詞：拱橋;平南三橋;索鞍橫移;集中控制系統;運行監控系統

0 引言

CFST拱橋依據所在地位置、地形、環境等條件，其鋼管拱肋安裝通常可采用有支架法和無支架法兩種。有支架施工受橋址地型地質限制較大，且隨著跨徑的增大施工成本和施工風險越大。目前，大跨徑拱橋施工多常采用無支架法施工。拱肋無支架施工技術又包括拱上懸臂吊機（掛籃）法、提升法、轉體法、纜索吊機法以及其他方法。其中，纜索吊運施工方法因具有跨越能力大、對航道影響小、適應性強（既可以垂直起吊又可以水平縱向運輸）、可周轉使用等優勢，已成為拱橋工程最具競爭力的施工方法。文獻[1]調查表明跨徑達200m以上的CFST拱橋絕大多數采用纜索吊機施工。

拱橋纜索吊機施工最先應用于雙曲拱橋。1968年，廣西、湖北創建了采用卷揚機、滑輪組、鋼絲繩扣掛雙曲拱橋拱肋、松索合龍懸拼施工方法后，首次在廣西靈山三里江橋應用并取得良好的效果，此后采用該項技術修建了多座雙曲拱橋和箱形拱橋[2]。1992年，廣西“邕寧邕江大橋SRC拱橋設計與施工技術研究”課題組，經過三年多的研究，創立了拱橋千斤頂、鋼絞線斜拉扣掛懸拼技術及合龍松索技術。該項技術成功應用于主跨312m的邕寧邕江大橋、三岸邕江大橋和來賓磨東大橋。近些年，纜索吊機技術也取得了較大進步，文獻[3]以西江特大橋為工程依托，通過塔頂設滑道，建立橫移式纜索吊機。文獻[4]以藏木雅魯藏布江大橋為工程依托，建立了塔頂和后錨雙橫移技術，進一步提高了纜索吊機的靈活性。文獻[5]研發了400t級的纜索吊機系統，應用于寧波明州大橋并取得了良好的應用效果。文獻[6]引入橫移系統，實現了主索和錨固系統的分離，研發了雙向移動纜索吊機。纜索吊機施工方法采用纜索吊機系統逐段吊裝鋼拱肋節段，直至拱肋合龍形成鋼管骨架。纜索吊機系統既可以垂直起吊，又可以縱向水平運輸;既可以安裝拱肋，又可以安裝橫梁、吊桿、橋面板等構件，覆蓋面廣，適應性強。平南三橋為主跨575m的中承式CFST拱橋，建成后為世界最大跨徑拱橋，其跨徑、吊重、扣塔高度、拱肋節段的加工尺寸等各項施工技術指標均超過了已建同類型橋梁，施工難度大、風險高。該橋鋼拱肋吊裝技術缺乏可供借鑒的成熟經驗，設計難度大，必須在現有技術裝備基礎上進行改進，以確保鋼管拱肋安裝過程中結構的安全性能，同時提高其經濟性。基于此，本文開發設計出具有大索跨、大吊重能力的纜索吊機系統，以適應超大跨徑CFST拱橋鋼管拱肋順利安裝的需要。

1 工程概況

平南三橋為主跨575m中承式CFST拱橋，采用纜索吊運斜拉扣掛技術施工，建成后為世界最大跨徑拱橋。每片拱肋分為22個節段吊裝，南北兩岸各11個拼裝節段，南北兩岸的吊裝節段編號如圖1所示。

2 總體設計

2.1 總體縱向設計

結合橋梁所處的地質、地形、地貌、氣候環境等，按照安全可靠、經濟的原則進行纜索吊機的設計，纜索吊裝的整體布置如圖2所示。北岸采用地下連續墻基礎，南岸采用明挖擴大基礎。橋梁采用“吊扣合一”的塔架結構型式，即將塔架安裝于扣塔頂部，吊塔和扣塔剛接連接。

2.2 總體橫向設計

主索系統共計2套，主索道纜索起重機額定起重量確定為220t;工作索道起重繩按5t額定吊重進行設計。主索道用于拱肋節段和橋面節段等大構件的安裝，工作索道主要用于小型機械、構配件的吊裝運輸。

3 纜索起重機設計

3.1 承載索設計

主承載索為纜索吊裝系統最核心的受力結構。鋼絲繩選型時，選用了抗拉強度高、支撐表面積大、耐磨性能優、表面平滑的密封鋼絲繩。主承載索單繩長1800m，單套數量為8根，全橋共計16根。主承載索兩端的錨固均設置半圓形鋼筋混凝土錨梁，將主索繞過錨固梁折回，安裝專用蝴蝶型鎖夾固定，單端鎖夾數量不得少于36個。

