山区大跨径悬索桥缆索吊机设计研究

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摘要：针对跨径千米以上且加劲梁节段质量超过150 t的大跨径山区悬索桥，以云南龙江大桥为例，阐述了大跨径悬索桥缆索吊机主索、起重和牵引系统、索鞍、支索器的设计，以及控制系统和结构材料的选用。实践经验证明，该工程缆索吊的设计充分考虑了大跨度和大起重吨位的特点，采用智能化集成控制系统，运行稳定可靠，为今后类似的桥梁工程提供借鉴。

关键词：山区；大跨径；悬索桥；缆索吊机

中图分类号：U448.25文献标志码：B

Abstract： For those suspension bridges in the mountains with a span of more than 1 000 meters and stiffening girder that weighs over 150 t， such as Longjiang Bridge in Yunnan Province， the design of principal cable， lifting and traction system， cable saddle and cable supporter of the cable crane was expounded， as well as the control system and selection of structural materials. The practice shows that the cable crane， which fully considers the characteristics of long span and large lifting tonnage and applies intelligent control system， is functioning steadily.

Key words： mountain area； long span； suspension bridge； cable crane

0引言

山区悬索桥加劲梁通常采用缆索吊机架设法，跨径在千米以下的悬索桥应用较多，目前该技术已比较成熟，但对于跨径千米以上且加劲梁节段重量超过150 t的大跨径山区悬索桥，因架设加劲梁的缆索吊机的跨径、吊重均比以往工程有很大突破，缆索吊机的设计要充分考虑跨径大、吊重大的特点[13]。本文以云南龙江大桥为例，简要阐述大跨径悬索桥缆索吊机的设计，为今后类似桥梁工程提供借鉴。

1工程概况

云南省保（山）腾（冲）高速公路龙江特大桥位于云南省西部，主桥采用320 m+1 196 m+320 m双塔单跨钢箱梁悬索桥方案，主缆矢跨比为1/10.5，2根主缆中心间距为255 m，吊索间距为12.4 m，是国内山区最大跨径的钢箱梁悬索桥。主桥钢箱梁采用不等边风嘴的单箱单室断面，全宽33.5 m（含两侧各2.5 m的检修道），高3.0 m，全桥钢箱梁共分97个梁段，标准梁段长12.4 m，重153.4 t。钢箱梁标准横断面如图1所示。

悬索桥加劲梁预拼节段架设施工的关键问题是梁段的运送和提升。龙江大桥为山区跨峡谷悬索桥，谷底距离桥面高度约280 m，谷口宽度约1 100 m，桥轴纵断面岸坡坡度一般为30°～60°，主桥钢箱梁无法采用陆运或水运到达安装位置下方，且不能采用直接垂直起吊的安装方案。根据桥址的地形条件和悬索桥结构特点，本桥钢箱加劲梁采用缆索吊机架设安装方案。

2缆索吊机总体设计

悬索桥加劲梁吊装的缆索吊机具有一个最大的经济优势，就是利用主桥索塔、锚碇作为缆索吊的塔架和主索地锚[46]。龙江大桥缆索吊机设计也是基于这一原则，缆索吊主索跨径组合为310 m+1 196 m+310 m，索鞍布置于索塔上横梁顶面，主索分别锚固在两岸主桥锚碇散索鞍支墩上，左、右幅各设置1套起吊系统，中跨主索左右幅中心间距为16.2 m，边跨主索锚固点中心间距为25.5 m，起重卷扬机及牵引卷扬机布置于两岸塔锚间引道上。缆索吊总体布置如图2所示。

2.1缆索吊主索设计

缆索吊左右幅各布置1组主索，每组主索由10根Φ60 mm钢丝绳组成。利用主桥两岸的锚碇作为缆索吊主索锚碇，在两岸锚碇左右幅的散索鞍支墩上分别埋设主索锚固预埋件[78]。为了保证每根主索受力均匀，方便调整主索线形，在主索锚固端设置滑轮组，将单组10根主索串联在一起，待主索线形调整完成且各根主索受力达到平衡时，经过载荷试吊检验后，再将10根主索进行两两锁紧，将主索由串联转换为平联。主索钢丝绳绕线方式如图3所示。

2.2缆索吊起重和牵引系统设计

缆索吊对应于左右幅主索各设置1套起重小车，起重索采用Φ36 mm钢丝绳走8线，牵引索采用Φ42 mm钢丝绳走3线，起重采用25 t卷扬机，牵引采用30 t卷扬机，卷扬机分别布置于两岸塔锚之间的引道上。缆索吊单侧起重索、牵引索走线方式如图4所示。

起重小车由跑车、上挂架及下挂架3部分组成。跑车轮组取四轮结构，跑车轮直径取600 mm，每台跑车由40个轮组成，如图5所示。

2.3缆索吊索鞍设计

由于缆索吊是采用主桥索塔作为塔架，而缆索吊在运行过程中，主索在中跨、边跨的水平力会不断变化，中跨、边跨主索的水平力差会对索塔产生较大的水平推力，对索塔受力不利，所以需要在索鞍顶部设置滑轮组，使主索可以自由滑动，从而起到平衡中跨、边跨主索水平张力的作用。

