大跨徑重載纜索起重機

李拔周1，2，3 紀 巖1，2，31 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司 武漢 4300402 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室 武漢 4300403 交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心 武漢 430040

摘 要：常規懸索橋鋼桁梁采用纜載起重機進行吊裝，纜索起重機作為一種跨越能力極強的起重設備，在大跨徑橋梁施工中也被廣泛應用。尤其在環境受限的條件下，在經濟性和便利性上有著無可比擬的優勢。以大跨徑超重節段鋼桁梁懸索橋上部結構施工為依托，對大跨徑重載纜索起重機應用的關鍵技術進行研究。通過采用纜索起重機安裝工藝，解決了跨中部分區域頂面在主纜以上梁段的吊裝難題，優化鋼桁梁吊裝的工序，有利于保證施工安全。

關鍵詞：大跨徑；重載；纜索起重機；懸索橋；吊裝

中圖分類號：TV53+2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）13-0050-05

0 引言纜索起重機又叫走線滑車，是掛有取物裝置的起重小車沿架空承載索運行的起重機，常用在其他吊裝方法不便或不經濟的場合。纜索起重機具有起升高度大、起重作業跨度大、作業范圍廣、在特定條件下可發揮其他起重機械所不能發揮的作用等特點，被廣泛應用于水電站建設、公路鐵路橋梁建設、港口搬運和渡槽架設等方面的施工，圖1 為纜索起重機在橋梁建設中的應用。

1 依托工程概況溫州甌江北口大橋項目是甬臺溫高速公路復線和溫州市南金公路兩大項目跨越甌江的控制性工程。甌江北圖1 纜索起重機在橋梁建設施工中的應用口大橋主橋系國內外首座三塔四跨雙層加勁梁懸索橋，主跨跨徑為2×800 m，三塔均采用鋼筋混凝土結構，結構布置如圖2所示。主跨跨中部分區域梁段頂面在主纜以下，中跨布置圖如圖3 所示。

圖2 甌江北口大橋主橋結構布置圖

圖3 中跨布置圖

如圖4 所示， 梁跨布置為215+800+800+275 ＝2 090 m，加勁梁采用板桁組合式整體加勁梁，桁寬為36.2 m，吊索距主桁中心為2.8 m，中跨纜徑為874mm，吊索與主桁凈距約1.85 m，全橋共110 個吊裝節段。

圖4 加勁梁布置圖

上部結構施工的主要特點有：1）主跨跨中部分區域梁段頂面在主纜以上，范圍約220 m；2）加勁梁最大重量達到813 t，對纜索起重機要求高；3）若利用主纜為支撐結構假設主梁，為滿足中塔處主纜鋼絲與鞍座槽間抗滑移安全要求，兩個主跨應保證對稱同步安裝加勁梁。

2 總體施工工藝研究懸索橋上部結構加勁梁施工采用的施工方法包括橋面起重機施工法、纜索起重機施工法、纜載起重機施工法和軌索移梁法等，或其中的幾種方法組合施工。

1）浮式起重機＋纜載起重機提升安裝浮式起重機安裝跨中比主纜低的鋼桁梁，然后利用纜載起重機安裝剩下的鋼桁梁。該方案的主要問題是對浮式起重機的起升高度要求較高，浮式起重機進出工作面時需長距離橫移和大角度俯仰，且大型浮式起重機長期橫江駐位布置于主纜間，嚴重影響通航。

2）橋面起重機懸臂拼裝橋面起重機反力主要由桁梁承擔，斜桿應力大，隨懸臂長度增加，吊索索力增大，主梁和吊索均需加強。

3）連續千斤頂提升安裝從跨中向兩側索塔，采用連續千斤頂倒提升工藝對稱安裝；每吊裝一個節段，需安拆一次臨時索夾、提升索、連續千斤頂和泵站；吊索錨固于下橫梁，提升設備需布置于橫梁下方；該方案施工操作不便，且工效較低。

4）纜索起重機提升安裝目前，在兩塔懸索橋中應用較多，在三塔懸索橋應用案例較少。通過對以上方案在安全、工效和使用操作便捷性方面綜合考慮，采用纜索起重機提升安裝方案[1，2]。

3 大跨徑重載纜索起重機設計3.1 纜索起重機設計采用三塔四跨纜索起重機，解決中跨高于主纜的鋼桁梁安裝問題，減少對通航的影響，總體布置如圖5 所示。

圖5 纜索起重機總體布置

纜索起重機主要由埋件系統、主索、起重索、牽引索、起重小車和吊具等組成。埋件系統包括主索在兩側錨碇錨固、卷揚機錨固和塔頂轉索鞍錨固。主索是承受起重荷載的直接受力構件，主索的垂度選擇決定了起升高度。起重索用于提升加勁梁的起升機構，牽引索用于控制起重小車的調位。起重小車一方面把起重荷載傳遞至承重索，同時可在承重索上在牽引索作用下移動。吊具的主要作用是實現與加勁梁連接。

纜索起重機安裝主梁工效高，能縮短上部結構安裝時間，盡早完成合攏。主跨采用從中塔往兩側邊塔的架設順序，提高主纜索股抗滑移能力和主梁安裝工效。纜索起重機的主要技術參數有：跨度為800 m，起重量為850 t，起升高度為50 m，主索材質為4-14Ф 64，起重索材質為4-Ф 30，牽引索材質為4-2Ф 30。

