中铁一局集团厦门建设工程有限公司 福建厦门 361000
摘要：缆索起重机系统是龙门黄河大桥上部结构安装的关键设备系统，该系统跨径大，起吊重量大，安全要求高。本文根据施工技术特点，对缆索吊系统塔架、主缆、索鞍、后锚等设计思路和安装工艺做介绍。
关键词：龙门黄河大桥；缆索起重机；设计；安装
1 龙门黄河大桥工程概况
龙门黄河大桥位于陕西省和山西省交界处的禹门口地区跨越黄河，设计里程为DK505+956.1～DK506+224.6，桥梁全长268.5m。全桥采用1-202m中承式钢管混凝土提篮拱桥，计算跨度202m，矢跨比1/4，拱肋横向内倾角6°，拱脚部位的拱肋中心距为20.0m，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.6。桥面采用钢-混结合梁，主梁孔跨布置为(2×19+2×13.5+14×9+2×13.5+2×19)m，全桥共使用钢材3788.5吨。桥梁主体结构包括拱座，框架墩，拱肋钢管，桥面板，吊杆，立柱，两侧桥台采用一字台，浩方台采用柱桩，三方台采用明挖基础，边墩采用墩柱倾斜的框架式支墩，将拱座作为其基础。龙门黄河大桥为管段内重点、难点工程，是蒙华铁路的控制性工程。
图(1) 龙门黄河大桥总体布置图
2 缆索系统结构组成
2.1 主要设计参数
缆索吊系统跨径布置为（130+413+0）m，浩方侧后锚端跨径为130m，主跨跨径413m，三方侧地形陡峭，设计吊装系统时考虑不用索塔，悬索系统直接利用现有地形锚固于山体上，主扣索锚碇分离设计，皆采用锚索钢箱梁结构。浩方侧主扣索锚碇整体设计，采用群桩承台结构。浩方侧塔架采用吊、扣塔合一的构造形式，扣塔与基础固结，吊塔与扣塔顶铰结，设置于桥台后38m，中心桩号DK505+918.1，吊扣塔全高75.2m，其中吊塔高21.2m，扣，扣塔采用塔高54m，吊塔采用常备M型万能杆件组拼成双柱式钢桁架结构，扣塔采用钢管立柱加万能杆件横联结构。
缆索吊系统设置2组主索，2组工作索，均可在空索状态下进行横移，横移范围为距线路中心5～11m，每组主索上设置2个吊钩，每个吊钩净吊重50t，工作索设一个吊钩，净吊重10t。
缆索吊机主要参数表
2.2 缆索吊系统系统及扣挂系统设计
2.2.1 最大起重量设计
(1)、拱肋
根据设计图，拱肋最重段为S4段，净重量为86.765吨，就位时由一组主索承载，缆索吊机设计每组承重索额定起吊能力100吨（2×50t）。
(2)、桥面系节段
根据设计图，桥面系节段最重段为L1段，净重量为103.1吨，，就位时由双组主索承载，缆索吊机设计双组承重索额定起吊能力110吨（2×2×27.5t）。
图(2) 缆索系统布置图
2.2.2 承重索
在塔顶布置2组6φ58mm(6×K36WS+IWRC)的压实股光面钢芯钢索作为运输主索，公称抗拉强度2160MPa,单根钢绳钢丝截面积A=1824.074mm2，单根钢绳单位长度重量16kg/m，整条钢丝绳的最小破断拉力为Tp＝3030KN。两组主索在空载状态皆可进行横移，使4个吊点覆盖拱肋全宽度范围，同时，在桥面系构件安装阶段，拱肋以下桥面系构件不能从拱肋上方下放，只能从浩勒报吉岸拱座前缘二次起吊平台起吊安装，此时，吊点只能位于拱肋外侧才能不与拱肋干扰，因而设计加长吊架进行吊装，此时2组主索中心分别距离桥轴线11m布置，主索跨度L＝413m，空索垂度f0＝18m。
当吊运最重节段拱肋至至索跨跨中时，主索垂度为fmax＝29.308m，矢跨比L/14.09，主索最大张力Tmax＝5545.033KN，拉力安全系数K＝3.28>[3]，张力安全系数满足要求。考虑弯曲作用的主索应力σ＝582.0MPa，安全系数K＝3.71>[2]；考虑接触作用的主索应力σ＝551.0MPa，安全系数K＝3.92>[2]；应力安全系数满足要求。
