第四章--缆索吊机

桥梁施工临时结构桥梁施工临时结构 授课教案授课教案 第四章第四章 缆索吊机缆索吊机 Chapter 4 Cable Crane 第四章第四章 缆索吊机缆索吊机 Chapter 4 Cable Crane 第一节第一节概述概述 SectionSection 1 1 SummarySummary 一 缆索吊机的设备一 缆索吊机的设备 缆索吊机设备 按其用途和作用可以分为 主索 工作索 塔架和锚固装置等四个基本组成主索 工作索 塔架和锚固装置等四个基本组成 1 主索 主索 主索为承重索或运输天线 它横跨桥墩 支承在两侧塔架的索鞍上 两端锚固于地锚 吊运 拱箱 肋 或其他构件的行车支承于主索上 主索的断面根据吊运的构件重量 垂度 计算跨度 等因素进行计算 一般根据桥面宽度 两外侧拱箱的距离 及设备供应情况可设 3 组主索 每组 主索可由若干根平行钢丝绳组成 2 起重索 起重索 用于控制吊物的升降 即垂直运输 一端与卷扬机相连 另一端固定于对岸的地锚上 当行 车在主索上沿桥跨往复运行时 可保持行车与吊钩间的起重索长度不随行车的移动而改变 3 牵引索 牵引索 用于拉动行车沿桥跨方向在主索上移动 即水平运输 故需一对牵引索 既可分别连接在两 台卷扬机上 也可合栓在一台双滚筒卷扬机上 便于操作 4 结索 结索 用于悬挂分索器 使主索 起重索 牵引索不致相互干扰 它仅承受分索器重量及自重 5 扣索 扣索 当拱箱 肋 分段吊装时 需用扣索悬挂端段箱 肋 及中段箱 肋 并可利用扣索调整端 中段箱 肋 接头处标高 扣索的一端系在拱箱 肋 接头附近的扣环上 另一端通过扣索排架 或塔架固定于地锚上 为了便于调整扣索的长度 可设置手摇绞车及张紧索 6 缆风索 缆风索 亦称浪风绳 用来保证塔架的纵横向稳定及拱肋安装就位后的横向稳定 7 塔架及索鞍 塔架及索鞍 塔架是用来提高主索的临空高度及支承各种受力钢索的结构物 塔架的形式是多种多样的 按材料可分为木塔架和钢塔架两类 目前多采用钢塔架 钢塔架可采用龙门架式 独脚扒杆式或万能杆件拼装成的各种形式 塔架顶上设置索鞍 为放置主索 起重索 扣索等用 可以减小钢丝绳与塔架的摩阻力 使 塔架承受较小的水平力 并减小钢丝绳的磨损 8 电动卷扬机及手摇绞车 电动卷扬机及手摇绞车 这些设备主要用作牵引 起吊等的动力装置电动卷扬机速度快 但不易控制 一般多用于起 重索和牵引索 对于要求精细调整钢束的部位 多采用手摇绞车 以便于操纵 9 地锚亦称地垄或锚锭 地锚亦称地垄或锚锭 用于锚固主索 扣索 起重索及绞车等 地锚的可靠性对缆索吊装的安全有决定性影响 设 计与施工都必须高度重视 按照承载能力的大小及地形 地质条件的不同 地锚的形式和构造可 以是多种多样的 还可以利用桥梁墩 台作锚碇 这就能节约材料 否则需设置专门的地锚 图 4 5 是一个临时性的木地垄装置 由杂木或钢轨捆扎 入地下而构成 10 其他附属设备 其他附属设备 其他附属设备有在主索上行驶的行车 俗称跑马滑车 起重滑车组 各种倒链葫芦 法兰螺 栓 钢丝卡子 钢丝轧头 千斤绳 横移索等 缆索吊机设备的形式及规格都非常多 必须按照因地制宜的原则 结合各工程的具体情况合 理地选择 才能取得良好的效果 二 缆索吊机技术的发展应用概况二 缆索吊机技术的发展应用概况 缆索结构作为能够充分发挥材料抗拉性能的一种结构形式 在古代就为人们所认识 古人用 树皮 藤条等韧性材料编成绳索 做成索道跨越深沟或其他障碍 至今在云南 贵州等地交通不 便的深山区有一些百姓仍在沿用小滑车溜钢索的方式跨越山谷 运送生活必需品 在现代生活中 小到晾衣绳 大到观光缆车 大型桥梁 缆索结构更是得到了广泛的利用 不仅如此 缆索结构 在发展过程中逐渐按功能分类 在索上固定位置承受荷载导致了悬索桥这种拥有巨大跨越能力的 桥型的出现 荷载与索相对固定并与索共同移动形成了现在的缆车 而荷载可在索上移动则演化 成了用途广泛的缆索吊机 现在的缆索吊机已远不是一根主索 一个移动荷载那么简单组成 而是发展成由主索 天车 起吊系统 牵引系统 控制系统 塔架系统 辅助系统等组成的复杂整体 并由单跨向多跨发展 起重量增加到几十吨 上百吨 主索由单索发展到组索 多组索 位置由固定式发展到可移动式 株州石峰大桥采用了吊重 700kN 跨径为 619m 436m 的不等跨双跨缆索吊机进行拱肋吊装 湖南桃源沅水大桥采用了吊重 400kN 跨径为 2 610m 的等跨双缆索吊机作为运输手段 黑石铺 湘江大桥采用了吊重 700kN 跨径为 2 653m 的等跨双缆索吊机 钱江四桥则采用了吊重 1300kN 跨径为 250m 700m 650m 250m 的三塔四跨缆索吊机 于 06 年 2 月投入使用的重庆菜 园坝长江大桥的缆索吊机 吊重甚至达到 4200kN 创全国之最 国际上也属罕见 随着缆索吊机功能的逐步扩展 相关的材料 设备也有了长足的进步 钢丝绳作为主索的常 用材料 有多种直径 多种截面形式 多种强度等级可供选择 异型单丝截面的钢芯封闭索在同 直径 同强度的钢丝绳中可提供最大的金属截面 从而抗拉力达到最大 作为动力来源的卷扬机 也成系列发展 大体分为牵引 起重两大类 吨位不断增大 变频启动 远距离线控 无线遥控 等技术与动力系统相结合 配合各类传感器 甚至可以微机控制 使动力系统向自动化方向发展 预应力技术 