（机械工程专业论文）缆索起重机的关键技术研究.pdf

蓖南交通大学颈士研究生学 蠹论文第l 页 摘要 缆索超重枫具有跨度大、速度快、效率高、总体绪构简单、造价低廉等突 出特点，广泛应用于采矿工业、森林置业、桥粱建筑、水电建筑工程等的施工 作业中。缆索起重机主要由主索、工作索、塔架、载重小车及锚圆装置组成。 本文介缁了缆索起重祝的作用、发震历史以及缆索超重极的分类。禳摆悬 索理论导出了主索的张力方寨，从而可计算出主索的张力、垂度，为主索的选 型奠定了基础。 塔架是主索的支承，受力情况复杂。为了保诞塔絮豹安全，必须设置风绳。 本文宅l 造性她提出了缆风缀与塔架共同作用豹理论模型，褥出了缆风绳减轻塔 架水平载荷的计算表达式，为塔架的受力分析提供了理论依据。 根据拱桥施工的需要，还设计了载重小车，工作索、扣索等。 大跨度拱桥施工是一个系统工程，必须妥善魄组织好各项工作。奉文根据 缆索起重枫的工作特点，结合具体工程提出了施工的方案。实践证明，这台缆 索超重机的研究和设计鞭及工程施工是成功的，获褥了越好的经济效益和社会 效慈。 关键词：缆索起重机；施工；惫索；塔架；载重，j 、荜 西南交迸大学硪士研究生学位论文第l 页 a b s t r a c t l a r g es p a n ，h i g hs p e e d ，h i g he f f i c i e n c y , l o wl o s ta n ds i m p l es t 硼c t u f ea l et h e m a i na d v a n t a g e so fac a b l ec r a n e , t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e di nt h ef i e l ds u c ha st h e l i f t i n ga n dt h ec o n s t r u c t i o no fm i n e r a li n d u s t r y , f o r e s ti n d u s t r y , b r i d g ec o n s t r u c t i o n a n dw a t e re l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g 髓ec a b l ec r a n ec o n s i s t so fm a i nc a b l e ，w o r k i n g c a b l e ，t o w e ra n dt r o l l e y 喇1 cu s a g ea n dd e v e l o p m e n th i s t o r yo fc a b l ec r a n ea n da n c h o re q u i p m e r i ta r e i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h et e n s i o nf o r c ee q u a t i o no ft h em a i nc a b l ei sd e d u c e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs u s p e n d i n gc a b l e ，t h e r e f o r e , t h eb a s eo ft h em a i nc a b l e s e l e c t i n gi sf o u n d 。 1 1 1 ct o w e ri st h es u p p o r to ft h em a i nc a b l ea n dt h ef o r c e sa c t i n go nt h et o w e ra r e v e r yc o m p l e x 。i no r d e rt oi n s u r et h es e c u r i t yo ft h et o w e r , t h ew i n dc a b l em u s tb es e t 却。t h i st h e s i sp u tf o r w a r dc r e a t i v e l yt h et h e o r e t i cm o d e lw h i c ht h ew i n dc a b l ei s w o r kt o g e t h e rw i t ht o w e r , t h ef o r m u l aw h i c ht h ew i n dc a b l ei su s e dt or e d u c et h e h o r i z o n t a ll o a do ft h et o w e ri sd e d u c e d ，a n dt h et h e o r yf o rt h et o w e ra n a l y s i si sg i v e n t h et r o l l e yw o r kc a b l ea n dd e t a i nc a b l ea l ea l s od e s i g n e da c c o r d i n gt ot h en e c e s s a r y o f c o n s t r u c t i o n 。 