（机械设计及理论专业论文）液压提升式缆载吊机关键技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着长大跨悬索桥在我国的迅猛发展，需要面临如强风沿海地区、山区峡谷等自然 条件更加恶劣的施工环境。缆载吊机作为悬索桥加劲梁采用垂直起吊法架设安装的专用 起重设备，也必须不断提高自身性能指标以满足吊装难度不断提高的工作环境，所以设 计研究一种适应于强台风环境、大吨位吊装、缆上行走能力更强的新型缆载吊机具有重 要的实际应用价值。 以舟山大陆连岛工程的特大跨海大桥西堠门大桥钢箱梁架设工程为研究背景，确定 了适应于强台风环境下大吨位吊装的新型缆载吊机的主要性能指标和技术参数。总结了 国内外现有不同类型的缆载吊机设计方案和工作特点，对整机各主要组成系统和液压控 制系统进行方案设计和比选；创新性地设计出了能够使新型缆载吊机实现缆上自行行走 的行走系统。对新型缆载吊机在强台风环境下工作的防风抗风措施进行了研究，并设计 出了新型抗风装置，最终完成了整机的总体结构设计。 选用三维机械设计软件s o l i d w o r k s 建立新型缆载吊机的虚拟样机模型，运用参数 化编程语言编程a p d l 在a n s y s l0 0 、a n s y s l3 0 w o r k b e n c h 软件平台上完成主要 结构件结构计算；最后完成了整机的工程图设计和样机制造。 论文最后介绍并分析了新型缆载吊机风洞试验和结论，完成了整机型式实验方案并 分析了静载实验结果，针对缆载吊机在西堠门大桥安装位置的不同设计了不同的整机上 缆安装方案。 本设计以我国长大跨悬索桥大吨位加劲梁在强台风环境下吊装为设计背景，运用虚 拟样机技术、有限元分析技术、边界层风洞实验方法，完成了能够适应于强台风环境、 大吨位吊装，缆上自行行走的新型缆载吊机样机研制；对于我国如缆载吊机等悬索桥架 设机械的研究和应用有重要借鉴意义。 关键词：缆载吊机；钢箱梁吊装；自行行走；液压提升技术；西堠门大桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s u s p e n s i o nb r i d g ei nc h i n a ，i t sn e e dt of a c ec o a s t a la r e a s t h a tw i t hs 仃o n gw i n d s ，m o u n t a i nc a n y o n sa n do t h e rn a t u r a lc o n d i t i o n se c t t h a ti sw o r s ei nt h e w o r ke n v i r o n m e n t d e c ke r e c t i o ng a n t r ya st h es t i f f e n i n gg i r d e rb r i d g ev e r t i c a ll i f t i n gm e t h o d i nl i f t i n gt h es p e c i a ll i f t i n ge q u i p m e n t ，w em u s tc o n t i n u et oi m p r o v et h e i ro w n p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r st ol i f t i n gt h ei n c r e a s i n gd i f f i c u l t yo f t h ew o r ke n v i r o n m e n t ，s ot h ed e s i g no fa s t r o n g t y p h o o ni nt h ee n v i r o n m e n ts u i t a b l ef o rl a r g et o n n a g eo fl i r i n g ，t h ea b i l i t yt ow a l km o r eo n n e 、d e c ke r e c t i o ng a n t r yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e w i t ht h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ez h o u s h a ni s l a n d sl i n kw o r k sw i t hl a r g eb r i d g e - x i h o u m e ns t e e lb o xg i r d e rb r i d g ep r o je c t , an e wt y p eo fd e c ke r e c t i o ng a n t r yp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sh a v eb e e ni d e n t i f i e d s u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n gh o m ea n d a b r o a dd e c kue r e c t i o ng a n t r yd e s i g na n dw o