岩土技术 液压控制 集成电路等各种技术的综合应用 使缆索吊机可以适应 各种环境条件 满足各种功能的需要 用于施工需要的缆索吊机则相对简单 称为简易缆索吊机 简易缆索吊机的经济性 环境适应性 吊装能力等优势使其具有强大的竞争力 在桥梁施工尤其 是拱桥施工中被普遍采用 有时甚至是唯一的选择 三 发展移动式缆索吊机的必要性和缆索吊机的移动方式三 发展移动式缆索吊机的必要性和缆索吊机的移动方式 单组缆索吊机的吊装轨迹是一个立面 采用正扣横拉偏就位的方法可以拓展横向的吊装范围 但拓展幅度有限 而且安全问题突出 在很多情况下需要缆索吊机在一个较大的区域内工作 布 置多组主索或并列布置多个缆索吊机当然可以解决问题 但这样很不经济 如果缆索吊机可以移 动 则可以解决这个矛盾 缆索吊机的跨度可以根据需要取最大值 包含吊装区域的纵向范围 这并不难做到 因此一 般不需要纵向移动 竖向移动的情况仅是索鞍带主索作竖向运动 有其独特的特点 可降低吊装 高度或扩大运输范围 现已有这方面的论述 但未见有应用实例 径向移动和横向移动便成为了 主要的研究内容 径向移动是缆索吊机在扇形范围内作水平与竖向运输 主要应用在贮料场及露 天采矿场 缆索吊机横向移动是在矩形范围内作水平与竖向运输 应用范围更大 灵活性更强 单塔单组主索是移动式缆索吊机的最简单形式 但在很多情况下受地形 吊装频率或不同时 期吊装频率的限制 或是设计 工期的要求 缆索吊机的型式有所不同 有单组索移动 多组索 移动 塔架与索共同移动等型式 也有的情况是在一阶段吊装完成后 将主索卸下 只移动塔架 塔架到位后重新上主索 这种情况从严格意义上说不属于缆索吊机的移动 一般用于长距离的移 动 由经济性决定 主索移动时 其地锚可一同移动 也可以不随主索移动 主索到位后换用新 地锚 这要由吊重 移动频率和经济性决定 对于吊重不大 移动距离较长 需要频繁移动的缆 索吊机可采用地锚与主索共同移动的形式 60 年代刘家峡水电站大坝施工中 在黄河两岸设置了很大的的混凝土基础 用来安装进口的 无锚碇自平衡顺水流方向的移动式缆索吊机 以便进行大坝混凝土的浇注 设备安装等作业 但 其临时设施庞大 安装复杂 价格昂贵 此后国内对简易缆索吊机有大幅横向作业需求时 经历 了拆除重装 加长塔架横梁 索鞍带索横移 设置横向滑动重力式锚碇 塔架横移 主锚共用 仅移动塔架的发展过程 四 横移缆索吊机在拱桥施工中的选用原则和应用实例四 横移缆索吊机在拱桥施工中的选用原则和应用实例 对于下承 中承式拱桥 拱肋的吊装重量大 频率低 桥面部分吊重小 可以通过其他方式 解决 如采用移动式缆索吊机 一般不需要往复式运动 可以是一次性移动 合肥当涂大桥用一 组缆索吊机系统解决了三条拱肋的吊装 对于上承式拱桥 缆索吊机所担负的吊装任务就有所不 同 拱肋的吊装重量大 频率低 拱上立柱 盖梁的施工及桥面板的吊装虽然重量不大 但使用 频率相当高 如采用移动式缆索吊机 则需要往复移动 这样在设计上对于塔架结构 移动方式 就要多做一些考虑 移动要方便 快捷 一般采用塔架全宽布置 索鞍带索横移 这方面的工程 实例已相当多 但为了提高吊装效率 也可以采用另一方案 塔架全宽布置 设两组主索 主吊 钩下吊扁担梁 扁担梁上设活动吊点 满足全方位 高频率的吊装需要 这对于多跨 折线布置 的桥梁尤其适用 万梁高速公路土地潭特大桥 图 4 6 和京张高速公路周家沟 1 桥 图 4 7 均 为这方面的范例 第二节第二节 移动式缆索吊机的设计移动式缆索吊机的设计 一 某特大桥工程概况一 某特大桥工程概况 某特大桥位于水道三叉交汇口 三方向均有通航要求 如图 4 8 及图 4 9 所示 主桥选择为 单孔 128m 下承式钢管混凝土系杆拱桥 横桥向分为左右两幅完全独立且完全对称的桥 每幅桥 面宽 24m 两幅桥净距 1 5m 每幅桥设 2 片拱肋 肋间中距 18 3m 每片拱肋由 2 根上 下弦钢 管 1050 18mm 1050 14mm 和竖 斜腹管 500 10mm 焊接成桁式截面 截面高 3 5m 宽 1 05m 矢跨比 1 5 两边引桥均为现浇箱梁 主桥上部每幅为钢管混凝土双主拱结构 跨径组合为 1 128m 跨径拱轴线为拱脚直线段和曲 线段组成 曲线段采用悬链线 拱轴系数为 1 167 矢跨比为 1 5 拱肋断面形式为桁架式 拱肋 高度为 3 5m 宽 1 05m 每一拱肋由 2 根 1 05m 的钢管组成 钢材采用 Q345C 钢 管壁厚度为 14mm 腹杆采用 500mm 壁厚为 10mm 的钢管 拱肋断面由哑铃形的上下弦杆通过腹杆连接组 成 纵向四根钢管和哑铃形断面内灌注 C50 混凝土 其余均为空钢管 两拱间在拱顶处设一字型 风撑 拱顶两边对称共设置六道 K 型风撑 风撑弦杆采用 500mm 壁厚 10mm 的钢管 腹 杆和平联采用 300mm 壁厚 8mm 的钢管 系杆为 12 束 12 j15 24 钢绞线 设置在每片拱肋 内外两侧 系杆支架采用与系杆相配套的定型产品 系杆导架 系杆采用环氧涂层高强度低松弛含 内外两层护套的钢绞线成品 每根拱肋共 12 束 全桥共 48 束 吊杆间距 5m 吊杆由 85 7 高强 钢丝 两侧短吊杆 91 7 外包制成 工厂生产 现场安装 吊杆每片拱肋为 23 根 全桥共 92 根 系杆和吊杆均采用可更换锚具 全桥共 