t ob u i l dal a r g es p a na r c hb r i d g ei sas y s t e m a t i ce n g i n e e r i n ga n da l lk i n d so f w o r km u s tb eo r g a n i z e d t h ec o n s t r u c t i o n ss c h e m eo ft h ea r c hb r i d g ea c c o r d i n gt o t h ec a b l ec r a n ei sp o i n t e do u ti nt h i st h e s i s i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g na n dr e s e a r c h o ft h ea r c hb r i d g ea r es u c c e s s f u l ，a n dt h eg o o de c o n o m i ca n ds o c i a le f f i c i e n c ya l e o b t a i n e d k e y w o r d s ：c a b l ec r a n e ，c o n s t r u c t i o n ，s u s p e n dc a b l e ，t o w e r , l o a d d o l l y 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 缆索起重机的作用和发展概况 1 1 1 缆索起重机的作用 缆索起重机是以悬挂于两支点之间的钢索作为承载结构，利用载重小 车在其上往返移动进行货物起重和归装作业的一种起重机械与其它起重 机相比，它具有跨度大、速度快、效率高、总体结构简单、造价低廉等优 点，并且不受气候和地形条件的限制，在特定的条件下能发挥其它起重技 术所不能发挥的作用因而它被广泛应用于采矿工业、森林工业、桥梁建 筑、水电建筑工程等的起重和施工作业中。i h l 在采矿工业中的露天矿场，应用缆索起重机进行起重和搬运作业，可 以减少许多运输线，并合理利用空间位置，扩大了作业范围，简化了工艺 组织，且拆卸方便，因此与其它起重设备相比具有较好的经济性。 在森林工业集材作业中，应用缆索起重机，可提高生产效率、降低成 本、保护地表、有利于水土保持及水源涵养，由此克服了其它起重设备在 高山陡坡、深沟峡谷等复杂地形处难以发挥优势的弱点，是高山林区比较 合理的集材工具。 在贮木场、木材厂、人造板厂、造纸厂等生产现场，可用缆索起重机 进行原材料的起重、归装作业。在有的原料贮场、废材及垃圾作业场中， 缆索起重机的堆高作业，其生产率可达1 5 0 m h 以上，堆高高度可达l o o m 以上，长度可根据需要达到几千米以上。在码头和渡口中可应用缆索起重 机进行货物出河、推河、装卸，贮存作业及特种货物和交通车辆的过渡。 【l l 在桥梁工程中，特别是大跨度拱桥施工中，利用缆索起重机取代施工 支架进行无支架施工，可以提高安装施工的质量和效率，降低了成本，也 简化了工艺组织，因而得到了极为普遍的应用。如今，大跨度拱桥，无论 是钢结构，还是钢管混凝土，或是箱形混凝土拱桥，都采用缆索起重机来 施工 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在水利建设中可应用缆索起重机建造水坝、水库、船坞、运河水闸、 堤道等；还可以用缆索起重机进行河道整治，疏浚和挖掘工作 总之，缆索起重机可用于很多工业建设和工程施工领域，是一种用途 广泛的起重运输机械。 1 1 2 缆索起重机的发展概况“删 缆索起重机由架空索道技术演变而成，其发展历程可追溯到远古时 代。那时人们为了寻求跨越悬崖、河流的捷径，运用架空悬吊的方式，以 藤条或竹蔑编制而成的绳为索悬于空中载人载物，实现了跨越运行的目 的，这种运行方式即为架空索道技术的雏形随着制索技术的提高，麻索 的出现和运用使该技术形成了一定的体系，由人在吊蓝内用手拉动绳索而 沿着绳索移动发展为具有装设滚轮的吊蓝设备，并能用畜力牵引驱动运 行。由于麻索及其它纤维制成的索强度低、寿命短，这就大大的限制了索 道的能力和发展速度，在漫长的岁月里，这种技术只能用于临时性跨越或 娱乐性工具之用，没能真正应用于建设之中。 十九世纪，随着钢铁冶炼技术的发展，钢索的问世，使缆索起重技术 开始应用于生产建设之中，并沿着两个分支迅速发展，即以长距离运输为 目的的“架空索道”，和以起重、装卸、集归作业为主要目的“缆索起重 机”。开始形成缆索起重技术的一些理论和概念，并在生产研究中得到了 提高和完善 应用缆索起重技术起步较早，应用比较广泛的国家有前苏联、美国、 德国和日本等。俄罗斯在1 9 世纪7 0 年代缆索起重机的结构比较简单，均 属于简易固定式，功能单一，生产效率低，因而发展速度不快。在2 0 世 纪初，特别是大力发展工业化生产的过程中，缆索起重机作为起重运输机 械的一种重要形式在前苏联得到了蓬勃的发展，4 0 年代末期到5 0 年代初 期研究出许多新颖而科学的结构和方案，并形成了比较完整的设计理论体 系。 我国的缆索技术虽然历史很久，但因工业长期处于落后状态，未能得 到发挥和总结提高。