r kc h a r a c t e r i s t i c s ；、析t 1 1t h ed e s i g na n dc o m p a r i s o n o ft h em a j o rc o m p o n e n t so f t h ep r o g r a ma n dt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m i n n o v a t i v e l yd e s i g n t h ew a l k i n gs y s t e mt oa l l o wf o rt h en e wc r a n ec a b l ew a l k i n go nm e i ro w nc a b l es y s t e m s d e c k e r e c t i o ng a n t r ym a d ei ns t r o n gw i n da n dt y p h o o ns h e l t e ru n d e rt h em a i nm e a s u r e sa n dw i n d e q u i p m e n td e s i g n 。f i n a l l y , t h ed r a w i n gm a c h i n ew a sd e s i g na n dd e l i v e r yo ff a c t o r y p r o d u c t i o n t h r e e - d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a ld e s i g ns o f t w a r es o1i d w o r k su s e do nt h en e wd e c k e r e c t i o ng a n t r yf o rav i r t u a lp r o t o t y p ed e s i g n , t h ep a r a m e t r i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea p d l w a su s e o nt h e p r o g r a m m i n gi na n s y s 10 0 ，a n s y s13 o w o r k b e n c hs o f h a r et oc o m p l e t e t h em a i ns t r u c t u r es t r u c t u r ec a l c u l a t i o n ；f i n a l l y , t h ed r a w i n gm a c h i n ew a sd e s i g na n dd e l i v e r y o ff a c t o r yp r o d u c t i o n a tl a s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e san g w t y p eo f d e c ke r e c t i o ng a n t r y , s h a r i n gw i n dt u n n e lt e s t s a n dc o n c l u s i o n so ft h ec r a n e c o m p l e t i n gt h ew h o l em a c h i n ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i so ft h e s t a t i cl o a dt e s tr e s u l t s ，s e to u td i f f e r e n td e s i g ni n s t a l l i n gm e t h o df o rd i f f e r e n tp o s i t i o no ft h e c a b l ec r a n ei n s t a l l e di nt h eb r i d g e - x i h o u m e n w i t ht h ed e s i g nb a c k g r o u n do fl a r g et o n n a g ea n dl o n gs p a ns u s p e n s i o nb r i d g es t i f f e n i n g g i r d e rl i f t i n gi ns t r o n gt y p h o o ne n v i r o n m e n t , 谢mt h eu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p i n g 。