龍門大橋主纜雙線往復式牽引系統設計與計算分析

基金項目：廣西科技重大專項項目“超千米級懸索橋纜索體系制造與智能施工裝備關鍵技術研究及產業化”（編號：桂科AA22068066）

作者簡介：韋苡松（1997—），助理工程師，研究方向：橋梁施工技術。

摘要：文章以龍門大橋主纜雙線往復式牽引系統為例，采用Midas Civil有限元軟件對牽引系統構件進行計算分析，通過應力、應變與容許值的比較驗證其結構性能及安全性，以選出符合施工要求的牽引索直徑及卷揚機組型號，進行雙線往復式牽引系統設計，指導后續施工。該方法在施工安全質量得到保障的前提下，提高了施工效率，可為同類懸索橋或纜索吊裝施工提供借鑒。

關鍵詞：牽引系統；雙線往復式；設計與計算

中圖分類號：U445.4

0 引言

懸索橋上部結構施工的一個主要組成部分是牽引系統施工，牽引系統按施工過程分為兩個階段，一是貓道架設階段的牽引系統，二是主纜索股牽引階段的牽引系統^[1]。本文從牽引能力計算及臨時支撐結構計算兩方面出發，對龍門大橋主纜雙線往復式牽引系統進行設計與計算分析，驗證雙線往復式牽引系統對主纜索股的牽引能力，并采用Midas Civil有限元軟件，對牽引系統中的重要支撐構件進行強度及剛度的計算，判斷其是否符合設計要求。

1 工程概況

廣西濱海公路龍門大橋是廣西在建的最大跨徑全漂浮體系懸索橋，主跨1 098 m，主橋長1 198 m，全橋共設兩根主纜，索塔主纜中心距為33.8 m，錨碇處主纜中心距為36.2 m。主纜采用預制平行鋼絲索股法（PPWS）制作，主纜由127股通長索股組成，邊跨增設6股背索，背索錨固于塔頂主索鞍上。每根預制索股由相互平行的127絲、直徑5.25 mm的高強鋼絲組成，鋼絲標準強度為1 860 MPa，外表面用鍍鋅-鋁合金鍍層防護。通長索股長度為1 733 m，背索索股長度為305 m，單根通長索股重量為37.39 t，單根背索索股重量為24.3 t。主纜構造如圖1所示。

2 主纜索股架設牽引系統設計

在主纜索股架設階段，牽引系統將主纜索股從放索區放出，并將其牽引經過兩岸錨碇及索塔，在兩岸錨碇處錨固后完成主纜索股的安裝。對于牽引系統，主要是校核牽引索鋼絲繩和卷揚機的選型，以滿足索股架設的需求。牽引索鋼絲繩及卷揚機的選型需確定主纜索股牽引過程的最大牽引力，最大牽引力主要包括牽引索空纜反拉力、放索的反拉力和牽引自由端的拉力三個部分，對這三部分的拉力進行計算。

2.1 牽引索空纜反拉力計算

根據雙線往復式牽引系統的特點和放索區布置，牽引索從西岸卷揚機組出繩，由西岸側向東岸側運行，再由東岸錨體上回轉輪處轉向，再返回西岸側，牽引索線型和貓道承重索線形平行。

根據《公路橋梁施工系列手冊：懸索橋》^[2]，牽引索保持自身線形運動所需的反拉力為：

式中：k——動力放大系數，取1.2；

L_z——中跨水平跨距，取1 098 m；

q_z——牽引索單位長度質量，取5.25 kg/m；

f_zmax——牽引索跨中允許垂度，取98.393 m；

由此計算牽引索所需的反拉力為：T₁=10.25 t。

2.2 主纜索股牽引反拉力、牽引自由端拉力計算

索股牽引方向為西岸向東岸，從西岸側放索架開始，經過西岸側散索鞍、西岸主塔、東岸主塔、東岸散索鞍，到達東岸錨碇位置。此時對索股進行分段計算，確定索股在整個牽引過程中最大的反張力。