在2 0 世纪初，我国北方森林工业和南方采矿工业中 就有缆索起重机的应用例子，那时人们创造了手摇铰磨，以此为动力，利 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用钢索和滑轮组成简单的导绕方式，用于集运木材、搬运矿石和货物，虽 然结构简单，功能单一，也存在一些问题，但在应用中起到了积极的作用， 也产生了一定效益，是我国工业生产中应用缆索起重技术的最早时期。以 后由于缺乏动力，缆索起重机没有发展起来解放后，我国在学习国外技 术的同时引进了一些动力设备和材料，为缆索起重机在我国的应用创造了 良好的条件首先在森林工业和采矿工业试制和应用，产生了巨大的经济 效益和社会效益，以后推广到建筑工业的同时，结合我国的国情和行业特 点，大胆进行创新，先后研制出移动式、双联式、绗架式等多种形式的结 构，并很快在生产中得到了推广应用。6 0 年代初期，随着缆索起重机所需 设备的国际化、功能多用化，使缆索起重机得到了高速的发展，成为多结 构、多功能的工业主要起重运输设备之一今天，虽然各行业都不同程度 地引进和装备了一定规模和数量的大型起重设备，但作为具有独特优点的 缆索起重机仍然没有失去它的应用价值，同样以独特的优势服务于各行各 业的现代化建设中 1 2 缆索起重机的类型与典型结构。2 1 1 2 1 缆索起重机的类型 1 缆索起重机按支架方式分类 ( 1 )简易支架式缆索起重机。以原木或以原木制成的塔架为支架，支架 高度在2 0 c m 以内，提升高度在1 5 以内，以工厂和森林工业中应用最多， 有时工程建设也有采用，如图1 - 1 所示。 ( 2 )钢塔支架式缆索起重机。以桅杆钢结构或塔架钢结构为支架，支架 多在5 0 m 以内，在工程建设中应用最多，在工业生产中应用较少。如图 1 1 b 、c 所示。 ( 3 )无支架式缆索起重机。根据地形特征架设，两索端分别固结于两岸 的适当位置。在矿山工业和森林工业中应用较多，如图1 1 d 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜1 缆索起重机支架方式 2 缆索起重机按其服务功能分类 ( 1 ) 装卸式缆索起重机主要用于装卸作业，相对来说起重量比较大、 跨度比较小，该结构往往以固定形式出现，多为双索或多索结构。 ( 2 ) 集贮运式缆索起重机。以归堆、集料、贮货、短途运移为主要功 能，相对来说起重量较小，跨度较大。 3 缆索起重机按承索跨的数目分类 ( 1 ) 单跨缆索起重机应用最广，形式最多，并有多种功能。 ( 2 ) 跨缆索起重机。应用较少，只在假设长距离桥梁和特殊地形的工 业建设中应用，多跨缆索起重机功能比较单一。 4 缆索起重机按其结构形式分类 ( 1 ) 固定式缆索起重机根据其服务特性又可分为固定式、三点式、 附加吊臂式、支架摆动式、双联式和绗架梁式等，如图1 - 2 所示 。一”一曲帮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 a ) 固定式b ) 三点式c ) 附加吊臂式d ) 支架摆动式e ) 双联式f ) 绗架梁式 图卜2 固定式缆索起重机示意图 ( 2 ) 移动式缆索起重机。根据其结构形式又可分为平行移动式和移 动式，平行移动式以支架移动式和桥梁移动式为主，径向移动式以定 心移动式和同心移动式为主，如图卜3 所示。 幕 印皆 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 l i t t t j 上上 8 ) ，b ) 支架移动式c ) 桥架移动式 f ) d ) 、e ) 定心移动式f ) 同心移动式 图卜3 移动式缆索起重机示意图 5 缆索起重机按承载索的张紧方式分类 ( 1 ) 承初张力载索钢性固结式。承载索钢性地固结于支架上或支架以外 的地锚上，在装配时获得，但随工作时间的增加，工作过程中承载索将被 拉长，这时初张力可用螺旋拉紧装置来调整。 ( 2 ) 承载索由摆动塔架固结。具有摆动塔架的承载索依靠着对重的塔架 重量来获得初张力，当载重小车沿着绳索移动时和货重变动时，摆动塔架 的倾斜度和小车作用于此塔架的压力将略有变动，承载索的张力也随着变 动。 ( 3 ) 重锤张紧式。这种张紧系统具有恒定的张力，基本上与小车的重量 曼0 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和小车在跨度内的位置无关，由于挠性索在滑轮上的高速磨损和塔架结构 的复杂性，这种结构应用较少 ( 4 ) 承载索可收放式。在这种方式中，承载索的一端借助于收放滑轮组 与塔架连接或直接固结于地面，滑轮组的收放可变更承载索的长度和挠 度，到达升降货物的目的。 1 2 2 拱桥施工用缆索起重机的典型结构哺1 由以上分类可知，缆索起重机具有多种类型结构，有的结构经过实践 的检验，已在生产中推广应用，有的结构还在不断完善之中，有的结构虽 然在理论上尚属科学，但因受到各方面的限制，未能在生产中推广就拱 桥施工用缆索起重机而言，常采用如图1 - 4 所示的典型结构由图可见， 拱桥施工用缆索起重机通常由塔架、主起重索、牵引索、运行小车、收放 滑轮组、锚固装置等组成。 1 锚固装置，2 左起重索，3 钢塔架，4 牵引索，5 载重小，6 承载索，7 右起重索， 8 收放滑轮组 图i - 4 拱桥施工用缆索起重机结构示意图 ( 1 )塔架。