工作索道系統主要作為輔助吊運，承載索選用一般用途鋼絲繩，全橋共計4根，單根長度1800m，與主索道系統共用地錨。承載索繞過錨固梁后，安裝騎馬式繩卡，單端繩卡數量不得少于11個。

承載索安裝時，采用專用發線器放線，牽引繩牽引過江，繞過錨固橫梁后，采用滑車組進行調索。安裝時，以空索垂度進行控制。系統安裝完成及每次橫移索鞍后，均需對主承載索的線形進行調整，保證承載索均勻受力。

3.2 起重索設計

按照主拱肋最大節段重量215t，考慮爬梯、錨拉板扣點、檢修道、施工設備等荷載進行計算，主索道纜索起重機額定起重量確定為220t。起重索采用“定10動8走14線”布置，單套系統設置兩個吊點，分別命名為藍點、紅點。起重索不設錨固端，兩端均布置起重卷揚機。兩岸起重卷揚機可獨立運行，亦可聯動運行。纜索系統邊跨、中跨均設支索器，限制松索狀態下起重繩、牽引繩的下撓（見圖3）。

工作索道起重繩按5t額定吊重進行設計，采用“定2動2走2線”布置。起重索錨固端設置于北岸主地錨處，錨固于主承重索錨固梁上;另一端在南岸主地錨處轉向后進入起重卷揚機（見下頁圖4）。

3.3 牽引索設計

兩岸的每組主索道系統分別設置獨立的牽引繩，采用“走4線”布置。牽引繩兩端在主地錨處轉向后，進入牽引卷揚機（見圖5）。

工作索道的牽引繩采用閉合循環布線方式，采用“走2線”布置。起重牽引繩采用摩擦型卷揚機作為牽引設備，繩兩端分別在地錨的轉向滑輪處轉向折回，錨固于工作跑車兩端，形成閉合回路。控制系統控制卷揚機的正反驅動，實現工作跑車的往復牽引（見圖6）。

3.4 橫移索鞍設計

纜索起重機的索鞍橫移牽引繩每岸塔架設2根20mm（6×37b+FC-1670）鋼絲繩。索鞍橫移牽引繩從塔架附近的5t起重卷揚機引出，先后經過塔腳和塔頂上橫梁轉向滑輪，然后在索鞍橫移滑輪組處采取“定13動12走24線”的布置形式，最后經轉向滑輪繞回塔架附近的5t起重卷揚機（見圖7）。

（1）吊裝拱肋節段時，索鞍在上游拱肋、中間橫撐、下游拱肋三個位置周期性移動。本工況下，將索鞍組合，橫移牽引繩一側收緊，另一側放松。橫移至指定位置時，安裝索鞍錨固裝置，將索鞍固定。

（2）吊裝橋面梁時，將組合索鞍橫移至其中一個吊裝工位，安裝錨固裝置固定已定位的索鞍。將橫移車架與固定索鞍分離，兩主索鞍分離，啟動橫移牽引卷揚機，將另一個主索鞍移動至安裝工位，最后錨固，完成索鞍橫移。

4 設備配置

4.1 主索鞍

吊裝主拱圈節段時，兩套主索鞍及4套工作索鞍合并布置在塔頂橫梁上，中心位置正對一側拱肋中心線;吊裝另一側主拱肋時，通過橫移系統將索鞍橫移至另一側主拱肋中心。主索鞍采用模塊化設計，分上、下兩層結構。上層結構為承重索支撐滑輪（繩槽350mm），總計2組各14片;下層結構內部設有起升索導向滑輪（繩槽355mm）、牽引索導向滑輪（繩槽355mm）。索鞍底部設置有走行滾輪，使索鞍可以在軌道梁上沿橫橋滑移，從而改變兩組承重索之間的跨距，滿足施工要求。各部件均采用焊接結構，部件間采用栓接，便于安拆及運輸。索鞍端部有連接法蘭，可以將主索鞍與其他索鞍之間通過法蘭連接（見圖8）。索鞍各部件設計重量都滿足塔吊安裝要求。

主索鞍橫移滑車安裝于主索鞍下部，通過螺栓與主索鞍連接。滑車由牽引動滑輪組（繩槽直徑355mm）、車體、連桿等組成。通過兩端牽引對拉形式來實現索鞍的左右橫移（見圖9）。