f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，b o u n d a r yl a y e rw i n dt u n n e le x p e r i m e n t s t h ed e s i g nc o m p l e t e dt oa d a p tt ot h e e n v i r o n m e n ti nt h es t r o n gw i n d s ，l a r g et o n n a g e ，l i r i n g ，w a l k i n go n l e i ro w nn e wc a b l es e t h o i s t i n gc a b l ep r o t o t y p e ；i ti sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h es e to fc a b l es u s p e n s i o nb r i d g e g t a n e sa n do t h e rd e v e l o p e ds p e c i a ls e to fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y k e yw o r d s ：d e c ke r e c t i o ng a n t r y ：s t e e lb o xg i r d e rl i f t i n g ：w a l ko n 也曲o w n ；h y d r a u l i c l i r i n gt e c h n o l o g y ；x i h o u m e nb r i d g e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 本课题来自于西南交通大学和四川路桥集团共同合作的国家科技支撑计划项目“强 台风环境步履式液压缆载吊机( 2 0 0 8 b a g 0 7 8 0 4 ) 。 1 1 2 课题背景 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着广东汕头海湾大桥【l 】的开工建设，拉开了我国现代化 悬索桥【2 】【3 】建设的序幕。在跨越世纪的十年中，我国先后成功建成了汕头海湾大桥、广 东虎门大桥1 4 1 5 、香港青马大桥【6 】、江阴长江大桥m 、广州珠江黄埔大桥1 8 、厦门海沧大 桥【9 】、宜昌长江大桥1 0 1 、润扬长江大桥等长大悬索桥。这些悬索桥特色鲜明技术上各 有创新，上述悬索桥建设所取得的成就大大缩短了我国现代化长大跨径悬索桥与世界水 平的差距，使中国的悬索桥技术跻身于世界先进行列。同时，伴随着我国长大跨悬索桥 的修建，特别是在沿海、山区、峡谷等地理情况不良地区的悬索桥建设，与之紧密相关 的如缠丝机【1 2 1 13 1 、紧缆机、缆载吊机1 4 1 1 5 1 等悬索桥架设机械1 6 1 1 刀【1 8 】【1 9 】【2 0 1 的相关研究也 面临着新的机遇和挑战，特别是在悬索桥上部结构施工【2 l 】中运用垂直起吊法吊装加劲梁 所使用的专用起重设备缆载吊机( 又名跨缆起重机、跨缆吊机) 的技术水平亟待提高。 缆载吊机及其相关技术起源于国外，根据起升机构采用的驱动动力不同主要分为卷扬机 式缆载吊机、液压提升式缆载吊机。 西堠门大桥陋】【2 3 】是舟山大陆连岛工程中规模最大的跨海特大桥之一，如图1 1 所示。 其走向由北向南，北端连接册子岛，南端连接金塘岛。西堠门大桥采用5 7 8 m + 1 6 5 0 m + 4 8 5 m 的两跨连续钢箱梁悬索桥，其钢箱梁共计1 2 6 段，单段梁标准长度为1 8 m ，最大长 度为1 9 6 m ，箱梁最重为3 6 0 t 。 西堠门大桥地处台风频发区与季风期，每年台风期从5 月至1 1 月，吊装梁段数量多， 而季风对钢箱梁影响甚于台风，故需要在台风期施工安装钢箱梁。西堠门大桥的设计风 速为： ( 1 ) 风况 桥址区风况根据定海气象站的资料进行分析。对该站1 9 5 4 - 1 9 7 0 年资料统计表明： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 常风向为n ( 南风) 和s e ( 西南风) ，年平均风速4 0 - 4 3 m s ，出现频率为1 1 ；次常风 向n w 删，平均风速4 7 5 5 m s ，出现频率9 ；强风向为n w 向，出现频率9 ，平 均风速5 5 m s ，最大风速2 2 m s 。 ( 2 ) 台风 舟山地区是受台风影响频繁的地区之一。据1 9 4 9 - - 一2 0 0 0 年统计资料显示，本区共发 生1 3 3 次影响台风，平均每年2 5 6 次。影响台风最早出现在5 月份，最迟出现在1 1 月份， 其中8 月份出现最多，其次为7 月署1 9 y 。1 9 8 1 年9 月1 日的强台风，镇海风速达4 2 m s ，阵 风在1 2 级以上，8 级以上的大风持续4 天以上，而舟山1 0 级以上的大风竟历时6 0 , 时以上， 狂风加大潮给宁波、舟山沿岸带来极大的损失。 ( 3 ) 高度变化系数风速随高度变化模式中的桥位场地幂指数q 建议值为o 1 6 。 ，。：，! 一。徭蒸霖熏 图1 1 西堠门大桥效果图 西喉门大桥悬索桥钢箱梁吊装施工特点： ( 1 ) 桥梁跨度大，中跨跨径达1 6 5 0 m ，是目前国内建成桥梁跨度最大的悬索桥工程； ( 2 ) 钢箱梁吊装梁段长、数量多：钢箱梁设计为1 2 6 个吊装梁段，梁段最大长度 1 9 6 m ，梁段最大重量达3 6 0 t ； ( 3 ) 因特殊地形以及塔锚区梁段设计限制，对位于西堠门大桥北锚附近的9 段梁， 南塔附近的6 段梁，北塔附近的9 段梁，均无法采用缆载吊机垂直提升方式安装就位； ( 4 ) 上部结构施工工期紧，钢箱梁梁段吊装专用设备缆载吊机在工地现场组拼、 试验、调试、安装就位及吊装钢箱梁时间要求紧。