塔架一般由万能杆件拼装而成，万能杆件是由不同规格的型 钢杆件、节点板和螺栓组成，具有重量轻、搬运、安装、拆卸方便、经济 好等特点，是工程建设中常用的结构。塔架与支座一般采用固结的方式。 ( 2 )主索。主索是承载索，根据起重量由一根至数根钢丝绳组成。主索 支座在塔架的索鞍上，经过索鞍的导向滑轮固定在地锚上。 ( 3 )运行小车。运行小车有两台，通过行车轮骑跨在主索上。小车上安 装有起升滑轮组和牵引导向滑轮。载荷通过定滑轮组传到小车构架，再传 到行走轮，从而传到主索上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 4 )起重索起重索是起升机构用的钢丝绳。起重索通常有两根，每根 起重索控制一台运行小车的起重工作，两岸各设置一台起重卷扬机 ( 5 )牵引索牵引索是牵引机构用的钢丝绳，用于牵引运行小车，通常 牵引索也有两根，每根各牵引一台运行小车，两台运行小车之间由钢丝绳 连接，当小车向右岸运行时，右岸的卷扬机收绳，而左岸的卷扬机放绳。 通过牵引卷扬机的一收一放达到小车牵引的目的。牵引索和起重索又称工 作索。 ( 6 )收放滑轮组。收放滑轮组用于调节主索的张力，其倍率根据主索张 力的大小来定。 ( 7 )锚固装置。锚固装置又称地锚、地垄，是一种与地层与受力联系的 临时结构，它承受主索、工作索，缆风索等传来的力，再将力传至地层。 因此地锚可以是桥梁的墩、台、岩层、大孤石等，作为人工制作的则有桩 锚、坑锚、重力锚、洞锚及水中锚等类型。起重量较大时常用重力式地锚、 洞锚等。 1 3 缆索起重机的技术现状与存在的问题 我国缆索起重机经过4 0 年的发展，在研究和设计应用方面都积累了 丰富的经验，取得了较大的成就。在设计研究方面，根据不同用途缆索起 重机的特点，设计出许多结构形式和系统的设计理论；在应用方面，不同 行业根据不同的作业特点，总结出了各自的安装、调试和运行的工艺条件， 制造出了适合不同的作业特点，总结出了各自的安装，调试和运行的工艺 条件，制造出了适合各行业应用的缆索起重机 缆索起重机的研究与设计尽管已趋成熟，但仍然存在以下几个问题： 1 缆索结构受力复杂、悬索理论需要进一步完善。 2 设备比较笨重，不便于高山拆卸和搬运。 3 塔架按传统的结构理论进行设计和计算，计算结构不够精确，存在安 全隐患。 4 怎样充分发挥设备的潜力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 本文的研究内容 缆索起重机应用广泛，发展已趋成熟，但仍然存在以上几个问题，本 文根据缆索起重机的具体结构和存在的问题展开研究，全文共分为六章， 各章的内容如下： 第一章介绍了缆索起重机的作业和发展概况，缆索起重机的典型结构 指出了缆索起重机的技术现状和存在的问题，阐述了本文的研究目的，介 绍了本文的研究内容。 第二章介绍了悬索的悬链线理论和抛物线理论，提出了应用抛物线理 论来计算缆索起重机主索的设计理论，使主索的设计计算变得简单、明了， 完善和丰富了悬索理论。 第三章介绍了工作索和扣索的设计计算。工作索特别是牵引索的工况 复杂，本文提出了根据绕过的滑轮数目、滑轮效率及载重小车升角来计算 其张力的理论，并根据扣索的受力特点计算了其张力的大小 第四章介绍了塔架的结构及受力情况，提出了塔架与风缆共同作用的 理论，采用有限单元法来计算塔架结构，以保证塔架的安全可靠。 第五章介绍了载重小车的结构与主要零部件的设计，载重小车的结构 形式多样，所采用的结构具有足够的强度和刚度，并保证其运行可靠 第六章介绍了缆索起重机的安装与大跨度拱桥的吊装，通过具体的工 程实践，检验了解所设计的缆索起重机具有良好的性能和很高的效率，同 时也证明了所提出的理论是完全正确的 1 5 本章小结 缆索起重机是一种广泛应用于采矿工业、森林工业、桥梁建筑、水 电建筑工程等施工作业的起重机，它以悬挂于两支点的缆索作为承载结 构，利用载重小车在其上往返移动进行货物起重和归装作业。本章对缆索 起重机的作用和发展概况做了简单的介绍，并对缆索起重机的典型结构做 了详细的探讨，指出了缆索起重机目前的技术现状和存在的问题，阐明了 本文的研究目的，对本文的内容进行了概述，提出了要完成的工作，对本 文的整体结构进行了完整的描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章主索的张力分析和设计 主索是缆索起重机的承载结构，直接关系到缆索起重机作业的安全， 是缆索起重机最重要的部分悬索理论有悬链线理论和抛物线理论，本文 根据抛物线理论分析了主索的张力，使主索的张力分析变得简单、明了， 进一步完善了悬索理论 2 1 悬索理论 2 1 1 悬链线理论 悬挂在两支点上的钢索，在沿曲线全长均匀分布的载荷的作用下所呈 现的线形如图2 1 所示 y b 兀_ a - h q o x i 一竹 l 厶z 群 图2 - 1 悬链线理论模型图2 - 2 微段受力图 取任一微段分析受力，如图2 2 所示，由工o 得： 互c o s ( o + d 疗) - 五，c o s 0 - h 式中：瓦，t 微元段两端张力，h 为水平张力 由y - o 得， 屹一k - 弘 又 k k + a v , 而 ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 习。