46 根横梁每幅为 23 根 端横梁为现浇普通钢筋混凝土结构 中横梁为预应力混凝土结构预制吊装施工 桥全宽设 4 道加劲纵梁 通过湿接头与横梁连接 行车道板采用普通钢筋混凝土空心板先简支后连续结构 纵向通过现浇湿接头连成整体梁 主墩墩身及承台设为两个分离式钢筋砼结构 两承台间用系梁 连接 两墩身顶与帽梁固结形成一门式刚架结构 以增强主墩整体横向刚度及稳定性 墩身采用 空心闭合箱型截面 具有重量轻 刚度大的特点 主墩帽梁为墩身 主拱肋 系杆汇聚的固结区 因而其受力复杂 为保证结构安全 帽梁在墩身顶部 5 7m 范围设为大体积实心段钢纤维砼 帽梁 中部则为减轻自重而采用箱型空心段 帽梁长 24 0m 宽 6 0m 高 4 5m 二 缆索吊机方案二 缆索吊机方案 该特大桥主桥为两幅完全且独立的桥 设计推荐使用缆索吊装 因跨度较大 单肋吊装的横 向稳定及温度影响不易控制 因此要求布置两组主索 实现双肋合拢 以保证吊装过程中的稳定 这样 每幅桥必须设置两组主索 分别对应两条拱肋 对于两幅桥分别设置一套缆索吊机能够满 足主桥的吊装要求 但这样显然是不经济的 如果缆索吊机在完成一幅桥的吊装任务后能够移到 另一幅桥的位置继续进行吊装 则可以节省投入 该特大桥为下承式拱桥 缆索吊机的吊装任务 主要是拱肋的吊装 吊杆 横梁及桥面板等其他吊装任务可以采用别的方法完成 缆索吊机仅是 一次移动 因此只是增加缆索吊机移动的费用和时间 鉴于该特大桥的特点 具备使用移动式缆索吊机的条件 并可以考虑三种方案 1 如图 4 10 所示 在一幅桥设一套缆索吊机 设两组主索 拱肋吊装完成后整体移到另一幅 2 如图 4 11 所示 塔架全宽布置 设左中右三组主索 左右两组主索不动 中间一组可左右移动 适应 两幅桥的吊装 3 如图 4 11 所示 塔架全宽布置 设两组主索 一幅桥的吊装完成后只移动 主索到另一幅的位置 塔架采用门式结构 以利于稳定 对于方案二 三 由于桥比较宽 塔架采用三柱的门式结 构 对于以上三种方案 都能满足施工需要 所不同的是投入的大小和功能的区别及移动的难易 程度 下面从这三方面进行比较 表 4 1 表 4 1 三种方案投入数量表 6442549方案三 6663549方案二 6442340方案一 主地锚 个 卷扬机 台 天车 副 主索用量 组 塔架器材用量 吨 方案 6442549方案三 6663549方案二 6442340方案一 主地锚 个 卷扬机 台 天车 副 主索用量 组 塔架器材用量 吨 方案 从表 4 1 可看出 方案一的设备器材投入最少 方案三次之 方案二最多 从功能方面 方 案一可吊装全桥的主拱肋及一幅桥的桥面系部分 另一幅的桥面系需用其他方法解决 方案二包 含该特大桥的全宽范围 仅移动中间一组主索即可兼顾两幅桥 因而可担负全桥的吊装 方案三 的塔架包含该特大桥的全宽范围 移动两组主索也可兼顾两幅桥 但需多次移动 而且移动范围 较大 左右两幅不能平行作业 从移动的操作来比较 方案一是缆索吊机整体横移搬家 动作最 大 但对引桥箱梁的施工影响最小 方案二的移动动作最小 也最方便 方案三的主索移动范围 与方案一相同 移动操作并不困难 但方案二 三对引桥箱梁施工影响较大 必须等缆索吊机拆 除后才能开始 对于总工期影响不利 综合以上三方面的对比分析 从经济性和对总工期的影响 两个指标来看 方案一的优势比较明显 操作问题是应着力解决的重点 经与项目部 业主 监 理共同研究决定采用方案一 并着手缆索吊机的研究与设计 三 移动式缆索吊机的设计三 移动式缆索吊机的设计原则原则 首先根据主桥的跨度确定缆索吊机的跨度 再根据主桥的高度确定塔架的高度 以两者结合平面图定出地锚的位置 该特大桥左右对称 主墩平齐 塔架可考虑放在 主墩上 基础稳固可靠 可减小塔架的拼装高度 而且还可兼做扣塔使用 塔架的横 移滑道可预先铺在主墩顶 然后拼装塔架 缆索吊机因是单向一次移动 地锚没有必 要做成移动式的 可设置三个 左右两个设在引桥范围之外 中间一个共用 设在两 幅引桥之间 主拱肋设计分五段吊装 最大吊重为 400kN 缆索吊机的最大吊重据此 确定 缆索吊机的滑道型式决定横移牵引力的大小 牵引动力装置应稳定可靠 缆索 吊机移动期间的稳定及姿态控制依靠缆风绳来解决 其设计需依据现场地形而定 主 索跟随塔架移动需考虑两种情况 主索两塔架之间部分的重量如果小于两端地锚至塔 顶部分重量之和 主索适当放松后与塔顶锁定 地锚处解开连接 主索与塔架共同移 动 如果出现相反的情况 可在主索两端配重或在地锚处设置专门的索端滑道 来解 决主索的移动问题 四 缆索吊机的设计计算四 缆索吊机的设计计算 桥梁跨度为 128m 最大吊重为 40 吨 图 4 12 及图 4 13 所示为主索 牵引索 起重索 扣索布置 主墩顶宽度为 6m 引桥方向牛腿宽度 0 9m 共计 6 9m 拱肋与 墩顶相交处距牛腿外边约 4 9m 可以布置塔架 经计算 缆索吊机跨度 L 131 5m 一 基本数据 缆索主要规格及型式见表 4 2 塔架高度 拱顶标高为 41 438m 墩顶标高为 15 845m 主索挠度 fmax L 20 6 58m 天车高度按 2m 计 吊钩高度按 3m 计 吊绳余量高度按 4m 计 合 龙口按 2 倍拱肋高度考虑 即 2 3 5 7 0m 因此塔架顶标高 41 438 6 58 7 