索股自由端的重力為：

T₃=G=q_ml+g（2）

式中：q_m——牽引索單位長度質量，取21.18 kg/m；

l——邊跨跨徑，自由端長度按100 m計算；

g——拽拉器總重量，取500 kg；

由此計算自由端的重力為：T₃=G=2.618 t。

索股放索反拉力，根據經驗按5 t取值，即T₂=5 t。

2.3 主纜架設階段牽引系統牽引能力計算

總牽引力為：

T_max=（T₁f^a+T₂+T₃）f^b（3）

式中：f——定滑輪的總阻尼系數，對于滾動軸取1.02；

a——拽拉起至副卷揚機組之間的定滑輪數，取4；

b——拽拉起至主卷揚機組之間的定滑輪數，取4；

T₁——牽引索所需的反拉力，取10.25 t；

T₂——索股放索的反拉力，取5 t；

T₃——牽引自由端的拉力，取2.618 t。

由此計算總牽引力為：T_max=20.25 t。

由計算結果可知，主纜索股架設階段主卷揚機組選用額定牽引為25 t的卷揚機組，滿足主纜索股牽引的要求。

選擇采用的牽引索鋼絲繩直徑為36 mm，標準強度≥1 770 MPa，纖維芯鋼絲繩最小破斷力為75.7 t，安全系數達到3.74，滿足使用及規范要求。

對于主纜索股架設階段牽引系統，選擇直徑為36 mm、標準強度≥1 770 MPa的纖維芯鋼絲繩作為牽引索，選擇25 t的卷揚機組作為牽引主卷揚機，即可滿足索股架設階段施工的要求。

2.4 主纜架設階段牽引系統總體設計

在確定了牽引系統鋼絲繩和卷揚機組后，需對牽引系統進行總體設計。目前國內懸索橋對于PPWS法架設主纜的牽引系統主要有單線往復式和雙線往復式兩種類型。對于單線往復式牽引系統，需要在大橋兩岸錨碇均布置卷揚機組及放索區，若僅在一側錨碇設置放索區，就會出現牽引系統帶著拽拉器空載返回的情況；對于雙線往復牽引系統，僅需在大橋一側進行卷揚機組及放索區的布置，另一側設置回轉裝置實現牽引系統回轉功能，共設置兩個拽拉器，實現在大橋一側放索時，一個拽拉器進行主纜索股牽引，一個拽拉器空載返回，極大提升了施工效率。

龍門大橋項目由于場地限制，東岸錨碇所處位置為半海半島區域，施工場地為堆填筑島而成，故施工場地較為狹窄。采用雙線往復式牽引系統，將卷揚機組場地及放索場地布置于橋位西岸錨碇后方，利用東岸錨碇上的回轉導輪組使牽引系統完成回轉，無須在東岸錨碇區布置卷揚機組，便于進行現場施工的總體組織。主纜索股架設牽引系統由貓道架設階段的三段牽引單線往復式系統改為雙線往復式牽引系統，牽引方向為西岸至東岸。

單個索股牽引系統主要由2臺牽引卷揚機組、西岸索股存索區、放索區、西岸上錨塊放索支架、散索鞍門架導輪組、塔頂門架導輪組、貓道門架導輪組、貓道面層托輥、牽引索、拽拉器、東岸上錨塊轉向輪支架等組成^[3]。為保證牽引索從錨碇門架牽出后順利通過后錨塊，在西錨后錨塊設置兩處限位支架及上索支架。同時為保證雙線往復式牽引系統的形成，需在東錨錨后設置回轉輪支架、后錨塊限位門架和錨后回轉輪支架。牽引系統錨碇區域總體布置如圖2、圖3所示。

牽引系統的主牽引索沿牽引方向依次通過主卷揚機組→西錨碇門架→西塔塔頂門架→東塔塔頂門架→東錨碇門架→東錨碇回轉導輪組→東錨碇門架→東塔塔頂門架→西塔塔頂門架→主卷揚機組，形成一套從西岸至東岸，再從東岸返回西岸的雙線往復式牽引系統。牽引系統布置如圖4、圖5所示。

主橋左右幅各建立一套雙線往復式牽引系統，兩套牽引系統獨立架設、獨立運行。配置兩個拽拉器，在牽引系統靜止時，于兩岸后錨塊各設置一個拽拉器。牽引系統工作時，一個拽拉器進行牽引拽拉，另一個拽拉器空載返回，以實現雙線牽引系統能連續完成從西岸至東岸的主纜索股牽引工作，以增加主纜索股架設的工作效率。

3 牽引系統主要臨時構件模擬計算

牽引系統在運行過程中，對涉及轉向、限位、支承的臨時結構有著相應的承載要求，故采用Midas Civil有限元軟件，對后錨塊限位門架、錨后回轉輪支架、前錨面操作平臺托架、西錨碇錨后上索支架等4項牽引系統重要構件進行強度及剛度的計算，判斷其是否符合設計及使用要求。

（1）錨后上索支架：西岸錨碇后方設置上索支架，主要用于主纜索股牽引時錨碇后方的牽引滑道。主要由型鋼支架、導向滑輪及防護欄桿組成。型鋼支架立柱鋼管采用426 mm×8 mm鋼管，平聯采用[20a槽鋼，鋼管樁頂布置Ⅰ45a工字鋼承重梁，承重梁與水平面的夾角與后錨面的傾斜角度一致。承重梁頂面布置Ⅰ25a分配梁及1 cm厚鋼面板，于鋼面板上設置在牽引索投影面以下的導向滑輪。