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 k - h t g o - 日譬( 2 - 4 ) 积 则 v , - 日鲁+ 日参 c z 删 另外 d l - f + 白2 哆( 2 - 6 ) 将( 2 - 6 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 4 ) 、代入( 2 - 2 ) 得： 日参小+ 套2 c 2 们 式中：鼋悬索的均布线载荷，v t 、y 广微元段两端的垂直荷载 带入边界条件：x - - 0 时，y = h q b a ，咖d r - 0 ，则微分方程( 2 - 7 ) 的解为 v 4 c 苎 ( 2 8 ) 。 a 式( 2 - 8 ) 即为悬链曲线方程。它有如下特点： ( 1 ) 悬索任意点处的水平张力相等，既日为一常数。 ( 2 ) 方程( 2 - 8 ) 所形成的曲线形状取决于4 ( 3 ) 悬链曲线长度( a 水平切线点算起) 由下式计算 工4 曲兰( 2 9 ) ( 4 ) 悬索任意点的张力 h 口q 。 v - q l r 矛融三( 2 1 0 ) 2 1 2 抛物线理论 从上述对悬链线方程的推导和其特性的讨论可以看出，悬链线方程及 各参数的计算表达式都是以双曲函数的形式出现，这在实际运用中有很大 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的不便，特别是在后面所讨论的集中荷载作用下，给主索的计算带来很大 的困难因此，通常在工程运用时不直接运用悬链线理论，而是采用抛物 线理论 抛物线理论假定：悬索单位长度质量沿曲线弦长均匀分布( 而悬链线 理论是假定悬索单位长度质量是沿曲线均匀分布的) ，如图2 - 3 所示。任 取一微段，如图2 - 4 所示 由罗) ，- 0 ，得 t 1 c o s p - 瓦咖+ 筇) 风 ( 2 - 1 1 ) 即水平张力为常数日0 又 为： 溯8 = a、l l 。 图2 - 3 抛物线理论模型 由y - o ，得 一k 。上出 c o s 口 习 图2 - 4 微段受力图 ( 2 1 2 ) k - k + 彤- 日棚+ d ( 日胛) - 峨考+ 风万d z y 出 ( 2 - 1 3 ) 将( 2 - 1 3 ) 代入( 2 - 1 2 ) 得： 坐垡( 2 1 4 ) d x 2 h o c o s o r 由边界条件：x = 0 时y = 0 ，x = l 时y = i l ，则微分方程( 2 - 1 4 ) 的解 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 y - 三z 知( x 一，) + 孚苫 2 2 悬索长度的计算 2 2 1 无集中载荷时悬索长的计算 ( 2 - 1 5 ) 一舭( 纠出 伢 将( 2 - 1 5 ) 代入( 2 - 1 6 ) ，积分后得： l o - i + 丽q 丽2 1 3 忑+ 西h 2 ( 2 一1 7 ) 2 2 2 有集中载荷时悬索长的计算 如图2 5 所示，显然，当集中荷载作用于跨度中间时，悬索有最大张 力h ，和最大索长l ， 根据悬索的抛物线理论，可以方便地列出衄线o a ，a b 的方程： o a 段： a b 段： o彩 b 二五二j l 图2 - 5 悬索中有集中载荷时的计算模型 y 1 。兰一+ c + 厶 三 (2一ix o 。x s1 8 ) 面二磊+ 坞 一2 皑一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 咒- 茫：+ ( 二老一定f _ + 钞 索长： o 薯工车三( 2 2 0 ) 2 儿矗+ ( 老一瓦q 面l + 昝尹l l 量r ( 2 - z - ) “婿。嘲口i 埘。2 h 。螂口j 2 。去丽缸丽缸 一样( 剀出+ 小2 、d x 2 卜 倍z z ， 将( 2 - 2 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 代入( 2 - 2 2 ) ，整理后得： k 小丽5 q 2 1 3 蕊+ 万h 2 + 是( q + 磊q _ _ l 口) ( 2 - 2 3 ) 2 3 悬索的张力计算 现研究悬索的两种状态：承重索的第一状态为初始状态，集中荷载为 零，均布荷载为g ，索的温度为t o ，张力为瓦，水平张力为h e ，索长为 l o 。索的第二状态为最大集中载荷q 作用- q 跨度中央，此时，均布载荷为 q ，索的温度为f ，张力为，水平张力为何一，索长为l 一这两种 状态下悬索的长度差为悬索的弹性伸长和温度伸长之和。即有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 a t - k 如旨去s 去( | 一b ) h m , - h o 上f 上缸( 2 2 4 ) e a c o s 口o d s a 式中：卜一索的跨度 索的折算弹性模量 4 索的截面积 e 索的线膨胀系数 址缸- t t o ，当t t o 时，前面的符号为负，反之为正 将( 2 1 7 ) 、( 2 2 3 ) 代入( 2 2 4 ) ，整理后得 h g + 硝- b - 0 ( 2 - 2 5 ) 式中： 口- 等卜( q + 告) + 袅】- h , f f i , 洲姗a ( 2 - 2 6 ) 6 q 2 1 2 e k 4 2 4 解方程( 2 - 2 5 ) 即可得出初张力日o 。 