0 2 0 3 0 4 0 64 018m 塔架高度为 64 018 15 845 48 173m 取 48m 二 承重索计算 每组主索对应 1 条拱肋 每组主索上设 2 个天车 2 个天车距离较近 主索计算 时按 1 个集中荷载考虑 主索局部应力计算可按天车具体数据进行 参照相似跨度 吊重的缆索吊机 主索采用 46 钢丝绳 公称强度 b为 1850MPa 每组 6 根 天 车设 4 排走行轮 轮外径为 520mm 绳槽深 56mm 起重 牵引转向轮直径为 400mm 按照 缆索吊车 和 公路双曲拱桥无支架施工 进行缆索吊机的相关计算 表 4 2 承重索 牵引索 起重索及缆风绳性能一览表 索别 项 目 承重索牵引索起重索风缆索 钢丝绳直径 mm 46 21 5 21 5 17 0 钢丝直径 mm3 01 41 41 1 钢索型号6 W 36 6 196 196 19 钢索自重 N m79 8616 616 610 2 1 荷载 作用于承重索上的集中荷载 P 由四部分组成 拱肋重量 1 P 400kN 跑车重量 2 P 85kN 吊钩重量 3 P 18kN 起重索与牵引索 4 P 16 6 6 60 16 6 4 131 5 2 1000 10 3kN P 1 P 2 2 P 2 3 P 2 4 P 626 6kN 每组主索设 6 根钢丝绳 每根主索承重P 626 6 6 104 4kN 作用于承重索的均布荷载为 q 79 86N m Q qL 131 5 79 86 1000 10 5kN 2 鞍座竖向反力 如图 4 14 所示 由静力平衡条件可求得鞍座竖向反力 2 PQ VVV BA 4 1 式中 P 作用于承重索的集中力 kN Q 作用于承重索的均布荷载 kN 则 kNV 5 57 2 5 10 4 104 VB B TA VA HA A C P Q gL TB HB L L 2L 2 fmax 图 4 14 集中荷载作用下缆索计算图 钢丝面积 mm2863 34175175108 弹性模量 MPa105105105105 破断拉力 kN1595298298184 公称强度 MPa1850170017001700 拉力安全系数 K1 3 4 4 5 5 6 5 6 应力安全系数 K2 2 3 3 3 3 最大水平反力 如图 4 14 所示当跑车吊重位于跨中时 主索水平张力最大 控制承重索的设计 由 缆索吊车 查得承重索最大垂度控制在范围之内 L 为缆索 max fL 30 1 20 1 吊机跨度 取相对垂度为 由此计算最大水平反力 20 max L f L 131 5m 则6 58m 取 7 0m max f 由承重索各截面弯矩为零的条件可求得承重索垂度 4 2 H PL H QL f 48 max 得 maxmax 48f PL f QL H kN 0 515 74 5 131 4 104 78 5 131 5 10 4 承重索最大张力及应力验算 鞍座的总反力 即缆索的最大张力 4 3 22 HVT T 518 2kN 缆索总应力为 4 4 TF E n V F T 弯拉 式中 作用于缆索上的滑轮数 取 4 nn 缆索的弹性模量 MPa 取 105 EE 缆索的截面积 mm2 取 863 34 FF 则 815 1MPa 34 86310 2 518 10 4 10 5 57 34 863 10 2 518 3 533 其安全系数 2 27 根据 公路桥涵施工技术规范 K 2 815 1850 JTJ041 2011 规定主缆的安全系数应不小于 3 特此说明 5 轮压比 V T 轮压比 V T 指标反映主索所承受走行轮正压力与张力之比 如果轮压力过大 则 影响主索材料性能的发挥 造成不必要的浪费 而且主索重量加大对于缆索吊机有效 吊重影响很大 其取值范围是实践中总结的经验值 如过大则应增加天车走系走行轮 数 单索单轮竖向反力 V 57 5 4 14 4kN 单索最大张力 T 518 2kN V T 14 4 518 2 1 36 符合要求 限值 1 25 1 40 6 轮索压力比 轮索压力比反映主索与天车走行轮的接触压力 如其值过大可能使主索磨损加快 影响耐久性和安全性 其解决方法是增加主索数或增加天车走行轮数 视具体情况而 定 轮索压力比 dD V n 4 5 式中 D 天车走行轮内直径 d 主索直径 V 14 4kN D 520 2 56 408mm d 46mm n 14400 408 46 0 77MPa 符合要求 限值 0 6 0 8 MPa 7 轮索比 轮索比反映天车走行轮内直径与主索直径的比例 其值越大 主索弯曲应力越小 是从构造上保证轮压比 一般吊重在 50kN 以内 走行轮直径在 250mm 至 500mm 吊重如大于 50kN 走行轮直径在 350mm 至 650mm D d 408 46 8 9 符合要求 限值 6 20 三 承重索安装计算 为了保证架设的承重索在吊重时的最大张力不超过容许值 需要求出承重索空索 安装和带跑车安装时的安装张力及安装垂度 以便控制承重索的张力和标高 计算安装张力需用承重索的两种平衡状态之间的关系来建立普遍张力方程式 第一种状态 设载有吊重的跑车 P P 为吊重和跑车及起重设备的总重 位于承 重索跨度的中间 以此作为变化前的标准状态 如图 4 15 a 所示 