第四章缆索吊机

《桥梁施工临时结构》授课教案第四章缆索吊机Chapter4CableCrane第四章缆索吊机Chapter4CableCrane第一节概述Section1Summary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。1．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。第二节移动式缆索吊机的设计一、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（Φ1050×18mm/Φ1050×14mm）和竖、斜腹管（Φ500×10mm）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Φ1.05m的钢管组成，钢材采用Q345C钢，管壁厚度为14mm，腹杆采用Φ500mm、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Φ500mm、壁厚δ＝10mm的钢管，腹杆和平联采用Φ300mm、壁厚δ＝8mm的钢管。系杆为12束12Φj15.24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85Φ7高强钢丝（两侧短吊杆91Φ7）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644