多塔聯跨纜索吊機應用與設計

余海

（湖南省中南橋梁安裝工程有限公司，湖南 懷化418000）

1 引言

隨著國內基建水平的提高，橋梁設計理論水平研究也越來越深入，橋梁跨度越來越大，結構形式越來越多樣化，吊裝重量也越來越大，橋梁建設越來越復雜。部分山區、大江大河、市政道路需要設計多跨拱橋或者多跨懸索橋，橋面梁體安裝是一大難題。在多跨拱橋施工中需要每跨單獨設計纜索吊裝系統，纜索吊設備投入大，多套系統共同運行，纜索吊系統空間設計復雜，多套系統相互影響，施工效率低；懸索橋安裝施工如果采用傳統纜載吊機進行梁體安裝施工，梁體節段無法運輸至纜載吊機下方，而目前纜載吊機無法大噸位帶載走行，傳統工藝無法施工，制約了橋面結構的發展。利用多塔聯跨纜索吊機施工拱橋吊裝作業或者施工懸索橋橋面梁體架設，在施工安全、施工進度、成本控制等方面均有優勢。

2 多塔聯跨纜索吊機應用范圍

2.1 多塔聯跨纜索吊機簡介

多塔聯跨纜索吊機即采用1 套纜索吊系統，天車及吊鉤在多跨纜索間來回運行，在不同跨起吊吊裝作業的纜索吊機。

多塔聯跨纜索吊機包含：承重索、起重索、牽引索、纜風索、纜塔、跨塔天車、跨塔索鞍、錨碇、控制系統等機構。承重索、起重索、牽引索、纜風索、纜塔、錨碇、控制系統均與傳統纜索吊機結構一致，跨塔天車及跨塔索鞍與傳統天車及索鞍不同，跨塔天車采用“扁擔式”結構，可以采用“上翻式”或“下掛式”2 種結構（見圖1）。“上翻式”結構僅能天車空載運行，構件在同跨范圍掛鉤起吊安裝；“下掛式”結構更為靈活，可以帶載跨越索鞍，也可以空載跨越索鞍，根據不同施工工況進行綜合比選確定【1～3】。

多塔聯跨纜索吊機起重及牽引走線、運行方式與傳統纜索吊機一致，起重部分依然分為下掛架、上掛架及走線鋼絲繩；牽引部分走線方式與傳統纜索吊機基本一致。但起重及牽引索在跨塔處又有不同之處，天車在跨過索鞍處時，一側牽引鋼絲繩離開塔頂轉向輪，另一側牽引鋼絲繩需要歸位入塔頂轉向輪，從結構上需要考慮起重及牽引鋼絲繩能精準落入轉向輪繩槽中（見圖2）。

圖1 “上翻式”或“下掛式”索鞍及天車布置示意圖

圖2 多塔聯跨纜索吊機布置示意圖

2.2 多塔聯跨纜索吊機適用范圍

多塔聯跨纜索吊機采用獨特的結構形式，解決了傳統纜索吊機天車過索鞍的難題，使得天車及牽引、起重系統可以不拆解即在多跨承重索間往復運行，使得吊裝順序更為靈活，吊裝功效與傳統纜索吊機基本無異。

多塔聯跨纜索吊機適用于2 跨及以上可采用纜索吊機吊裝施工的拱橋、懸索橋；適用于多跨結構可以采用傳統纜索吊機吊裝施工，但有限高要求的區域。

2.3 多塔聯跨纜索吊機優缺點

多塔聯跨纜索吊機因具有特定的適用范圍，相較于傳統纜索吊機或者懸索橋纜載吊機有鮮明的特點。

主要優點有：

1）可以有效降低纜塔高度；

2）用1 套纜索系統完成多跨結構吊裝施工，纜索吊結構布置更簡單；

3）部分在大江大河上的多跨懸索橋、拱橋結構，解決了傳統纜索吊無法布置或者成本過高的難題；使得結構更為簡潔，避免了采用傳統纜索吊結構需要布置多套系統，結構布置復雜，相互干擾大的難題；

4）相較于采用纜載吊機，安全性更高，施工效率是纜載吊機的3～5 倍。

5）相較于傳統纜索吊機，成本節約20%～40%。

主要缺點有：

1）天車受力形式與傳統天車不同，天車重量偏大；

2）天車過索鞍時，需要人工觀察并輔助起重、牽引繩進入轉向輪繩槽；

3）大跨度結構，多塔聯跨纜索吊機支索器設計較為復雜。

3 多塔聯跨纜索吊機設計計算

多塔聯跨纜索吊機設計計算與傳統纜索吊機設計計算原理基本一致，但計算公式有所不同。主要部位的設計如下。

3.1 承重索設計

雙跨纜索吊計算如圖3 所示。

圖3 雙跨纜索吊計算圖示

主索水平拉力：

未承重跨的主索垂度：

Hk與Hz的關系式：

自重作用下主索垂度：

式中，Hz、Hk為分別為外荷載和自重作用下，主索的水平拉力；fz、f ′z為分別為外荷載作用下，承重跨與未承重跨主索的垂度；fk、f ′k為分別為自重作用下，承重跨與未承重跨主索的垂度；Q 為主索承擔的單吊鉤集荷載；q 為主索承擔的均布荷載；l、l′分別為承重跨與未承重跨的跨度；a 為2 臺距車的間距；Ek為主索彈性模量；F 為主索鋼絲繩截面積；U 為與主索相同跨的簡支梁（簡稱代梁）剪力，是代梁剪力圖的面積，可以利用圖乘法計算。

3.2 起重及牽引索設計

起重及牽引索設計與傳統纜索吊機設計計算相同，設計計算可參考傳統纜索吊機設計。但起重及牽引索在索鞍前后需要設計在一條直線上，不能有偏轉角度，避免因過索鞍時起重及牽引索不能自動落入起重及牽引轉向輪，產生繩索跳槽、磨繩等問題。

3.3 索鞍及天車設計

天車和索鞍設計除了要滿足傳統天車的基本功能，還要滿足天車能從索鞍上跨越、下吊具能自由通過索鞍以及起重、牽引鋼絲繩能自動進入索鞍處轉向輪繩槽。

索鞍及天車可采用如圖1 所示“上翻式”或“下掛式”結構。結構設計的基本原理即改變傳統天車索鞍傳力方式，天車由傳統的分布式傳力結構改變為懸臂式傳力結構，上掛架及起重、牽引繩集中在中部，走行機構設計在兩側，可避免索鞍與天車相互沖突干擾的問題。

“上翻式”及“下掛式”2 種天車、索鞍設計結構形式，均可實現多塔聯跨的功能，但“上翻式”結構更簡單，相對成本更低，結構設計更容易實現；“下掛式”結構從理論上講，可以帶載跨越索鞍，結構適用性更強，但結構較為復雜，成本較高。

4 結語

多塔聯跨纜索吊機是纜索吊裝施工的一種工藝、工法突破，解決了多跨、大跨度、復雜地形條件下拱橋、懸索橋結構吊裝施工的難題，為今后橋梁設計及施工拓展了思路。