与此对应的水 平张力为 已在前面计算出来 H 第二种状态 如图 4 15 b 所示 设荷载 P 为任意荷载 位于距离 A 支点 x P x P x 处 与此对应的水平张力为 x H L L X b L 2 L L1 q1 q cos C X A Px L1 q1 q cos C A L2 B D q2 q cos L2 L 2 a P B D q2 q cos q q a 集中荷载位于跨中 L L X b L 2 L L1 q1 q cos C X A Px L1 q1 q cos C A L2 B D q2 q cos L2 L 2 a P B D q2 q cos q q b 集中荷载位于任意处 图 4 15 计算状态示意图 由此得到普遍张力方程 4 6 0 23 xxLCBAHH xx 4 7 H H kkk A 2 421 2 51 QkkB 2 31 L kk C 24 1 FE k k 2 2 3QQPPk 12 3 QPPk xx 4 8 2 2 2 2 2 1 2 1 4 coscosL LG L LG k 2 2 2 2 2 1 2 1 5 coscosL LG L LG k xx 式中 承重索钢丝绳换算弹性模量 MPa 其中 E 为钢丝绳 k E L EL Ek 弹性模量为 105MPa L 为承重索跨度为 131 5m 为承重索全长为 L 则 MPa 314 5 13163662 22 314 5 131105 k E 5 1042 0 承重索钢丝绳直径 取 863 34 mm2 FF P 第一状态下作用于承重索的集中力 取 P 104 4kN 作用于承重索的均布荷载 取 10 5kN QQ 第一状态下水平张力 取 515 0kN HH 第二状态下作用于承重索的集中力 kN x P 第一状态下左边跨承重索的均布荷载 kN m 则 1 G 7 29 kN m 7 43cos 6607986 0 cos 1 qL G 第一状态下右边跨承重索的均布荷载 kN m 7 29 kN m 2 G 2 G 第二状态下左边跨承重索的均布荷载 kN m 7 29 kN m 1x G 1x G 第二状态下右边跨承重索的均布荷载 kN m 7 29 kN m 2x G 1x G 由张力方程计算得到的张力 由式 4 2 求得垂度 x H x f x x x x H LP H gL f 48 2 式中 均布荷载 kN m g 1 空索安装 空索安装时 即令 0 代入式 3 6 中得 x P 1511 24 34 8631042 0 5 1 k 36097 5 10 5 10 4 104 4 1043 2 2 k 0 3 k 7 73 7 43cos 5 131 6629 7 2 2 2 54 kk 515 515 7 7336097 1511 2 A93 308 9 277998 7 73 5 13107986 0 1511 2 B 0 C 则 0 9 27799893 308 2 0 3 0 HH 解得 8 311 0 H kN 代入式 4 2 得 mf554 0 1079 3118 5 13186 79 3 2 0 2 带跑车安装 带跑车安装时 令等于跑车集中荷载 跑车在跨中时承重索张力最大 即 x P 车 P 令 2 L X n PPPP P 牵起吊跑车 车 式中 跑车重量 取 85kN 跑车 P 跑车 P 吊具重量 取 18 kN 吊 P 吊 P 起重索重量 kN 起 P 5 976106016 66 3 起 P 牵引索重量 kN 牵 P 4 3662131 51016 6 3 牵 P 则 37 8kN 代入式 4 6 中得 车 P 1511 24 34 8631042 0 5 1 k36097 2 k 21909 5 10 7 37 8 3712 3 k 7 73 54 kk 515 515 7 7336097 1511 2 A93 308 9 277998 7 73 5 13107986 0 1511 2 B 1914 131 5 219091511 2 C 则 0855234193 308 2 0 3 0 HH 解得 kN371 05 0 H 代入式 4 2 得 3 81m 371 054 131 537 8 1071 0538 5 13186 79 3 2 0 f V0 1 2 10 5 37 8 24 15kN 则安装跑车时最大张力 T0 371 8kN 2 0 2 o HV 四 牵引索计算 1 最大升角 跑车依靠牵引索在承重索上运行 牵引索的拉力与跑车沿着承重索滚动时的升角 有关 如图 4 16 所示 可计算得升角 4 9 2 2 L P q H XL tg x 式中 X A 点至跑车的水平距离 m 取 X 6 L 缆索吊机的跨度 m 取 L 131 5 q 作用于承重索的均布荷载 kN m 取 q 0 07986 Hx 水平张力 kN P 作用于承重索的集中荷载 kN 取 P 104 4 由式 4 7 当 X 6m 时 A 308 93 B 277998 9 C 1914 D 1719240 9 则 Hx3 308 93 Hx2 1719240 9 0 解得 Hx 325 19kN 得最大升角 0 16 5 131 4 104 07986 0 19 3252 62 5 131 tg 9 09 16 0 