桥面梁采用2组天索抬吊安装，吊桥面梁阶段主索最大垂度fmax＝26.882m，单组主索最大张力Tmax＝4268.382KN，拉力安全系数K＝4.26>[3]。
各阶段承重主索计算成果表
2.2.3 工作索
考虑到吊运扣索、检修滑车及运送小型机具的需要，在塔顶主索旁布置了2组1φ58mm(6×K36WS+IWRC)的压实股光面钢芯钢索作为工作索，公称抗拉强度2160MPa。工作索布置于主索外侧距离主索中心0.906m处。工作索安装垂度f0＝15m，最大计算吊重100KN，吊索具、配重及冲击系数计算重量152.88KN，吊重索跨跨中垂度fmax＝25.277m，最大张力Tmax＝764.520KN，拉力安全系数K＝3.96>[3]，接触作用的主索应力σ＝463MPa，安全系数K＝4.67>[2]；应力安全系数满足要求。
2.2.4 塔架及塔顶分配梁
（1）、塔架结构
1）、缆索塔架
仅在浩勒报吉岸设置塔架，主索塔架采用常备M型万能杆件组拼成双柱式钢桁架结构。索塔布置于扣塔顶部，与扣塔铰接，索塔全高20.782m。索塔顶部横向宽28m，塔脚铰部位横向宽度24m，主 立柱纵向采用双立柱（2×4N1），宽度2.56m，单侧立柱横向宽度4m。立柱内水平腹杆为2N4，斜腹杆为2N5；横向门架部分的斜杆采用2×4N3杆件，上下水平杆采用2×4N4杆件，中部水平杆采用2×2N4杆件，纵向腹杆皆采用2N4、2N5杆件。
图(3) 索塔布置图
2）、扣塔及基础结构
扣塔设置于浩勒报吉岸台后38m，扣塔基础采用扩大基础，扣塔与基础预埋钢板焊接。基础分2层，下层基础10m横×8m纵×1.25m高，上层基础每侧内收1m，基础尺寸为8m横×6m纵×1.25m高；基础为C30混凝土。塔架基础容许承载力不小于0.25Mpa。基础砼浇筑完成后，基坑四周回填夯实，压实度不小于95%，基础四周10m范围内用15cm厚C20砼封闭，防止地表水渗入基础降低基础承载能力。
图(5) 扣塔布置示意图(单位：m)
2.2.5 扣、锚索
（1）、扣、锚索结构
扣索及锚索均采用5Φ15.2mm高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值为1860MPa，弹性模量195GPa，其技术条件符合《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224-2003)之规定，单根钢绞线的抗拉力不小于260KN。
每段拱肋设置2束5Φ15.2mm钢绞线扣索，全桥28段拱肋共设置56束5Φ15.2mm钢绞线扣索。三门峡岸扣索直接在锚碇钢箱锚梁上张拉锚固；浩勒报吉岸在塔顶设置钢锚箱，在钢锚箱上张拉锚固。
图(6) 钢锚箱构造示意图(单位：mm)
浩勒报吉岸扣索对扣塔除产生竖直压力荷载外，也将产生较大的水平分力荷载，水平分力荷载通过对应的锚索来平衡，锚索固定端在主锚碇上锚固，张拉端设置在钢箱锚梁另一端，每束锚索采用5φ15.2mm钢绞线，对应1道(2束扣索)，全桥共14束锚索，上下游各7束。锚索张力按其水平分力与对应扣索水平分力相等(前后水平力抵消)进行换算，对应扣、锚索同时分级张拉，以抵消扣塔水平力，扣锚索张拉采用张力与扣塔顶位移双控，以位移为主要控制指标。扣塔纵向位移应控制在±10mm内。
钢绞线扣索在工作期间应力变化属低应力范围，其固定端及张拉端的锚固可靠度是施工成败的关键因素之一，固定端采用受力可靠的P形锚具锚固，采用带螺纹锚圈的固定端专用锚具。张拉端因要考虑调索及扣索拆除的需要，其锚具需具备张拉、顶压、锁紧放松、调索及微调等诸多功能，采用OVM低应力夹片锚固系统。
图(7) 扣锚索布置图
