多塔联跨缆索吊机应用与设计

余海

（湖南省中南桥梁安装工程有限公司，湖南 怀化418000）

1 引言

随着国内基建水平的提高，桥梁设计理论水平研究也越来越深入，桥梁跨度越来越大，结构形式越来越多样化，吊装重量也越来越大，桥梁建设越来越复杂。部分山区、大江大河、市政道路需要设计多跨拱桥或者多跨悬索桥，桥面梁体安装是一大难题。在多跨拱桥施工中需要每跨单独设计缆索吊装系统，缆索吊设备投入大，多套系统共同运行，缆索吊系统空间设计复杂，多套系统相互影响，施工效率低；悬索桥安装施工如果采用传统缆载吊机进行梁体安装施工，梁体节段无法运输至缆载吊机下方，而目前缆载吊机无法大吨位带载走行，传统工艺无法施工，制约了桥面结构的发展。利用多塔联跨缆索吊机施工拱桥吊装作业或者施工悬索桥桥面梁体架设，在施工安全、施工进度、成本控制等方面均有优势。

2 多塔联跨缆索吊机应用范围

2.1 多塔联跨缆索吊机简介

多塔联跨缆索吊机即采用1 套缆索吊系统，天车及吊钩在多跨缆索间来回运行，在不同跨起吊吊装作业的缆索吊机。

多塔联跨缆索吊机包含：承重索、起重索、牵引索、缆风索、缆塔、跨塔天车、跨塔索鞍、锚碇、控制系统等机构。承重索、起重索、牵引索、缆风索、缆塔、锚碇、控制系统均与传统缆索吊机结构一致，跨塔天车及跨塔索鞍与传统天车及索鞍不同，跨塔天车采用“扁担式”结构，可以采用“上翻式”或“下挂式”2 种结构（见图1）。“上翻式”结构仅能天车空载运行，构件在同跨范围挂钩起吊安装；“下挂式”结构更为灵活，可以带载跨越索鞍，也可以空载跨越索鞍，根据不同施工工况进行综合比选确定【1～3】。

多塔联跨缆索吊机起重及牵引走线、运行方式与传统缆索吊机一致，起重部分依然分为下挂架、上挂架及走线钢丝绳；牵引部分走线方式与传统缆索吊机基本一致。但起重及牵引索在跨塔处又有不同之处，天车在跨过索鞍处时，一侧牵引钢丝绳离开塔顶转向轮，另一侧牵引钢丝绳需要归位入塔顶转向轮，从结构上需要考虑起重及牵引钢丝绳能精准落入转向轮绳槽中（见图2）。

图1 “上翻式”或“下挂式”索鞍及天车布置示意图

图2 多塔联跨缆索吊机布置示意图

2.2 多塔联跨缆索吊机适用范围

多塔联跨缆索吊机采用独特的结构形式，解决了传统缆索吊机天车过索鞍的难题，使得天车及牵引、起重系统可以不拆解即在多跨承重索间往复运行，使得吊装顺序更为灵活，吊装功效与传统缆索吊机基本无异。

多塔联跨缆索吊机适用于2 跨及以上可采用缆索吊机吊装施工的拱桥、悬索桥；适用于多跨结构可以采用传统缆索吊机吊装施工，但有限高要求的区域。

2.3 多塔联跨缆索吊机优缺点

多塔联跨缆索吊机因具有特定的适用范围，相较于传统缆索吊机或者悬索桥缆载吊机有鲜明的特点。

主要优点有：

1）可以有效降低缆塔高度；

2）用1 套缆索系统完成多跨结构吊装施工，缆索吊结构布置更简单；

3）部分在大江大河上的多跨悬索桥、拱桥结构，解决了传统缆索吊无法布置或者成本过高的难题；使得结构更为简洁，避免了采用传统缆索吊结构需要布置多套系统，结构布置复杂，相互干扰大的难题；

4）相较于采用缆载吊机，安全性更高，施工效率是缆载吊机的3～5 倍。

5）相较于传统缆索吊机，成本节约20%～40%。

主要缺点有：

1）天车受力形式与传统天车不同，天车重量偏大；

2）天车过索鞍时，需要人工观察并辅助起重、牵引绳进入转向轮绳槽；

3）大跨度结构，多塔联跨缆索吊机支索器设计较为复杂。

3 多塔联跨缆索吊机设计计算

多塔联跨缆索吊机设计计算与传统缆索吊机设计计算原理基本一致，但计算公式有所不同。主要部位的设计如下。

3.1 承重索设计

双跨缆索吊计算如图3 所示。

图3 双跨缆索吊计算图示

主索水平拉力：

未承重跨的主索垂度：

Hk与Hz的关系式：

自重作用下主索垂度：

式中，Hz、Hk为分别为外荷载和自重作用下，主索的水平拉力；fz、f ′z为分别为外荷载作用下，承重跨与未承重跨主索的垂度；fk、f ′k为分别为自重作用下，承重跨与未承重跨主索的垂度；Q 为主索承担的单吊钩集荷载；q 为主索承担的均布荷载；l、l′分别为承重跨与未承重跨的跨度；a 为2 台距车的间距；Ek为主索弹性模量；F 为主索钢丝绳截面积；U 为与主索相同跨的简支梁（简称代梁）剪力，是代梁剪力图的面积，可以利用图乘法计算。

3.2 起重及牵引索设计

起重及牵引索设计与传统缆索吊机设计计算相同，设计计算可参考传统缆索吊机设计。但起重及牵引索在索鞍前后需要设计在一条直线上，不能有偏转角度，避免因过索鞍时起重及牵引索不能自动落入起重及牵引转向轮，产生绳索跳槽、磨绳等问题。

3.3 索鞍及天车设计

天车和索鞍设计除了要满足传统天车的基本功能，还要满足天车能从索鞍上跨越、下吊具能自由通过索鞍以及起重、牵引钢丝绳能自动进入索鞍处转向轮绳槽。

索鞍及天车可采用如图1 所示“上翻式”或“下挂式”结构。结构设计的基本原理即改变传统天车索鞍传力方式，天车由传统的分布式传力结构改变为悬臂式传力结构，上挂架及起重、牵引绳集中在中部，走行机构设计在两侧，可避免索鞍与天车相互冲突干扰的问题。

“上翻式”及“下挂式”2 种天车、索鞍设计结构形式，均可实现多塔联跨的功能，但“上翻式”结构更简单，相对成本更低，结构设计更容易实现；“下挂式”结构从理论上讲，可以带载跨越索鞍，结构适用性更强，但结构较为复杂，成本较高。

4 结语

多塔联跨缆索吊机是缆索吊装施工的一种工艺、工法突破，解决了多跨、大跨度、复杂地形条件下拱桥、悬索桥结构吊装施工的难题，为今后桥梁设计及施工拓展了思路。