2 4 悬索的垂度计算 任一点的垂度由下式确定： 兀一- y + x t g a 第一状态下的跨中垂度 ，o 一面鬲q 1 2 忑 第二状态下的跨中垂度 2 剑+ 卫 丘。芒 ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 工程中通常先根据需要，确定主索的最大垂度k ，再根据( 2 - 3 0 ) 求出最大水平张力日。，而主索最大张力由下式确定： k - ( 2 - 3 1 ) 根据t 。可以确定主索的直径主索安装时，初张力砜不容易控制， 通常是通过控制初始垂度来控制张力的。因此，安装时，先由方程( 2 - 2 5 ) 解出所需的初始张力风，再根据( 2 2 9 ) 确定初始安装垂度 2 5 主索的强度计算 2 5 1主索的应力 主索在工作时，不但要承受由于张力而引起的拉应力，同时承受小车 运行轮作用下引起的弯曲应力和接触应力。拉应力是影响主索强度的主应 力，而弯曲应力和接触应力是主索疲劳、磨损的主要因素。主索在拉、弯 和接触应力的作用下，会使其强度降低，寿命缩短，因此，在主索的强度 设计时须对此因素加以考虑 ( 1 ) 张力产生的拉应力 矾土竖 ( 2 3 2 ) a 式中：k 主索最大张力 4 主索的截面积 一 ( 2 ) 小车轮压产生的弯曲应力 - 晏j 鲁 治s s ， 式中：r 小车的单个车轮的压力 e 主索的折算弹性模量 ( 3 ) 小车轮与主索的接触应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 以羔生( 2 3 4 ) 吼。面芒 心一 式中：d 一主索直径 d 小车轮最小直径 2 5 2 主索的强度条件 ( 1 ) 拉伸和弯曲应力组合 q 吼寺+ 三+ 厝刺( 2 - 3 5 ) ( 2 ) 拉伸和接触应力组合 i 吒- q + 吼- 等+ 瓦3 e k d 墨纠( 2 - 3 6 ， 式中：b 】主索许应力，p 】- 詈 o 钢丝的强度极限 安全系数，耳= 2 2 。6 算例 平夏溪大桥是一座长1 7 8 8 m ，单拱跨度为1 2 5 m 的大桥，采用缆索起 重机吊装，根据地形确定主索的跨度为1 = 2 0 4 m ，如图2 - 6 所示，额定起重 载荷为q 。= 6 0 t ，载重小车和吊具重q ：= 1 2 t 。 ( 1 ) 首先确定最大垂跨比最大垂跨比一般在( 吉。去) 内选取，垂跨比 越大，跨中垂度越大，则初张力较小，而所需塔架则较高。而垂跨比越小， 则跨中垂度越小，初张力较大，但所需塔架较低。本例确定最大垂跨比为 去，则最大垂度，眦- 击一1 8 5 m ，主索两端无高差，即s a = 1 ，_ i l = o 。 ( 2 ) 根据经验主索选用6 根中4 8 的钢丝绳，起重素选用2 根中2 4 的钢丝 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 绳，军引索选用4 根中2 4 的钢丝绳，则均布载荷为： 主索：吼2 0 4 7 5 k n m ，起重索：q 2 = o 0 3 9 5 k n m ，牵引索：q 3 = o 0 7 9 k n m ， 则g 吼+ 吼+ 色- 0 5 9 3 5 ，集中载荷红- 级+ q 2 - 7 2 t - 7 2 0 k ( 3 ) 最大水平张力钆 - 2 1 5 i 8 k v 最大张力 k - j + q 舭尸+ 日二- 2 1 9 2 5 埘 6 根巾4 8 的钢丝绳的破坏拉力： s 1 6 l i 昂- 6 x 0 8 5 x 1 4 2 0 - 7 2 4 2 k n 其中：1 i ，：钢丝绳破断力换算系数，1 i ，2 0 8 5 ，昂：一根钢丝绳中钢丝 破断力之和，安全系数n = s _ w 。= 3 3 ( 4 ) 主索的折算弹性模量反- 1 6 x 1 0 。觑，主索的截面积爿= 5 0 6 1 0 。m 2 ，温度差取f 一1 5 ，主索线膨胀数c = 1 2 x1 0 1 ，将各数据代入式 ( 2 2 6 ) 、( 2 - 2 7 ) 得： a 9 0 4 x 1 0 3 k n b - 5 2 1 x 1 0 8 k n 将4 、6 代入( 2 2 5 ) 得：风- 2 3 7 k g 将风代入( 2 2 9 ) 得：兀- 1 3 0 3 m 。 即安装时将主索垂度控制在1 3 r a 时，其初始张力为2 3 7 k n ，每一根主 索的张力为3 9 5 k n 。 捌怖籼应力组厶q 吼等+ 等悟一鲫伽2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 - 6 缆索起重机总体布置图拉伸与接触应力组合 c r 2 - 0 1 + o , k + 里5 0 5 n 2 a 8 0 0 d _ 许用应力p 】堕1 8 7 0 + 2 9 3 5 n r a m 2 结论：因为o it b 】，0 2t p 】，所以安全。 2 7 本章小结 本章主要介绍了悬索的悬链线理论和抛物线理论，并根据抛物线理论 来分析有集中载荷时悬索的长度，进一步导出了悬索的张力方程。从而确 定悬索的张力和垂度。 主索受力复杂，不但承受由张力引起的拉应力，而且同时承受小车运 行轮作用下引起的弯曲应力和接触应力。