2.2.6 锚碇
（1）、三门峡岸主锚碇
三门峡岸台尾后方沿桥轴线为坡度较陡的岸坡，且场地狭窄，公路等干扰因素较多，设计吊装系统时考虑不用索塔，悬索系统直接利用现有地形锚固于山体上；同时因山体覆盖层较薄，下伏基岩强度及整体性较好，适合洞锚及锚索结构，因而三门峡岸主锚碇设计为锚索分配梁结构，通过锚索锚固钢箱分配梁，再在分配梁上设置座(拉)板和锚固滑轮来锚固钢索，座拉板与锚梁间采用M39mm高强螺栓(10.9S级)进行连接。
图(8) 三门峡岸主索锚碇构造图(单位：cm)
主锚碇上下游分离设置，每侧设计2×5束18φ15.24mm钢绞线锚索来固定型钢分配梁；分配梁上栓接滑轮座并通过滑轮与主、扣索及工作索等进行连接，锚索锚入基岩中的有效深度26.19m。锚索采用标准抗拉强度Ryb＝1860MPa、Ey＝1.95×105MPa、松弛率满足Ⅱ级要求的φ15.24mm高强度低松弛钢绞线；锚固控制张拉应力为70%Ryb。
主索拉(座)板和锚固滑轮设计成可滑移结构，便于主索在吊不同位置箱肋时进行横移，横移在空索状态下进行，通过千斤顶张拉横移到位，再用M39高强螺栓(10.9S级)进行连接固定。安装拱肋时，主索锚固滑轮根据安装需要可横移至主索中心偏离桥轴10.9m、8.6m、6.4m、4.1m四个不同的位置状态。
锚梁主梁采用高700mm×宽700mm钢箱梁，顶板厚度25mm，底板厚度20mm，腹板厚度20mm，顶板螺栓栓接翼缘采用16mm后钢板在翼缘下部加厚，座拉板作用位置设置16mm厚横隔板加强，单侧锚梁长11m。次梁与主梁交叉设置顶板贯穿主梁腹板，底板与主梁底板坡口对接焊，次梁高600mm×宽500 mm钢箱梁，顶底板及腹板皆采用20mm厚钢板，锚索锚固在次梁两端，锚索作用位置设置16mm厚横隔板加强，次梁长2.2m，每侧对应锚索设5根次梁，距离桥轴线7.5m和12m次梁在下部焊接风缆滑轮组，以便于风缆连接。
所有锚固滑轮皆为直径φ700mm的铸钢轮，轮轴为φ120mm的45号钢钢轴，肋板为25mm钢板，座板为35mm钢板，材质Q345；座板与锚梁之间采用M39高强螺栓(10.9S级)进行连接固定。
（2）、三门峡岸扣索锚碇
图(9) 三门峡岸扣索锚碇示意图(单位：cm)
根据现有地形、地质情况，三门峡岸扣索锚碇仍采用锚索分配梁结构，通过锚索锚固钢箱分配梁，扣索锚固在钢箱分配梁上，钢箱梁上下游分离设置，每侧锚碇设置上下2根钢箱梁，钢箱梁长7.4m，高800mm×宽800mm，在锚头位置根据扣锚索角度焊接三角调整块。顶底板及腹板厚度皆为20mm，箱内设置20 mm厚横隔板。每根锚梁设置4束10φ15.2mm高强度低松弛钢绞线锚索，锚固控制张拉应力为70%Ryb；每根锚梁上锚固7束5φ15.2mm钢绞线扣索，每道扣索的2束锚索分别锚固在上下锚梁上。
（3）、浩勒报吉岸主、扣索锚碇
图(10) 浩勒报吉岸主、扣索锚碇示意图(单位：m)
浩勒报吉岸地形平缓，地质为黏性黄土，主扣索锚碇采用钢筋砼群桩承台结构，上下游仍分离设置，每侧锚碇设置7根直径2米的钢筋砼锚桩，前部3根，后部4根，后部4根锚桩露出承台2.3m，用于主索、工作索、起吊牵引索和塔架后风缆等的锚固。承台尺寸16m×8.5m×3m，承台以下桩基长度22m。锚索固定端锚具在承台后部齿板上锚固，每侧锚固7束10φ15.2mm钢绞线锚索。
2.2.7、起重索
起重索采用φ26mm(6×37S+FC)的麻芯钢索走12线，公称抗拉强度1670MPa，钢绳最小破断拉力373KN。
图(11) 起重索布置示意图
每组主索设置前后2组起吊滑车组，起重索跑头通过浩勒报吉岸塔顶及锚碇位置的导向滑轮后进入12吨起吊卷扬机，全桥需4台12吨主起吊卷扬机，起吊卷扬机采用可变频卷扬机，起吊卷扬机容绳量应不小于1300m；定投锚固在三门峡岸主锚碇上。