在对应于左右幅主索位置的索塔上横梁顶面各布置1套索鞍，如图6所示。索鞍的高度根据主索受力情况进行确定，主要考虑缆索吊在跨中的吊装高度应满足加劲梁架设的需要。缆索吊索鞍主要包括主索承载滑轮组、起重索导向滑轮组和牵引索导向滑轮组，这些轮组在缆索吊系统中不仅起到支撑主索的作用，同时起到起重索、牵引索的导向作用[910]。

2.4缆索吊支索器设计

在大跨度缆索吊中，首先要解决各功能索空中缠绕和空钩自由下落的问题，因此设置支索器对牵引索、主索、起重索进行有效的分层和限位，以提高缆索吊的运行稳定性和使用安全性。

龙江特大桥缆索吊支索器设置于缆索吊机的跑车前后方，其结构包括牵引索托轮组、起重索托轮组和行走轮组，各支索器之间采用1根钢丝绳进行定位。在缆索吊机运行过程中，支索器依靠跑车顶推或牵拉进行收放。考虑到缆索吊维修的需要，支索器行走轮布设在中间6根主索上，预留外侧2根主索用于检修吊笼行走。缆索吊支索器的设计构造如图7所示。

支索器的间距设置不合理同样影响着缆索吊的运行性能：支索器间距过小、数量过多，会增加缆索吊的自重，并且增加牵引索、起重索的摩阻力；间距过大，则可能起不到支托牵引索、起重索的作用，并且当支索器收拢时，支索器定位绳自由下垂过大会造成定位绳挂靠已吊装加劲梁的情况。因此，支索器的数量和间距设计，既要使支索器能起到其本身的作用，又不能影响缆索吊的运行。龙江大桥支索器采用不等间距布置，从起重小车向索塔方向布置间距依次增大，分别为15×46 m、3×50 m、65 m、80 m、90 m，起重小车两侧各设21个支索器，为防止支索器收拢时定位绳扭转相互缠绕，支索器定位索采用防扭转钢丝绳。支索器布置如图8所示。

2.5缆索吊控制系统设计

缆索吊的运行主要是依靠起重、牵引卷扬机来控制。对于跨度大、吊装重量大的缆索吊，采用常规的目测观察方法已经难以保证吊装系统的安全运行，而且通过对讲机进行人工指挥的来完成吊装，对多台卷扬机的协同工作存在较大的命令执行滞后性。

龙江大桥缆索吊采用信息化手段，利用成熟的工业自动控制技术和计算机网络技术，替代原有的人工操作、指挥和控制，开发出一套模块化分布式卷扬机智能化集成控制系统。该系统是在每台卷扬机钢丝绳出绳位置安装传感器，用于实时测算钢丝绳的牵引力、出绳长度和速度；利用网络技术和计算机技术将测试数据显示在每台卷扬机操控台和主控台上；再利用计算机图形化控制界面，将缆索吊的运行状态通过仿真画面的形式显示在主控台屏幕上，实时反映缆索吊机跑车的移动位置、吊钩升降高度以及每台卷扬机钢丝绳的张力、出绳长度及速度等数据信息；通过显示屏幕上的按钮，可以实现各台卷扬机的调控。

通过智能化集成控制系统，可以实时了解和调控缆索吊的运行状态，确保缆索吊机各卷扬机的同步性、可控性，提高施工效率和精度，有效保证施工安全。

2.6缆索吊结构材料选用

龙江大桥缆索吊跨径1 196 m，额定载重170 t，要在保证缆索吊结构安全的前提下提高缆索吊结构本身的性价比，降低缆索吊施工和使用过程对桥梁主体结构的影响。为方便维修养护和以后重复使用，缆索吊在结构设计上主要采取的措施有以下几点。

（1） 钢丝绳。

在以往的工程中，缆索吊钢丝绳基本上都采用油绳，而在施工过程中钢丝绳维护工作量大，并且钢丝绳油脂洒落容易对桥梁主体结构造成较大的污染。龙江大桥缆索吊钢丝绳全部采用了镀锌钢芯钢丝绳，起重索和牵引索采用表面浸油，这样既可减少滑轮磨损，又避免了油脂洒落对桥梁结构造成的污染。

（2） 滑轮结构。

龙江大桥缆索吊跑车、支索器部分滑轮采用MC尼龙材料，在保证结构强度的同时大大减轻了结构自重，在钢丝绳材料不变的情况下提高了缆索吊载重能力。

3结语

龙江大桥为目前国内最大跨径的山区钢箱加劲梁悬索桥，钢箱梁缆索吊机的跨度、吊装重量均超过以往工程，缆索吊的设计已不能照搬以往的工程经验，需要充分考虑大跨度、大起重吨位的特点。龙江大桥缆索吊机通过合理的结构设计，采用智能化集成控制系统，且运行稳定、可靠，90 d顺利完成了全桥97片钢箱梁的吊装施工任务，完全达到了设计的预期效果，其成功经验可为今后类似工程提供指导和借鉴。

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