（2）后錨塊限位門架結構：限位門架由型鋼結構焊接而成，對牽引索起限位作用。限位門架立柱、立柱承重梁、滑輪組承重梁、橫向連系梁均采用雙拼Ⅰ56a工字鋼。從上至下為收分結構，立柱間設置平聯Ⅰ22a工字鋼剪刀撐聯系。

（3）東錨錨后回轉輪支架：東錨錨后回轉輪支架固結于東錨錨背上，主要用于牽引索的回轉。回轉輪支架立柱承重梁、連系梁均采用Ⅰ56a工字鋼，斜撐采用Ⅰ22a工字鋼。

（4）前錨面操作平臺托架：東、西岸前錨面均設置操作平臺，主要用于索股錨頭安裝以及索股調整張拉。該操作平臺為型鋼結構焊接而成，操作平臺托架采用Ⅰ22a工字鋼，分配梁采用[20a槽鋼，平聯剪刀撐均采用[8a槽鋼。

3.1 設計材料參數

牽引系統支架用鋼材質均為Q235a，采用極限應力法，按《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）取值。即[σ]=215 MPa；[τ]=125 MPa；允許撓度：L/400。

3.2 計算荷載、工況

（1）自重荷載：在有限元模型中自行導入。

（2）牽引索荷載：根據施工現場牽引系統的布置和使用情況，在雙線往復式牽引系統架設主纜的過程中，其限位支架和轉向輪支架受力最大，限位門架按牽引力為20 t進行計算，回轉輪支架按卷揚機組額定起重量25 t計算。

（3）風荷載：設計基本風速采用橋址處100年重現其10 m高度的10 min平均年最大風速38.2 m/s，根據《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010）11.0.1節規定計算得：最大設計風速下結構所受基本風壓w₀=0.91 kPa。

因此后錨塊及錨后支架的風荷載標準值計算如下：

后錨塊限位門架：最大設計風速下風荷載標準值：w_k=μ_sμ_zw₀=1.3×1.8×0.91=2.1 kPa。

錨后回轉輪支架：最大設計風速下風荷載標準值：w_k=μ_sμ_zw₀=1.3×1.732×0.91=2 kPa。

（4）荷載組合：承載能力驗算組合為1.3×自重荷載+1.5×牽引索荷載+1.5×0.9×風荷載。

剛度驗算組合為1.0×自重荷載+1.0×牽引索荷載+1.0×風荷載。有限元模型如圖6所示。

3.3 有限元計算結果及分析

對后錨塊限位門架、錨后回轉輪支架、前錨面操作平臺托架、西錨碇錨后上索支架，分別計算其變形值、應力值和剪應力值，將其與極限值進行比較，以驗證相關指標是否符合規范要求，保證結構的安全可靠，為后續施工提供指導，具體計算結果見后頁表1。

由表1可知，上述4項結構的應力和剪應力的計算值均小于規定的極限值，結構強度達到了施工及使用的強度要求，且具有一定的強度儲備。結構變形小于極限值，說明了結構具有穩定性好、不易發生失穩破壞的優點。有限元模型計算得出的結果充分表明了臨時結構的承載能力和安全可靠性，為施工做出了有效指導，使雙線往復式牽引系統的施工可以穩步進行，充分體現了雙線往復式牽引系統設計的合理性。

4結語

（1）本文對主纜索股架設階段牽引系統的牽引力進行計算，選擇了滿足施工要求的卷揚機組及牽引索。根據項目現場實際情況，進行雙線往復式牽引系統的布置，在施工安全質量得到保障的前提下，提高了施工效率。

（2）對后錨塊限位門架、錨后回轉輪支架、前錨面操作平臺托架、西錨碇錨后上索支架進行了強度和剛度的計算，保障牽引系統運行的穩定性。

（3）龍門大橋主纜索股架設階段牽引系統現場實際施工均采用本文所述方法實施，施工過程未發生任何質量、安全事故，證明了該主纜雙線往復式牽引系統設計的合理性與可行性。此外，在主纜索股架設施工期間，龍門大橋主纜可實現最快14根/d的架設速度，最終僅約50 d就完成全部索股架設，施工效率高。

參考文獻

[1]劉安金，廖金貴，彭先振，等.懸索橋牽引系統設計及施工技術應用[J].工程質量，2023，41（7）：99-102.

[2]中交第二公路工程局有限公司.公路橋梁施工系列手冊：懸索橋[M]北京：人民交通出版社，2014.

[3]高庚元.武漢陽邏長江公路大橋主纜架設牽引系統設計與安裝[J].中國水運（理論版），2007，5（4）：51-52.

收稿日期：2023-11-10