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 3 研究的目的和意义 1 9 9 2 年我国为修建汕头海湾大桥而研制出了我国第一台卷扬机式缆载吊机【2 4 1 ，该机 第一次完成了全套设备的国产化。1 9 9 6 年为满足广东虎门大桥的钢箱梁吊装以及提高悬 索桥架设机械国产化水平，同时研制出了性能更好的h k l j 型卷扬机式缆载吊机 2 5 】【2 6 和 我国第一台液压提升式缆载吊机【2 7 1 。中交集团二公局在润扬长江大桥结合英国多门朗公 司液压缆载吊机相关技术自主研制出了l 江d 3 7 0 0 型全液压提升缆载吊机口8 】【2 9 【3 0 1 。随着我 国长大跨千米级悬索桥的不断立项修建，钢箱梁吊装重量越来越大：沿海、山区峡谷等 恶劣施工环境不断涌现。我国原有的缆载吊机在起升能力、缆上行走能力、自动化程度、 抗风性能、山区特殊地形大角度荡移等方面都存在诸多需要改进的地方；同时国外同类 设备租用费用比较高、改制复杂、不能满足国内工程施工的需要。西喉门大桥位于浙江 省舟山市西堠门海域，台风等级高、潮涌浪大、施工环境十分恶劣，每年平均受3 4 次 强台风袭击，台风主要分布在5 1 0 月。此外，桥区季风强烈，每年1 2 y 到次年3 月频繁 出现7 8 级季风，每月平均达8 1 0 天，对该桥钢箱梁架设十分不利。故自主研制一种适 用于如舟山群岛等沿海地区强台风环境下进行悬索桥大吨位钢箱梁吊装的新型缆载吊机 是有必要的。 1 2 国内外缆载吊机及其相关技术研究现状 悬索桥加劲梁的结构形式主要有钢板梁、钢桁梁、钢箱梁、钢筋混凝土箱梁，不同 形式的加劲梁采用的架设方法也不同；主要架设方法有悬臂拼装法、浮吊架设法、桥面 吊机法、跨缆吊装法和缆索吊装法等。常用的施工吊装设备主要有缆载吊机、缆索吊及 大型浮吊设备。加劲梁的架设顺序主要有从主孔跨中向两侧桥塔推进和从桥塔两侧分别 向主孔跨中推进两种。采用驳船+ 缆载吊机垂直起吊法对大跨悬索桥加劲梁进行吊装最 早起源于1 9 3 1 年竣工的美国乔治华盛顿桥，后用于英国塞文悬索桥、香港青马大桥、 润扬长江大桥、江阴长江大桥等长大跨径悬索桥架设。 1 2 1 国内缆载吊机研究现状 国内已建成的主要悬索桥钢箱梁吊装使用设备情况及性能参数如表1 1 、表1 2 所 示。我国现有修建的悬索桥已广泛使用缆载吊机进行悬索桥加劲梁吊装，并积累了大量 在如广州虎门、汕头、黄埔等沿海强风地区施工经验。同时现有的缆载吊机单机额定起 重量最大已达3 7 0 t ，这样就可采用双机起吊法架设重7 0 0 t 的加劲梁，可满足大多数悬索 桥架设需要。 现阶段卷扬机式缆载吊机依然占据主导地位，这类缆载吊机的优点是结构简单、安装费 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用低、重复性作业能力强，缺点是多吊点吊装时同步精度低，起升高度大卷扬机钢丝绳 过多时，容易使部分钢丝绳与主缆或猫道相互摩擦；且随着跨径的加大钢丝绳绕线增多， 吊具上需增加一定质量的配重才能保证吊具顺利下放；整机起重量小，越来越无法适应 我国修建长大跨悬索桥的使用要求。液压提升式缆载吊机【3 l 】的相关研究在我国起源于虎 门大桥的修建，相比于西方发达国家起步较晚，其关键技术是液压连续同步技术【3 2 】【3 3 】m 】 【3 副【3 6 】，额定起重量决定于所使用的提升千斤项所能承受的最大安全负载和整机钢结构的 承载能力。这类缆载吊机适用于低频次大吨位吊装、同步精度高，缺点在于结构复杂、 操作系统复杂、安装费用高。随着我国液压连续同步提升技术的快速发展、相关企业如 上海同新机电有限公司、柳工欧维姆机械有限公司在大型结构件吊装方面的应用实践， 相关的液压控制核心技术已逐渐被我国掌握。相信随着我国悬索桥施工技术的发展和其 它相关技术的发展，液压提升式缆载吊机将会更加广泛应用于更大吨位、多吊点的悬索 桥加劲梁架设安装施工安装工程中。 表1 1 国内已建成的主要悬索桥缆载吊机主要参数 桥梁名称缆载吊机主要技术参数设备情况 广东虎门大桥卷扬机式缆载吊机额定起重量为3 6 6 t 、起升高度8 0 m 、最大起 湖北宜昌大桥升速度l m m i n 、工作最大坡度2 2 0 、单机适应梁段重量1 8 8 t 。液压 提升式缆载吊机单机设计起吊能力为4 0 0 t 、起升高度1 4 0 m 、起升 速度1 3 m h 、工作最大坡度2 5 。 厦门海沧大桥卷扬机式缆载吊机单机额定起重量为1 9 0 t 、吊机工作高度8 0 m 、 非起升高度1 5 0 m 、最大起升速度( 重载) l m m i n 、工作最大坡度 3 0 0 、单机适应梁段重量1 9 0 t 。 珠江黄埔大桥蚓单机额定起重量为2 8 0t ，工作坡度为2 6 0 。 汕头海湾大桥单机额定起重量为1 8 0 t 、起升高度9 0 m 、最大起升速度2 5 m r a i n 、 湖北西陵大桥 工作最大坡度2 5 3 6 0 。 润扬长江大桥单机额定起重量3 7 0t 、平均提升速度3 6 m h 、最大起升速度 5 4 m h 、起升高度2 5 0 m 、吊机自重( 含扁担梁) ：l o o t 、吊机适应主 缆最大倾角3 0 0 。单机提升能力：3 7 0t ，1 2 5 安全储备，双机同 步起吊可适用于吊装节段重量7 4 0 t 钢箱梁安全吊装作业。