為滿足850 t 起重能力要求，主索數量需達到56 根。考慮到結構分塊運輸安裝的便捷性，將56 根主索分主索一共分為4 組，每組14 根直徑64 mm 鋼絲繩組成。其他機構布置也根據主索的布置分為4 組單元。主索在主塔頂設置轉索鞍，轉索鞍橫向布置圖如圖6 所示。

圖6 轉索鞍橫向布置圖

為了防止兩中跨不對稱起吊時造成主索滑移，主索在中塔頂斷開，通過在主塔頂設置埋入式抗剪件與兩側的主索連接，當兩側出現不對稱的荷載時，可通過抗剪件抵消，做到兩跨纜索起重機互不影響。中塔兩側設置起重及牽引索的轉向滑輪，如圖7 所示。

邊塔塔頂設置轉索鞍，主索通過轉索鞍后經邊跨錨固于錨碇上的埋件上，埋件與主索間設置可調裝置，以調整主索的線形，如圖8 所示。圖9 為牽引和起重繩索繞線圖，牽引系統采用循環牽引系統，牽引繩倍率為8，起重繩倍率為12，每組主索設2 臺起重和2 臺牽引卷揚機。

每組起重單元采用4 個分離式的跑車，跑車上連接上掛架，吊具上設置下掛架，上下掛架分別設置定滑輪和動滑輪組，跑車及吊具布置如圖10 所示。

圖7 中塔轉索鞍布置圖

圖8 主索錨固

圖9 牽引和起重繞線布置圖

圖10 跑車及吊具布置圖

較大的跨徑和起重能力導致主索及其他繩索直徑均較大，為解決這些繩索的安裝問題，在塔頂設置專用門架，在門架上設置牽索裝置，繩索安裝門架見圖11[3，4]。

圖11 繩索安裝門架圖

3.2 總體工藝流程1）主纜架設完成后安裝纜索起重機，同步搭設無索區支架；2）纜索起重機蕩移安裝中、邊塔無索區鋼桁梁；3）纜索起重機依次從中塔向兩側同步吊裝鋼桁梁，邊跨無索區鋼桁梁采用倒提升裝置吊裝滑移至安裝位置，如圖12 所示；4）纜索起重機繼續同步吊裝跨中鋼桁梁，邊跨鋼桁梁采用倒提升裝置同步安裝，如圖13 所示；5）先中塔、后邊塔順序吊裝合攏段；6）鋼桁梁栓焊，支架、纜索吊拆除。

圖12 中跨鋼桁梁安裝圖

圖13 中跨邊跨鋼桁梁同步安裝圖

4 計算分析4.1 主索垂度及錨固計算主索垂度和在中塔的錨固形式是兩個互相影響的問題。如圖14 所示，若主索在中塔設置為滑動式，當主索采用1:15 垂度，則在兩側同步起吊過程中，主索矢高為53.3 m；當單側起吊時，由于主索滑移，最大矢高為71.3 m，無法滿足吊高要求。

圖14 主索1:15 垂度時吊裝圖

若要使吊高滿足要求，則應將垂度提升至1:20，此時單側起吊主索的最大矢高為52.8 m，吊高滿足要求，但主索的規模增加約30%，經濟性降低。

假定主索在中塔定位不滑動式，鋼桁梁不同步吊裝時會在塔頂產生水平力，復核主塔受力是否滿足要求，通過計算，該工況下主索垂度按1:15 計算，主塔的應力滿足要求，如圖15 所示。

圖15 主塔應力圖

因此，選擇主索在塔頂不滑移，主索垂度為1:15的總體布置形式。

4.2 中塔頂板局部計算根據規范驗算中塔頂板局部受力，單位寬度截面抗彎承載能力818 kN·m ＞實際彎矩645 kN·m。中塔錨固處上橫梁頂板受力滿足要求，如圖16 所示。

圖16 中塔頂板局部應力圖

4.3 主要部件計算跑車是起重的重要承載構件，建立完整模型對小車結構進行計算，結構最大應力為154.3 MPa，如圖17所示。

圖17 跑車結構應力圖

塔頂主索錨固裝置涉及主索錨固安全，考慮了錨固區域開孔影響。計算分為兩種情況：一是錨固位置考慮一側按吊重時最大索力（900 kN）加載，另一側按照空載時索力（500 kN）加載，即單側起吊工況。二是中塔兩側纜索起重機均按吊重時最大索力（900 kN）加載，即同步起吊工況。靖計算結構最大應力分別為140 MPa和148.4 MPa，如圖18 所示，滿足規范要求。

圖18 塔頂主索錨固裝置應力圖

當起吊點越靠近兩側主塔時，跑車與主索之間的角度就會越大，相應地導致牽引索的力增大，吊點離邊塔25 m 處主索的線形如圖19 所示。主索的轉角約為25.3°，經計算牽引索的安全系數滿足要求[5，6]。

圖19 吊點離邊塔25m 處主索線形圖

5 結束語結合溫州甌江北口大橋的實際施工情況，深入研究了鋼桁梁的架設工藝，對比了多種不同施工方法的優缺點。纜索起重機在大跨度鋼桁梁施工中，雖經濟性并非最好，但在受限環境下卻是較安全便捷的施工方法。纜載起重機規模龐大，對主塔本身受力影響顯著。通過對塔本身及其在塔頂設置的錨固裝置等驗算分析，確定最優的纜索起重機結構形式。隨著我國橋梁建設向大跨徑方向的深入推進，類似的橋梁會越來越多，該技術的研究和應用必將得到推廣，為國內外類似橋梁的施工提供了更多的思路。

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