2.2.8、牵引索
每组主索设置1组牵引索系统，牵引索采用φ24mm(6×37S+FC)的麻芯钢索，公称抗拉强度1670MPa，钢绳最小破断拉力317KN。牵引滑车按来回线走4线布置(不含来回线通线)，每侧设置1台12吨中快速卷扬机牵引天跑车，跑头经浩勒报吉岸塔顶和锚碇处导向滑轮后进入设置于锚碇上游侧的牵引卷扬机。全桥需2台12吨可变频的主牵引卷扬机。前后两台天跑车之间采用2φ38mm(6×37S+FC 1670MPa)钢绳进行连接并同步。塔头牵引定滑车在塔头横向相对固定，纵向通过φ40mm钢绳支撑。
图(12) 牵引索布置示意图
2.2.9、工作索起吊与牵引
工作起吊采用φ19.5mm麻芯钢索(6×37+FC 1670MPa)，滑车组走5线布置，采用5t卷扬机做起吊动力。工作牵引采用φ19.5mm麻芯钢索(6×37+FC 1670MPa)，滑车组走3线布置(不含来回线通线)，采用5t卷扬机牵引。工作索起吊牵引需5吨中速卷扬机2台。
2.2.10、天跑车系统及起吊滑车组
天跑车采用6索跑车，每个跑车12个跑车轮，每组主索2个天跑车，全桥共4个天跑车。跑车采用φ400mm铸钢轮，圆锥滚子轴承及45号钢销轴，销轴直径为φ65mm，下部与吊点连接轴为φ90mm的45号钢钢轴，肋板中部为2×10mm钢板，边板为10mm钢板，材质Q345。肋板之间采用M24mm套筒螺栓限位。
图(13) 天跑车构造示意图
每个吊点采用8门70吨滑车组1付(全桥4付)，滑车组在市场上购置专业起重设备生产厂家生产的合格产品。
2.2.11、索鞍系统
索鞍系统分为索鞍支架及索鞍两部分，索鞍支架支承于吊塔钢箱分配梁上，并与分配梁栓接，支架与索鞍可通过千斤顶张拉整体横移。支架主梁为6I56B，并通过型钢连接成整体，上部通过I32A工字钢来支承主索、工作索索鞍。索鞍为7门座滑轮，其中1门用于工作索。座滑轮采用φ900mm铸钢轮，45号钢轴承套及45号钢销轴，销轴直径为φ100mm，肋板为25mm钢板，底板为30mm钢板，外侧撑板为20mm钢板，所有钢板材质Q345。
图(14) 索鞍构造示意图
索鞍横移在空载状态下进行，利用2台600KN穿心千斤顶同步张拉横移，牵引采用φ32mm(PSB830)预应力砼用螺纹钢筋，在前后分配梁(F3)两端焊接张拉反力座。分配梁F3对接接头采用破口焊接，接头及顶面应打磨光滑，并涂抹黄油，减少横移过程中的摩擦，横移到位后，连接好座板螺栓，才能进行吊装作业。
图(15) 索鞍横移构造示意图
2.2.12、拱肋风缆索
拱肋风缆绳采用2φ22mm(6×37+FC)的麻芯钢索，公称抗拉强度1670MPa，钢绳破断拉力为47.6吨(双线)。
风缆与地面夹角需大于30°，风缆水平投影与桥轴夹角不小于50°，实际根据现场地形实测后布置，尽量满足上述对风缆角度的要求，并应根据实际风缆角度对风缆初张力进行调整。为减小风缆垂度的非弹性影响，风缆初张力一侧60KN控制，另一侧根据横向水平分力相等原则计算。
3 结语
本文重点研究龙门黄河大桥缆索起重机吊装系统的设计、安装，通过对缆索起重机主缆、塔架、后锚等结构进行研究，以期达到安全，可靠、符合实际的使用要求，其中塔架的基础、结构形式、抗风计算、系统主缆的计算和架设是难点。该缆索起重机系统的顺利安装和安全的投入使用，对同类桥梁建设能起到一定的借鉴作用。
论文作者:陈慧
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第22期
论文发表时间:2018/1/5
标签：锚固论文; 缆索论文; 卷扬机论文; 系统论文; 塔顶论文; 滑轮论文; 滑车论文; 《建筑学研究前沿》2017年第22期论文;