索鞍橫移就位后，通過錨固支座及精軋螺紋鋼筋將索鞍錨固于軌道上（見圖10）。

吊裝橋面梁時，將兩套主索分開，每套主索鞍兩側分別布置一套工作索鞍，索鞍中心分別位于橋面梁兩端，橫向中心間距38.5m。索鞍橫移采用鋼絲繩牽引，牽引繩先繞過塔頂橫梁轉向滑輪，再經過塔底轉向滑輪，進入位于地面的橫移卷揚機組中。主索鞍設計荷載為300t，大于本工程纜索起重機最大吊重220t，便于后期系統的循環利用。

4.2 主索道起重跑車

主索道起重跑車由起升定滑輪組、牽引動滑輪組、走行滑輪、連桿等組成。主索道系統采用雙吊點設計，每套系統有兩臺起重跑車，命名為紅跑車、藍跑車，倒掛在承重軌索上。兩臺起重跑車采用鋼絲繩串聯。每臺起重跑車包括8個走行滑輪，分兩組作用在承重索上（見圖11）。

每組主索道跑車間通過鋼絲繩連接，兩跑車中心間距依據吊裝節段重心位置確定，本工程取15.5m。跑車連接繩采用38mm的6×37+IWR鋼絲繩。每道工作索設一個跑車，結構與主索道跑車類似。

采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0SP1軟件建立跑車實體模型進行強度及剛度驗算，計算荷載考慮了0.7倍吊重、起重繩自重及吊鉤吊具自重，單個跑車外部荷載取值為104kN。計算結果見表1。

從表1數據可知，主跑車的強度及剛度均滿足要求。

4.3 支索器

支索器主要用來解決各種索空中纏繞和空鉤下落的問題，還能對主索、牽引索、起重索進行有效分層和限位，保證纜索系統運行穩定和使用安全。支索器設置在纜索起重機的跑車前后方，其結構包括行走輪，起重、牽引托輪及隔板，各支索器之間采用1根鋼絲繩進行串聯，繩兩端設旋轉器，并與起重跑車連為一體。在纜索起重機運行過程中，支索器依靠跑車頂推或牽拉進行收放。支索器行走輪設置在兩根主承載索上，其余承載索采用反壓滾軸限位。支索器共分為固定支索器、活動支索器、邊跨支索器三類。固定及活動支索器布置在中跨，間距約40m布置一個。全橋固定支索器共計4個，活動支索器共計56個，尾跨支索器共計96個（見圖12）。

4.4 主索道吊具

吊具根據拱肋節段吊裝特點和纜索起重機索鞍的布置情況進行設計，具體構造見圖13。

4.5 工作索道索鞍

工作索鞍布置于主索鞍兩側，索鞍采用模塊化設計，分為上、下兩層結構。上層結構為承重索支撐滑輪（繩槽直徑450mm），總計2片;下層裝設有起升索導向滑輪（繩槽直徑435mm）、牽引索導向滑輪（繩槽直徑435mm）。索鞍底部設置有走行滾輪，使索鞍可以在滑道梁上沿橫橋滑移，從而改變工作索鞍的位置，滿足施工要求。索鞍端部有連接法蘭，可以將工作索鞍與其他索鞍之間通過法蘭連接起來（見圖14）。

采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0SP1軟件建立工作索鞍實體模型進行強度及剛度驗算，計算荷載考慮了主承重索的最大張力、起重索及牽引索的最大拉力。計算結果見表2。

從表2數據可知，工作索鞍的強度及剛度均滿足要求。

4.6 工作索跑車及吊具

工作索跑車由牽引錨固端、起升定滑輪組、走行滾輪等組成。見圖15。

采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0SP1軟件建立工作索跑車實體模型并進行強度及剛度驗算，計算荷載考慮了1.2倍吊重、起重繩自重及吊鉤吊具自重。計算結果見表3。

從表3數據可知，工作索跑車的強度及剛度均滿足要求。

工作索吊點設5t吊具，由動滑輪組（繩槽直徑400mm）、拉板、吊鉤組成（見圖16）。

4.7 電氣系統

起重機電氣系統由電源系統、拖動系統、控制系統、安全監控系統等組成。本系統采用模塊化設計，分組布置。每組為一套獨立系統，又能通過光纖連接組成一套系統（見圖17～18）。

5 結語

纜索吊機施工方法因跨越能力強、航道影小且適應性強等眾多優點成為大跨度CFST拱橋最具競爭力的施工方法，但隨著拱橋跨度的進一步增大，超大跨度CFST拱橋應用纜索吊機施工方法時仍面臨索跨大、吊裝重、索塔穩定性差、環境復雜等難題。基于此，以平南三橋為工程背景，對承重索、起重索、牽引索以及橫移索鞍系統進行設計，形成一整套纜索吊機系統，提高了纜索吊機系統的強健性、經濟性和吊運過程中的靈活性，相關成果可為同類型CFST拱橋提供借鑒。

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