1 tg L X T q P T 图 4 16 跑车升角示意图 2 小车坡度阻力 由于跑车荷载 P 产生的下滑力为 1 W 4 10 sin 1 PW 式中 跑车荷载 kN 取 626 6kN PP 则 99kN 09 9 sin 6 626 1 W 3 小车运行阻力 跑车运行摩阻力为 2 W 4 11 cos 02 PfW 式中 承重索与跑车轮的运动阻力系数 分 0 fRRrf 210 21 和 别取 0 01 和 0 5 取 得 0 03 mmr25 mmR260 0 f 则 1 86kN 09 9 cos 6 62603 0 2 W 4 后牵引索的松弛张力 后牵引索随着跑车运行而放松 一般情况下 后牵引索宜尽量放松 注意控制好 不碰到扣索排架 由此放松后的牵引索的自重垂度产生了反运动方向的松驰张力 3 W 4 12 牵 f XLq W 8 2 3 式中 牵引索单长度的重量 kN m 取 0 0166 qq 后牵引索跨中垂度 一般控制为支承间距的 2 即 牵 f 0 02 0 02 131 5 6 2 51 牵 fl 则 13kN 51 2 8 6 5 131 0166 0 2 3 W 5 导向滑轮转动阻力 在牵引跑车时 导向滑轮产生转动阻力 4 W 4 13 1 1 3214 ba WWWW 式中 塔架转向轮数 取 2 aa 天车转向轮数 取 5 bb 转向轮的摩阻系数 取 0 98 则 17 3kN 1 98 0 1 1386 1 99 7 4 W 6 牵引索最大张力 由以上各项得牵引索最大张力 max T 131 2kN 4321max WWWWT 卷扬机的端头拉力取 70 选用 8kN 卷扬机 T 56kN 钢丝绳走三可满足要求 但考虑拱脚段吊装时离塔头较近 升角较大 为稳妥起见 按走四布置 选用 21 5 钢丝绳 6 37 7 安全系数 各规范规定不同 应注意 拉力安全系数 max 1 T T K n 52 9 2 131 4298 应力安全系数 292 4MPa D Ed F T 8 3 4 max 5008 4 1103 1754 10 2 131 53 2 K38 5 4 292 1700 五 起重索计算 1 起重荷载 起重荷载由两部分组成 起吊重量 Q1 由于两个跑车起吊 每个跑车吊重为 200kN 起重索重量 Q2 Q2 16 6 6 60 131 5 1000 26 2kN 则起重荷载 Q 200 18 16 6 6 60 131 5 1000 226 2kN 2 起重索进入卷扬机滚筒的拉力计算 起重索进入卷扬机滚筒的拉力为 q T 4 14 c c a q a n Q T 式中 有效绳数 取 6 nn 动滑轮数 取 3 aa 滑轮组至动力装置之间转向轮数 取 2 cc 分别为动滑轮及转向滑轮的折减系数 取 0 98 ca 则 41 6kN 23 98 0 98 0 6 2 226 q T 3 安全系数 拟选用 21 5 钢丝绳 则拉力安全系数 max 1 T T K n 516 7 6 41 298 应力安全系数 43 3MPa D Ed F T 8 3 4 max 5008 4 1103 175 6 41 5 2 K395 4 3 343 1700 五 塔架及其横移滑道的设计五 塔架及其横移滑道的设计 一 塔架的设计 塔架采用 N 型万能杆件拼组 结构及几何尺寸如图 2 1 所示 每个塔架顶部的竖 向荷载为 690kN 塔架竖向每肢按 2N1布置 每个塔架万能杆件自重为 1576 2kN 考 虑 10 的螺栓重量及两个索鞍 40kN 重量 塔架重量为 1773 8kN 则塔架底部所承受 的缆索吊机本身产生的竖向荷载为 2463 8kN 每肢所承受的竖向荷载为 136 9kN 每 肢所允许承受的竖向荷载为 725kN 安全系数为 5 3 能够满足要求 该特大桥采用无支架吊装 每吊装一段拱肋需要上一道扣索 主索中心线与拱肋 中心线重合 主索鞍对应塔架立柱 因此塔架立柱作为扣塔是具备位置条件的 但还 要看扣索鞍的高度及扣索给塔架带来多大的附加力 才能最终确定 扣索鞍的位置拟放在塔架顶以下 4m 处 距拱脚坐标原点 49 985m 一段吊重为 400kN 第二段吊重为 260kN 合拢段吊重为 260kN 索力计算如下 如图 4 17 所示 图中 O 为拱脚铰 A 为拱肋节段 1 与拱肋节段 2 之间接头位置 B 为拱肋节段 2 与拱肋节段 3 之间接头位置 及分别为扣索 1 和扣索 2 的水平 1 2 夹角 1 2 S1 Y 扣索1 T1 扣索2 Y1 Y2 拱肋节段2 S2 NAX A NAY T2 G2 NBY B 拱肋节段3 G3 X1 拱肋节段1 X1 o X2 X2 X G1 图 4 17 扣索索力计算简图 1 工况一 吊装拱肋节段 1 工况一即安装拱拱脚 安装第 1 节段拱肋 扣索 1 扣挂拱肋 取 O A 段为自由体 对 O 点取距 建立平衡方程式 0 O M0 11111 STXG 式中 扣索索力 为工况号 为扣索号 kN 以下同 iR TiR 各节段拱肋自重 为拱肋节段号 kN 以下同 i Gi 点 O 至的水平距离 m 1 X 1 G 点 O 至扣索 1 的垂直距离 1 S 60 1kN 073 28 5 11400 11 T 11 T 2 工况二 吊装拱肋节段 2 工况二即安装第 