作业气 象条件：工作温度 - 1 0 0 c ；工作状态最大风速牛2 5 m s ( 吊机处3 秒阵风) ；非工作状态最大风速牛5 5 m s ( 吊机处3 秒阵风) 。 江苏江阴大桥双机总起重能力为1 4 0 0 t ，平均起升速度3 6 m h 、工作最大坡度3 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表1 2 国内已建成的主要悬索桥钢箱梁吊装使用设备情况 桥梁名称跨径提升方法设备情况 广东虎f - j ：k 桥 8 8 8 m卷扬机式、液压提升式缆载吊机 国内研制 厦门海沧大桥 1 1 0 8 m *卷扬机式缆载吊机 国内研制 珠江黄埔大桥 1 7 4 8 m 卷扬机式缆载吊机n 7 1国内研制 汕头海湾大桥 4 5 2 m 卷扬机式缆载吊机 国内研制 湖北西陵大桥 9 0 0 m卷扬机式缆载吊机 租用 湖北宜昌大桥 9 6 0 m 卷扬机式缆载吊机汹3租用 江苏江阴大桥 1 3 8 5 m 液压提升式缆载吊机 英方设备 润扬长江大桥 1 4 9 0 m液压提升式缆载吊机 国内研制 注：峙旨钢箱梁长度 1 2 2 国外缆载吊机研究现状 器铆唏卜| | 晦j 喀一 毛：鎏誊避 图1 2 丹麦大贝耳特桥海峡上跨海大桥东桥钢箱梁吊装 悬索桥加劲梁垂直起吊法起源于英美等发达国家，最早出现的是卷扬机式缆载吊 机。美国三藩市海湾桥首先采用驳船将重约2 0 0 t 的桁架式加劲梁运到桥下抛锚定位，然 后用跨缆起重机用四吊点提升将加劲梁提升到位。每塔侧各设4 台卷扬机，其吊重用钢 丝绳从卷扬机出来绕过塔顶，沿主缆通到跨缆起重机上的上的4 套滑轮组来提升一预制 梁段。为保证吊装过程中梁段不倾斜，在梁段上设置重摆式装置；当该重摆在梁段倾斜 时，就使电路连通发出梁段水平调整信号。美国韦拉扎诺桥是三跨悬索桥，桁架式加劲 梁节段重1 6 3 t 至3 5 7 t 。每塔下各设2 台卷扬机，卷扬机提升用钢丝绳经过塔顶顺着猫道 通过跨缆起重机的定滑轮组提升梁段。卷扬机静止拉力2 7 0 k n ，提升拉力是15 9 k n 。跨 缆起重机的行走轮为了避免磨损主缆采用木制轮，整机卡在索夹两端定点提升梁段。英 国塞文悬索桥上的钢箱梁加劲梁节段重1 3 0 吨，全桥共有8 8 段箱梁。提升箱梁用的跨缆 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 起重机吊重用卷扬机布置在塔顶临时施工平台上，一边是2 台双滚筒卷扬机( 牵引力为 1 0 0 k n ) ，跨缆起重机的行走轮设计为木制车轮。在吊装梁段时，跨缆起重机的端梁上的 形状同主缆相配合的钢靴支承，卷扬机引出的牵引钢丝绳顺主缆通过跨缆起重机上的定 滑轮组，再让两滑轮组提着一横向扁担梁，然后从每一扁担梁的中点垂下一根起重吊索， 各自吊住梁段的一侧采用两吊点提升。提升顺序从两塔方向推进，并从不同方向增加一 些临时绳索来帮助纠正梁段在两吊点提升过程中晃动、摇摆、旋转现象，增加了水箱压 重使梁段的重心同吊点保证在同一点。丹麦小贝尔特三跨悬索桥，为钢箱梁式加劲梁节 段重2 8 0 吨，采用4 吊点提升，为使每一条主梁的两牵引起重绳拉力相等，将两绳的末 端相连而且在绳与主梁之间设一夹子，避免了4 吊点超静定问题，架设顺序是从跨中向 两塔方向推进。使用卷扬机式缆载吊机的还有土耳其博斯普鲁斯海峡悬索桥、英国亨伯 桥。 随着机电液控制技术的发展，国外液压提升式缆载吊机的研发应用水平得到了大力 提升。其中最突出的代表是英国多门郎公司，最典型的施工案例是丹麦大贝耳特桥海峡 上跨海大桥东桥钢箱梁吊装，如图1 2 所示。 图1 3 日本丰岛大桥用卷扬机式缆载吊机局部图 除了英美等发达国家以外，日本也是一个悬索桥建设大国，修建的长大跨悬索桥有 明石海峡大桥、来岛第三大桥、南备赞濑户大桥等。日本主要采用的是卷扬机式缆载吊 机。以丰岛大桥采用卷扬机式缆载吊机为例，如图1 3 所示。缆载吊机由安装在端梁上 的4 台鼓形滚柱直接在主缆上行走，用卷扬机收卷钢丝绳的方法来进行驱动。跨缆起重 机缆上部分先在工厂内进行地面组装和试运转，然后用8 0 0 吨级的驳船由海上运到枝越 海面，再用1 3 0 0 吨级的浮吊在涨潮时吊装到安装位置，每台跨缆起重机依次进行到整体 架设。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 3 缆载吊机相关技术发展现状 随着我国长大跨悬索桥在不断修建，液压提升式缆载吊机的应用更加广泛，其技术 水平更加依赖于起重机设计技术、液压连续同步技术、起重机抗风设计技术等的发展。 ( 1 ) 起重机设计理论的发展现状 目前起重机设计方法主要包括传统设计法、有限元分析法 3 9 、计算机辅助设计法、 可靠性设计法【4 0 】【4 1 】 4 2 】【4 3 】m 】、最优化设计法【4 5 1 等。传统设计方法是进行起重机械设计的 基础，它主要通过力学、数学建模及试验等所形成的经验公式【4 6 1 、图表、标准及规范作 为依据，运用条件性计算或类比等方法进行设计。随着有限元技术、模块化设计法、优 化设计法等机械先进设计方法的不断发展，起重机械在轻量化研究4 7 】【4 8 】【4 9 1 、模态分析跚 等技术领域取得了诸多突破，研发出了大量结构紧凑、自重轻、性能卓越的起重设备。 先进机械设计方法对于缆载吊机等悬索桥架设机械的设计研究具有重要意义。 ( 2 ) 液压同步提升技术的发展现状 液压同步提升技术是国内自九十年代发展起来的一种新的大吨位吊装施工技术。主 要采用液压提升器集群、柔性钢绞线承重、计算机控制、液压同步提升新原理，同时结 合现代化施工工艺，成功实现超大型构件的大跨度、超高空整体提升。具有以下特点： 通过模块化设备的集群组合，使被提升构件的质量、面积、跨度不受限制，实现 地面拼装，整体提升，缩短施工周期，保证施工质量； 采用柔性钢绞线作为承重索具，只要有合理的承重支点和吊点，可使提升高度不 受限制，实现长距离、超高空提升； 提升器锚具具有逆向运动自锁性，使提升过程十分安全可靠，并且构件可在提升 中的任意位置长期可靠锁定； 设备体积小，自重轻，承载能力大，特别适宜于在狭小空间或室内进行大吨位构 件提升安装。 设备自动化程度高，操作方便灵活，现场适应性强。它已经在我国的重大工程建设如 上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆和北京西客站主站房钢桁架整体提升等工程中得到 了成功的应用。 钢绞线g 导装置 液压提升千 斤顶( 2 0 0 t ) 图1 - 4 液压提升系统结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 基于液压同步提升技术而设计的液压提升系统主要由柔性钢绞线、刚性支架承重系 统、电液比例液压控制系统、计算机控制系统及传感器检测系统等组成。柔性钢绞线系 统主要由液压提升千斤项、提升支撑基座、钢绞线导向回绳器等组成，其关键设备液压 提升千斤项根据运动机理的不同分为间歇式和连续式液压提升千斤顶。连续式液压提升 千斤项的优点在于将上、下两主液压缸串联组合，利用两主液压缸的速度差进行负载转 换并配以两锚具交替锁紧钢绞线，实现承载钢绞线在不停顿的情况下交接载荷、连续作 业。既提高了提升效率又避免了惯性冲击引起的安全性问题。 液压提升系统不仅应用于缆载吊机中，而且还广泛应用于斜拉桥桥面吊机、大型构 件吊装系统中。 ( 3 ) 起重机抗风设计研究现状 起重机械风载荷分为工作状态风载与非工作状态风载两大类，工况不同下风载荷占 全部载荷的比例不同。在非工作状态下，风载荷起决定性作用。风速的脉动以及横风向 涡流频繁地脱落容易使整机在顺风向横风向都产生振动，结构不对称还会引起弯扭耦合 振动。传统起重机械风载荷计算，简单的将风力作为静载荷施加于结构的迎风面【5 1 】【5 2 】 上，较少考虑结构在脉动风作用下产生的风致振动问题。然而随着起重机械应用范围的 不断扩大，研究发现结构风的动力效应已成为控制超大型机械结构的安全性、舒适性和。 经济性的关键因素。新版起重机设计规范( g b t 3 8 1 1 2 0 0 8 ) 风载荷部分主要参考建 筑结构的风载荷规范，对于风荷载还是以静风状态计算。研究起重机械在采用不同结不 同构件类型下的考虑空气动力效应的风力系数c 的取值成了研究结构风致振动的关键因 素。采用传统风载荷计方法，对风载荷计算偏小容易导致结构因整体稳定性不足发生事 故】【5 3 】，对风载荷计算保守整机结构将过于笨重降低经济效益和使用性能。起重机械风载 荷的研究方法来自于结构风工程，其主要的研究方法有：随机振动理论为基础的理论分 析方法、直接利用现场仪器检测的现场实测法、边界层风洞试验研究、流体动力学、数 值分析m 】【”j 为基础的数值风洞计算。其中，随着计算流体动力学、计算结构动力学、计 算机软硬件技术、数值计算科学的发展，基于c f d 、c s d 数值计算技术，应用“数值风 洞 技术对起重机械结构所处的大气边界层风场环境、结构绕流流场、结构所承受的风 荷载及其动力响应等技术领域进行数值模拟具有广阔前景。 1 3 本文研究内容 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 针对舟山大陆连岛工程的跨海特大桥一西堠门大桥所处的强台风环境及其钢箱 梁吊装施工特点，确定适用于沿海地区强台风环境、大吨位加劲梁吊装的新型缆载吊机 的性能指标和技术参数。 ( 2 ) 总结国内外不同类型的缆载吊机的设计方案和工作特点，对整机各主要结构 组成系统和液压控制系统进行方案比选和具体设计；并对新型缆载吊机在强台风环境下 工作的防风抗风措施进行研究，最终完成了整机的总体结构设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 选用三维机械设计软件s o l i d w o r k s 建立新型缆载吊机的虚拟样机模型，运用 参数化编程语言编程a p d l 在a n s y s l0 0 、a n s y s l3 0 w o r k b e n c h 软件平台上完成 主要结构件结构计算；最后完成整机的工程图设计和样机制造。 ( 4 ) 针对强台风环境下的新型缆载吊机样机进行风洞试验分析和拟定型式试验方 案。根据整机结构组成特点确定整机各主要组成系统上缆安装顺序，并结合西堠门大桥 钢箱梁吊装方案设计出了整机上缆安装方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章强台风环境液压缆载吊机关键参数的确定 2 1 西喉门大桥钢箱梁架设方案概述 2 1 1 西堠门大桥钢箱梁安装总体布置 根据西堠门大桥钢箱梁的设计、制造加工、运输与吊装施工环境特点，参考国内外 其他钢箱梁悬索桥安装经验，并考虑a 1 梁段重量钢箱梁段与吊具总重量已超过4 0 0 t l 钓实 际情况，决定主要采用传统的驳船+ 液压提升式缆载吊机法安装。