本章讨论了拉应力与弯曲应力和 接触应力组合时的强度条件，并以一工程实例作了计算说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章工作索和扣索 忒起重卷执、地锚 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 则安全系数厅塑堡6 1 5 ，5 u m 旺 安全 3 2 牵引索的计算 缆索起重机两岸各设一台牵引卷扬机，分别控制一台载重小车的行 走，两台载重小车之间由钢丝绳连接，由两岸的卷扬机一收一放实现往复 牵引，每台卷扬机控制一根牵引绳，倍率为2 ，牵引索穿绕图如图3 2 所示 牵引索的最大张力 k 一瓦+ 写+ r 2 ( 3 2 ) 式中：t o 一牵引索的初张力 五一载重小车的运行阻力 t 2 一导绕滑车的动阻力 图3 - 2 牵引钢丝绳穿绕图 3 2 1 牵引索的初张力计算 瓦一筹( 3 - 3 ) 式中：吼牵引索单位长度的质量，q 0 2 0 0 4 7 2 k n m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 c 支索器同距c = 3 0 m 正牵引索的挠度正= 0 3 m 代入( 3 3 ) 得t o - - - 1 7 7 k n 3 2 2 载重小车的运行阻力计算 五- 怃c o s y + s i n x k ( 3 4 ) 式中：运行阻力系数，6 。地( 云+ 等) 。一5 ) 一载重小车行走轮轴承磨擦系数，地= 0 0 1 r ，分别是行走轮及其小轴的半径，素o 1 ，r = 4 0 c m i i o 行走轮对钢索的滚动摩擦系数，i - o = 0 6 c m y 载重小车沿主索运行时的升角，当小车位于塔架附近y 最 大，此时 增r - 鼋f q l + + 2 q q 呱“4 户 ( 3 6 ) 口f + “! b 主索中央的垂度比，卢。矗 卜一主索的跨度，1 = 2 0 4 m 目主索单位长度质量，q = 0 6 0 9 k n m 将数据代入( 3 - 6 ) 得，喀r i 0 2 0 9 ，r - 1 1 8 。， 再将数据代入( 3 4 ) 得，五= 1 4 8 k n 3 2 3 导绕滑轮的转动阻力 瓦- ( t o + 五) ( 1 一订+ ) ( 3 7 ) 式中：n 一滑轮的效率，y = 0 9 8 i + j 一牵引索及起重索绕过的滑轮总数，i + j = 2 2 将数据代入( 3 7 ) 得疋= 5 9 5 k n 贝07 0 - t o + 五+ 乏一2 2 5 2 k n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 每根牵引索的最大静拉力s 一- 圭k 1 1 2 6 k n ，由 岛七嘞虬 ( 牵引索滑轮组的倍率为2 ) = ( 3 8 ) 式中：万一一牵引安全系数， _ - - - - 3 选取d 2 6 的钢丝绳，其破断拉力昂。4 5 3 k n 安定系数。皿：3 3 式中：叩一钢丝绳破断拉力换算系数，叩= o 8 2 安全 3 3 扣索的计算 根据地形，右岸采用塔架，左岸采用混凝土台，如图2 - - 6 所示。因 此右岸扣索支承于塔顶，而左岸扣索支承于混凝土台顶。 3 3 1 右岸扣索的受力分析 右岸扣索的受力简图如图3 - - 3 所示 图3 3 右岸扣索的计算简图( 单位：m ) i_。，。l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 o i = 4 4 6 5 。，02 = 2 7 。 首先分析次端段扣索。将次端段拱肋分离出来，其受力简图如图3 4 所示 t ， 图3 4 右岸次端段拱助受力简图( 单位；m ) 图中，f 一右岸水平缆风索的垂直分力，f = 5 0 k n 瓦一右岸次端段扣索的张力 g 一右岸次段拱肋自重，g = 6 0 0 k n 号，昱一右岸次端段拱肋作用于端段拱肋的垂直力，水平力 由 由 帆2 0 ，得瓦。5 4 3 k n e 2 0 ，0 2 0 ，得： 日= 2 8 2 k n ，昱= 3 9 9 k n 其次分析端段扣索。端段拱肋的受力图如图3 - - 5 所示。 p2 图3 5 右岸端段扣索的受力简图( 单位：m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 图中：互一右岸端段扣索的张力 由 m 0 1 = o ，得t l = - 4 1 6 k n o 3 3 2 左岸扣索的受力分析 左岸扣索的受力图如图3 - - 6 所示。 图3 - 6 左岸扣索的受力简图( 单位：m ) 图中：e = 3 2 3 4 ，b2 = 2 0 5 6 。 次端段拱肋的受力图如图3 - - 7 所示。 图中：f ，一水平缆风索的垂直分力，f = 5 0 k n l 一左岸扣索的张力 g ，一左岸次端段拱肋自重，g ；6 0 0 k n e ，昱一左岸次端段拱肋作用于端段拱肋的垂直力、水平力 由 = o ，得瓦7 = 6 2 3 k n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 t 2 图3 - 7 左岸次端段扣索的受力简图( 单位：m ) 由 帆2 0 ，毋2 0 得号= 4 3 1 k n ，忍；5 8 3k n 左岸端段拱肋的受力如图3 - - 8 所示 t 1 图3 - 8 左岸端段拱肋的受力简图( 单位：m ) 图中：t 。