2 节段拱肋 锚栓临时连接 扣索 2 扣挂拱肋 先取 A B 段为隔 离体 对 A 点取距 建立平衡方程式得 0 A M 179 7kN0 22222 STXG009 18 5 12260 22 T 22 T 由 得 0X0cos 222 TNAX kN037 28cos 7 179 AX N 1 158 AX N 由得 0Y0sin 2222 TGNAY 174 6kN037 28sin 7 179260 AY N AY N 再取 O A 段为隔离体 对 O 点取距 建立平衡方程式 0 O M 0 121 1111 STXNYNXG AXAY 式中 A 点至拱脚 O 点竖直距离 m 1 Y A 点至拱脚 O 点水平距离 m 1 X 073 281168 17 1 158 5 25 6 1745 11400 21 T 220 9kN 21 T 3 工况三 吊装拱肋节段 3 即合拢段 工况二即安装合拢段拱肋 锚栓临时连接 合拢段重量为 260kN 按合拢段一半 的重量作用于 B 点 即kN 130 BY N 先取 A B 段为隔离体 对 A 点取距 建立平衡方程式 由得 0 A M 0 232 222 STXNXG BY 359 3kN009 1825130 5 12260 32 T 32 T 由得 0X0cos 232 TNAX 316kN037 28cos 3 359 AX N AX N 由 得 0Y0sin 2322 TNGN BYAY 219 3kN037 28sin 3 359130260 AY N AY N 再取 O A 段为隔离体 对 O 点取距 建立平衡方程式 0 O M0 131 1111 STXNYNXG AXAY 166 5kN073 281168 17316 5 25 3 219 5 11400 31 T 31 T 各扣索在不同工况下的索力见表 4 3 表 4 3 索力表 单位 kN 由扣索对塔架产生的竖向附加力偏于保守地以最大索力计算 P 220 9sin52 359 3sin52 220 9 359 3 sin45 867 4kN 考虑以上附加力后塔架底部的竖向荷载为 3167 1kN 每肢所承受的竖向荷载为 175 95kN 安全系数为 4 1 仍能满足要求 该特大桥为拱与墩固结 塔架置于墩顶 与墩柱的偏心距为 1 56m 设计单位对 索号1 段就位2 段就位合拢段就位最大值 1160 1220 9166 5220 9 20179 7359 3359 3 于塔架是否会对主墩有不利影响表示怀疑 为此进行了以下比较计算 塔架偏心弯距 塔架竖向荷载为 3167 1kN 与墩柱偏心距 1 56m 偏心弯距为 3167 1 1 56 4941kN m 引桥箱梁偏心弯距 引桥现浇梁重量 10019kN 与墩柱偏心距 3 41m 偏心弯距 10019 2 3 41 17082kN m 因此 塔架偏心弯距小于引桥箱梁偏心弯距的 30 主桥二期恒载 只包含纵梁 桥面板 23750kN 远远大于施工增加力 因此塔 架对墩柱的影响程度非常小 而且墩顶是缆索 扣锚索 塔架位置的最佳选择 其优 点如下 1 塔架高度降低 稳定性强 2 扣锚索较短 3 扣索的角度好 相对拉力小 4 塔架只向拱脚墩传递远远小于设计恒载的竖向力 5 整体抗风能力较强 基础稳固 施工安全 6 施工周期较短 7 节省材料 经济效益显著 8 体现良好的施工形象 二 塔架横移滑道的设计 由于塔架是一次性移动 缆索吊机空载横移时对墩顶的竖向压力较小 所以滑道 的设计相对比较简单 对应塔架的横向布置 设置 3 条滑道 每条滑道由 3 条 50kg m 钢轨组成 钢轨由墩顶预埋钢筋固定 滑道结构如图 4 18 所示 塔架每肢的底部支 撑脚 N21 做特殊设计 见图 4 19 支撑脚下垫 40a 槽钢 两者之间焊牢 扣于钢轨 之上 槽钢与钢轨之间涂抹黄油起润滑作用 塔架拼组时支撑脚与钢轨锁定 横移时 解开 主桥左右两主墩之间的净距为 1 5m 滑道钢轨不宜直接跨越 用碗扣支架搭设 支墩通过 左幅铺设滑道时 靠引桥侧的滑道需占用引桥支撑牛腿位置 在支撑牛腿 上设混凝土或钢支墩 使 3 条滑道在同一水平面上 缆索吊机横移时右幅引桥箱梁已 完成 引桥侧滑道需铺在引桥箱梁端隔梁上 经设计单位计算 端隔梁受力满足要求 但需在箱梁底部设支撑 以免支座过载 箱梁的翼缘板部分承受不了滑道荷载 可预 留一段翼缘板不浇注 在主墩帽梁背立面设牛腿支撑滑道 塔架拆除后割去牛腿 补 齐翼缘板 在滑道布置时 需注意以下问题 1 保证钢轨的标高一致 即钢轨上表面 在同一平面上 2 钢轨下缘要紧密相贴 不能留有缝隙 中间间隙处用 25 钢筋进 行横联 3 三排钢轨要相互平行且中心距为 2m 4 钢轨必须临时固定于底座上 保证在塔架横移过程中不动 5 40a 槽钢与 N21 铁焊接牢固且焊于 40a 槽钢中的 1cm 滑板头必须翘曲 0 5cm 1cm 以确保在滑移中不碰撞钢轨接头 六 移动动力系统的设计六 移动动力系统的设计 塔架移动的动力系统可考虑钢丝绳滑车组 普通千斤顶 精轧螺纹钢筋加张拉千 斤顶等形式 塔架的移动应平稳 可控 钢丝绳滑车组施力不方便 钢丝绳弹性大 塔架的移动不是连续的 而是小幅的跳动 普通千斤顶施力方便 但行程短 操作琐 碎 精轧螺纹钢筋加张拉千斤顶则具有施力方便 