其中北塔区海域因驳 船无法就位而用卷扬式吊装系统通过荡移作业完成吊装。所有无索区梁段都搭设钢结构 支架作为临时存梁与线形调整的作业施工平台，各梁段安装方法见图2 1 所示。 注： 采用单台趣蠢吊饥垂直起吊法安蓑： 口采用革台组囊吊机筠移+ 固定直瓤+ 移动主囊洼安誓； c 采用卷扬式吊爱系统荔移法+ 固定支瓤法安麓 d 采用悫掳式吊藿累统荡移| 去安餮： 果用单台氧t 吊机为移法安蓑 图2 一l 西堠门大桥钢箱梁安装总体布置图 2 1 2 西堠门大桥钢箱梁安装顺序 影响西堠门大桥钢箱梁安装的主要因素包括两跨连续漂浮体系的结构受力特点、南 北锚碇无索区及北塔无索区梁段的线形调整、相邻有吊索梁段的连接要求等。在满足设 计要求的前提下，为确保钢箱梁吊装、架设线形与塔柱安全，同时考虑西南交通大学、 同济大学和西堠门大桥建设指挥部对台风高发期钢箱梁安装架设方案研究成果，确定钢 箱梁的架设顺序为： ( 1 ) 对航道进行拓宽，搭设南北塔与北锚位置存梁钢结构支架，安装3 台缆载吊机； ( 2 ) 北锚缆载吊机行走至2 1 号梁位置，南塔缆载吊机行走至4 3 号梁位置，开始对北边 跨与中跨南侧梁段进行安装； ( 3 ) 悬索桥中跨侧缆载吊机行走至跨中位置； ( 4 ) 在北塔附近安装卷扬式吊装系统，开始中跨跨中梁段安装； ( 5 ) 从中跨跨中位置向两塔、从北锚向北塔附近依次对称安装梁段，安装到规定阶段 后；按照防风避风方案避台： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 6 ) 依次对称安装中边跨梁段，直至最后剩下3 个合龙段； ( 7 ) 按顺序依次吊装合龙段5 0 号、5 1 号及4 3 号梁段，并进行临时连接； ( 8 ) 对各梁段接口处标高与缝宽进行微调后，开始钢箱梁焊各梁段间的焊接作业，同 时塔锚无索区及附近梁段线形进行调整并焊接，钢箱梁安装工作结束。 2 2 新型缆载吊机的性能要求和设计依据规范 根据西堠门大桥钢箱梁、主缆、索夹等设计参数、吊装作业气象条件、吊装工作条 件和安全标准以及能经适当改装后可适用于其他大跨径悬索桥钢箱梁吊装的通用化要 求，确定整机性能要求、设计依据规范和应满足的标准。 2 2 1 新型缆载吊机设计性能要求 ( 1 ) 缆载吊机结构性能要求 缆载吊机在主缆上能安全行走和固定，不能对主缆产生损伤；横梁、行走系统、扁 担梁易于在不同缆径、主缆间距调整；单机作业和双机同时作业都要能保证同步提升； 整体结构设计要能满足特殊钢箱粱吊装施工要求。 ( 2 ) 缆载吊机起吊系统性能要求 单机安全起吊能力 ，4 0 0 t 、钢箱梁提升速度：2 0 m h 3 0 m h 、放索速度：术1 5 m h 、 提升索股长度：术2 5 0 m ，安全系数不小于现有相关规范及行业标准要求。 ( 3 ) 缆载吊机行走系统要求 行走系统缆上行走速度( 上行速度) 1 0m h ，能够克服现有缆载吊机的不足，具 备缆上自动夹缆、松缆和自行行走功能，安全系数不小于现有相关规范及行业标准要求。 ( 4 ) 缆载吊机中央控制系统性能要求 中央控制系统能够对整机液压提升系统、行走系统、动力系统等进行自动和手动控 制，能自动监测所有油缸、液压泵站、动力系统等状态参数，缆载吊机在工作状态下能 自动进行程序修正、状态调整和制动报警；单机的液压提升系统、行走系统应有较高的 ， 同步精度，并能够实现双机同步起吊和彼此主动、被动控制。 ( 5 ) 缆载吊机动力系统性能要求 能根据中央控制系统动力供应指令，同时或单独向所有千斤顶提供液压动力；能自 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 动调整液压油升温或降温。 2 2 2 新型缆载吊机设计依据的规范 起重机参照、选用以下标准： ， ( 1 ) 起重机设计规范( g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 8 ) ： ( 2 ) 钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) ； ( 3 ) 起重机试验规范和程序( g b 5 9 0 5 8 6 ) ： ( 4 ) 起重机械安全规程( g b 6 0 6 7 8 5 ) 。 2 2 3 新型缆载吊机主要技术参数 根据西堠门大桥钢箱梁、索夹、主缆缆径、主缆缆间距等设计参数，以及钢箱梁吊 装工期、缆载吊机安装拆除方式、作业气象条件等，最终确定的缆载吊机主要技术参数 和技术指标如下： ( 1 ) 能够满足西堠门大桥的主缆间距为3 1 4 m 、直径为8 6 岫的缆上架设要求 ( 2 ) 提升能力：4 0 0 t ( 安全工作荷载) ，可两台吊机联机工作。 ( 3 ) 液压提升千斤项：2 x 2 0 0 t ( 安全工作荷载) 。 ( 4 ) 工作速度：平均提升速度2 4 n h 、最大提升速度3 0 砒( 当液压提升千斤项项伸 时) 、最大下放速度：1 5 m j h 。 ( 5 ) 提升索股长度：2 5 0 m 。 ( 6 ) 吊机自重( 含扁担梁及吊具) ：1 4 m 、吊机作用在主缆上的最大压强1 0 m p a 。 ( 7 ) 吊机适应主缆最大倾角：3 0o 、缆上平均行走速度( 上行速度) ： 1 0 n = l ：h 。 ( 8 ) 行走机构跨越索夹能力：1 7 0 0 m 长x 4 0 0 m m 高。 ( 9 ) 动力来源：柴油动力液压动力箱。 ( 1 0 ) 作业气象条件：工作温度 1 0 0 c ；工作状态抗风等级8 级，非工作状态抗风 等级1 2 级。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 本章小结 本章介绍了西堠门大桥钢箱梁安装总体布置架设方案和架设顺序，针对西堠门大桥 的钢箱梁架设施工条件和需要，确定了强台风环境下新型缆载吊机的性能要求和设计依 据规范和主要技术参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章强台风环境液压缆载吊机总体设计 3 1 现有缆载吊机主要设计方案概述 缆载吊机作为悬索桥加劲梁采用垂直起吊法安装的专用起吊设备，一般情况下是根 据某座特定的悬索桥的具体特点进行设计的，具有专一性、小批量的特点。研究现有不 同类型的缆载吊机设计方案和工作情况，对新型缆载吊机的设计具有重要的借鉴意义。 3 1 1 现有卷扬机式缆载吊机设计方案概述 图3 - 1h k l j 型卷扬机式缆载吊机缆上布置示意图 应用于虎门大桥的h k l j 型卷扬机式缆载吊机是现有国内卷扬机式缆载吊机种的典 型代表，如图3 1 、3 - 2 、3 3 所示。该机主要分缆上结构部分和地面卷扬机部分。缆上结 构部分由主梁和端梁组成，主梁为承重型结构采用桁架结构，端梁采用箱型结构与主梁 相连并安装有夹缆机构、防偏机构、行走机构、液压油缸等部件。地面卷扬机部分主要 由电气控制系统、牵引滚筒、储绳筒、过载保护装置、高度、荷载指示仪、传动部分等 组成。h k l j 型卷扬机式缆载吊机的起升高度可达到1 5 0 m ，卷筒的容绳量长达1 2 0 0 m 。 起升机构的东塔卷扬机布置在地面，西塔卷扬机布置在塔底承台上。塔底和塔顶处设置 转向滑轮、在猫道上每隔6 6 m 布置一个托绳架用以托住钢丝绳，其后端连到缆载吊机主 梁两端的定滑轮上。该布置可使起升机构的设计限制少、减轻整机缆上部分重量，顺利 保证主梁在端梁上的荡移和回复到水平位置。整机的定点起吊和缆上行走分开进行，缆 上行走用起升机构上的2 台卷扬机来牵引设置在端梁上的由油缸驱动可伸缩的t m c 工 程尼龙车轮滑行完成。在跨越索夹前移时手动操作车轮组油缸依次收起待跨越的车轮和 伸出已完成跨越的车轮。在定点起吊时整机依靠端梁上的承重座支撑承重，此时行走车 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 轮收起，在行走时将行走车轮顶出以支撑缆载吊机缆上行走。行走支撑和起重支撑分开 的方案满足了轮压要求和起吊时整机对主缆接触应力的要求，同时端梁上安装夹缆机构 来克服钢丝绳固定的不足和满足非工作状态的抗风要求。 粼 图3 - 2h k u 型卷扬机式缆载吊机缆上作业图 图3 - 3i - i k l 2 型卷扬机式缆载吊机端梁 图3 4 日本丰岛大桥卷扬机式缆载吊机端梁 国内其它类型的卷扬机式缆载吊机的结构组成与h k i j 型卷扬机式缆载吊机的组成 结构大同小异，长沙理工大学将主梁与端梁间的铰支座进行了重新设计并将起重行走用 卷扬机安装在塔顶以增大缆载吊机的荡移角来满足山区悬索桥架设需要；广东省长大公 路工程有限公司将动滑轮连接在扁担梁重心处使整机承重结构受力更加合理。日本丰岛 大桥卷扬机式缆载吊机端梁行走原理同h k u 型卷扬机式缆载吊机，但在手动抱夹采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 铰接无需拆卸大大减轻了工人高空作业难度，如图3 - 4 所示。 3 1 2 现有液压提升式缆载吊机设计方案概述 ( 1 ) 虎门大桥液压提升式缆载吊机 我国第一台液压提升式缆载吊机应用在虎门大桥的架设上，主要由液压提升系统、 小扁担、上扁担、横向通道梁、端梁、顶升行走机构、防跌装置等组成，如图3 5 、3 6 所示。横向通道梁两端分别与上扁担连接构成整机的主梁，上扁担通过销轴“悬挂 于 端梁上，保证整机在主缆上的任意位置主梁始终都能置于最好的受力状态。主梁上有两 个上扁担梁，每个上扁担的两端都设置一套液压提升系统。上扁担梁的中心与主缆的中 心、钢箱梁上的临时吊点都位于同一中心线上就使加劲梁对横向通道梁不产生内力，横 向通道梁只受自重作用受力合理结构轻便。整机在主缆上的行走方式和端梁主要结构同 h k l j 型卷扬机式缆载吊机相似，并在端梁上设置防跌装置。缆载吊机在主缆上纵移时， 在索夹处安装特制木质垫块及铁板焊制的弧形垫板后将下支承索夹拆除，防跌装置的侧 轮摆入紧靠主缆滚动起定位导向作用，车轮组伸出直至承担整机重量，操作塔顶处的卷 扬机系统完成整机在主缆上的纵移。 图3 5 虎门大桥液压提升式缆载吊机结构示意图 图3 6 虎门大桥液压提升式缆载吊机端梁结构示意图 缆载吊机的起升机构采用液压连续提升千斤顶系统，由4 台y d c l t 2 0 0 0 2 0 0 千斤 顶、2 台4 y b z 9 0 - 2 5 泵站、一个丰摔制箱及钢绞线、金属构架( 横向通道梁) 组成；提 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 升工作原理是用钢绞线与构件夹持器把重物、提升千斤顶、承重构件三者连接起来，