一左岸扣索的张力 由ee m 。，。- - - - - 0 ，得t = 5 0 8 5k n 。 3 3 3 扣索直径的确定 综上所述，扣索最大的张力为t ：= 6 2 3k n 。 选取中2 4 的钢丝绳，滑轮组的倍率为8 ，则每根钢丝绳的最大拉力 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 为：。等7 7 9 k n 而每根钢丝绳的破断拉力为叩f o - - - - 0 8 2 x 3 3 8 = 2 7 7 2k n 。 安全系数万罂：3 5 6 ) “ 扣索的安全系数一般要求尼扣i 3 ，放安全。 3 4 本章小结。 本章主要介绍了工作索( 包括起重索和牵引索) 和扣索的设计计算。 起重索和牵引索都是一端固定于地锚，另一端缠绕于卷扬机卷筒，在卷扬 机的牵引下提升货物和牵引提升角来计算其张力，根据张力来确定工作索 的直径和型号 扣索是用于拱肋定位的钢索，本章详细介绍了左举和右举扣索的受力 情况及受力分析，得出了各种工况下扣索所受的最大张力，从而根据张力 来确定扣索的直径和型号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 4 。1 概述 第4 章塔架和缆风绳 塔架是缆索起重机的重要组成部分，按材质可分为木质塔架和钢塔架 两大类；按其作途和结构型式可分为固定式塔架、摆动式塔架和移动式塔 架三大类。 木质塔架通常用一根或两根原木组成一组立柱，由一立柱或多立柱组 成塔架，靠缆风绳稳定固结这种结构在贮木场、人造板厂等工业原料场 区用得比较多，工程施工中也常用，设备也较简单，但塔架寿命较短 钢塔架应用于跨度较大，地形较复杂的场合，常用万能杆件拼装而成， 由于构件白重轻、搬运、安装的拆卸都方便，因而工程施工中应用很广， 也较经济。 在我国，缆索起重机以固定式结构最为普遍，因而塔架也以固定式结 构为主。固定式塔架通常由三部分组成，即由塔脚、塔身、塔顶组成。塔 脚是塔架的支承部分，应保证塔架具有可靠的支承和约束，并将由塔身付 来的载荷可靠地传给基础。塔身是塔架的主体部分，应满足塔架的所有功 能并保证具有足够的强度、刚度及稳定性。塔顶是塔架的外力作用外，主 索、工作索、扣索、缆风绳等都以塔顶为支承点，承受除负载荷外的所有 载荷。因此，塔顶结构应具有足够的强度、刚度，并能使载荷均匀地向塔 身传递。 缆风绳是使塔架保持稳定并具有足够刚度的钢丝绳。对于跨度大、塔 架高、起重量大的缆索起重机，由于塔架高、重量大，为了便于施工，通 常采用下端固结于基础，用钢构件拼装而成下端固支的塔架为了防止施 工过程中塔架的侧向位移过大，需设置施工缆风绳，施工缆风绳通常位于 塔架的中部。当塔架在吊重时，受到作用于塔顶的水平力作用，使塔架发 生侧向位移，为了保证面位移不超过允许值，需设置工作缆风绳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 4 2 塔架 4 2 1 塔脚 塔脚采用支承靴结构如图4 1 所示，利用支承靴和塔身及基础连接。 基础由钢筋混凝土组成，并预埋地脚螺栓，支承靴的底板与地脚螺栓可靠 地连接，使之成为固定支座。 ( 1 ) 底板的计算 支承靴底板的面积由基础的承压力来决定； 1 4 5 5 5 图4 - 1 支承靴 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 舢尚 式中：一一个支承靴所受的压力 【q 】一基础材辩的许用承压应力【吒】2 6 n 购2 底板的边长k 一历 ( 2 ) 支承靴底板厚度由板的弯曲强度决定。 底板单位宽度板条上的弯矩由下列二式中的最大值确定； 肘l - 0 1 2 5 q a 2 m c 2 一q c 2 式中：q 一单位面积底板上基础反力 鼋一等 4 一三边支承板的自由边长度 c 一底板悬臂部分长度 材。- 懈 鸩，m ：) 而 。一鲁s 【o 】 式中：一单位宽度板条上的抗弯模量 - 譬 【o 一板的许用应力 则板厚 之 ( 3 ) 焊缝计算 焊缝处的弯矩和剪力分别为： m - 卯f ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 q 叫 ( 4 7 ) 式甲：a 一助杈阴载茄囱积 f 一面积a 的重心至焊缝的距离 则： q 一等h 】( 4 - - 8 ， p 磐 ( 4 9 ) 气。筇 叫 式中：一焊缝截面的抗弯模量 乃- 丢6 j 1 2 0 一焊缝截面的惯性矩 ，三1 2 6 j 1 3 6 一焊缝厚度 h 一焊缝截面计算长度 s ，一焊缝截面中性轴以上部分对中性轴的面积矩_ - 鲁 2 【卜焊缝许用正应力 h 一焊缝许用剪应力 折算应力 。一= 孺墨 】( 4 - - 1 0 ) 4 2 2 塔身 塔身是塔架的主体结构，由万能杆件拼装两成。塔架的弯矩从塔顶到 塔脚是逐渐从小到大分布的。因此塔身应是上小下粗的结构，如图4 2 所录。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 图4 2 塔架结构 在顺桥方向，上部由2 片桁架组成，中部由3 片桁架组成，而下部则 由4 片桁架组成。在横桥方向，均由4 片桁架组成。整个塔身结构如同一 “门”形结构，中间由两组平联连接，以增加塔架的稳定性及整体刚度。 塔身连接的杆件，柱杆通常由