移动阻力可知 操作连续快速的优 点 因而予以采用 横移时塔架重量为 1733 8kN 各种索及天车 吊钩对塔架产生的 竖向荷载约为 400kN 塔底对滑道的竖向压力为 2133 8kN 塔架支撑脚与钢轨的摩擦 系数一般取 0 1 静摩擦系数要大一些 考虑塔架与钢轨固定时间较长 黄油会部分 变干硬 滑动面可能会生锈 将使初始摩擦力有较大的增加 摩擦系数取 0 3 这样 塔架横移牵引力为 640kN 横移动力系统选用 32 770MPa 精轧螺纹钢与 YCK60 穿心张拉千斤顶 布置两 组 32 精轧螺纹钢的单根拉力为 619 3kN 双根可提供 1238 6kN 的牵引力 能够满 足施工需要 精轧螺纹钢一端锚固在布置于塔架主柱 N21 铁上的 2 32b 槽钢上 另一 端通过千斤顶进行张拉 具体布置见图 4 20 在牵引装置布置时应注意以下问题 1 2 根 4 5m 的 32b 槽钢焊成横截面为矩形结构 并临时固定在 N21 铁上 2 精轨螺纹钢通过槽钢孔 60 用螺母与之固定 在螺母与槽钢间布置一 块 100 100 20mm 中心带槽垫板 3 张拉千斤顶与穿过千斤顶的精轧螺纹钢同心布置 即张拉时精轧螺纹钢始 终保持水平状态 4 张拉行程为 20cm 5 若将要发生塔架底 40a 槽钢与钢轨碰撞时 应即时调整两千斤顶的张拉速 度对其位置进行调整 6 每根精轧螺纹钢之长度为 3 6m 中间相应的增加连接器 为了顺利的让 连接器通过千斤顶 需增设撑脚过渡 七 天车的设计七 天车的设计 拱肋需 2 点吊装 每组主索上布置 2 个天车 根据主索的计算结果 天车设 6 排 承重轮 轮外径为 520mm 槽深 56mm 每排承重轮有 4 个轮 2 个 1 组 天车框架 通过 2 根 120mm 的通轴与承重轮连接 天车框架中部设有牵引索的导轮 导轮上缘 设有封闭措施 防止牵引索跳槽 天车框架下部横梁设起重索的转向轮 为安装及维 护方便 天车框架左右两侧设工作篮筐 2 个天车之间用 21 5 钢丝绳 6 37 连接 天车结构如图 4 21 所示 一 天车的相关计算 每组主索承重 626 6kN 每个天车的主索轮重约 40kN 则对于每个天车各部分受 力为 主索轮销轴 11 4kN 天车通轴 136 7kN 起重轴 91 1kN 牵引轴 以牵引索 最大张力计算 131 2kN 1 主索轮轴受力计算 主索轮轴受力为 11 4kN 50 轴 Q235 抗剪力 单剪 为 461 4kN 满足要求 2 天车通轴受力计算 天车通轴受力为 136 7kN 120 轴 Q235 抗剪力 单剪 为 2657 8kN 满足 要求 3 起重轴受力计算 P 91 1kN 采用 45 钢 L 340mm 80mm 1 Mmax P 4 0 34 0 03 91 1 4 0 31 7 06kN W d3 32 3 14 0 083 32 5 03 10 5m3 w Mmax W 7 06 103 105 5 03 1 4 108Pa 140MPa w 360MPa 满足要求 最大剪力 RA RB 91 1 2 45 55kN 则抗剪强度 max 16 3 Q d2 16 45 5 3 3 14 0 082 12 08MPa 125MPa 满足要求 2 墙板 按拉板理论计算 如下所述 销孔壁承压应力验算 4 15 c d P 0 式中 P 构件的轴向拉力 即销孔拉板通过承压传给销轴的力 销孔拉板的承压厚度 d 销孔的直径 c 销孔拉板的承压许用应力 c 1 4 销孔拉板的强度计算 首先根据销孔拉板承受的最大拉力 P 求出危险截面 a a 和 b b 图 4 22 上的内 力 然后用弹性曲梁公式求相应的应力 并进行强度校核 拉板承受的拉力 P 是通过销孔壁以沿弧长分布压力 p 的形式传给销轴 假定 p 沿 弧按正弦规律分布 即 sin max pp 图 4 22 销孔拉板 由图 4 22 根据拉板的平衡条件可得 2 0 2 0 max2 max 2 sin2sin2 rp drpprdP 则 r P p 2 max 根据拉板结构和受力的对称性 图 4 23 可知拉板上反对称的内力 即剪力 等于零 若沿销孔中心线平截开拉板 则截面上只有轴力 Nb和弯矩 Mb 根据静力平衡条件 0 得 Nb P 2 y 由于根据平衡方程解不出 Mb 故属于一次超静定问题 须根据变形条件求出 Mb 为此需列出与水平线成 角的任一截面的弯矩方程 0 sin Pr cos1 RdRNMM bb 将 Nb P 2 及 P Psin 2sin r 代入上式 得 dinsPRPRMM b sin 2 cos1 2 1 0 4 16 cos sin 1 cos1 2 1 PRPRMb 令 即得 a a 截面的弯矩 2 4 17 PRPRMM ba 1 2 1 因拉板的结构和受力是对称的 故 a a 截面的转角应为零 a 即 2 0 EI Mds a 0 2 0 EI MRd 将式 4 16 代入上式 dPRPRM EI R b 2 0 cos sin 2 cos1 2 1 0 PRPRM EI R b 2 2 2 1 4 18 PRPRMb095 0 2 14 2 将式 4 18 代入式 4 17 得 PRPRMa087 0 14 2 由图 4 24 根据平衡条件 得 0 x cosPr 2