缆索吊机设计与施工

1、缆索吊机设计与施工主要内容一、缆索吊机简介二、缆索吊机设计基本规定三、缆索系统设计 四、工程实例五、问题与思考1.1 简述缆索吊机又称缆索起重机。是利用悬挂于两支点间的缆索（钢丝绳）作为起重天车的承重轨道，从而形成跨越河流、山谷的一种高空起重设备。常用于桥梁施工，更常用于拱桥施工。在特定的条件下能发挥其他起重机械和技术不可替代的作用。1.1 简述1.1 简述此设备起吊高度大、吊机覆盖范围广、吊运速度快、经济效果好，且因地制宜。既可以用于水平运输、又可以垂直吊装。其承重索高悬空中，最适宜跨越河川、峡谷，不受复杂地形限制。可以节省运输便道和大量的施工脚手架，又避免施工场地交通干扰。可以由施工单位自

2、行组装。拆装方便、操作灵活。中铁大桥局股份有限公司设计分公司1.2 缆索吊机组成塔架缆风系统承重索起重天车牵引、起重索、结索、分索器鞍座锚碇驱动装置以及电气设备1.2.1、缆索吊机塔架：塔架是承受缆索吊机承重索的支承受力结构。塔架一般建立在桥的两端或已建成的桥梁墩台上。按结构形式可分为铰接式和固结式；按材料组成可分为常备式杆件、钢管立柱、型钢立柱、混合塔柱等等。 3.1、索塔、锚锭的设计与施工合理选择索塔材料类型万能杆件贝雷片混合式钢管1.2.2、缆风系统有两种，正式缆风和临时缆风。临时缆风：用于塔架的安拆过程，只承受风力。正式缆风：是缆索吊机的重要组成部分，不仅仅承受风荷载，更多的是抵抗承重

3、索在塔架两侧的不平衡水平力。缆风索一般采用钢丝绳，也有使用钢绞线。又分前缆风、和后缆风。如果将两个主塔的前缆风合二为一，则称之为通风缆，或者叫压塔索。缆风实拍（通风缆）1.2.3、承重索承重索是用来承受天车吊重荷载的承重结构，也是天车的运行轨道，又称之为轨索。承重钢丝绳一般采用大直径普通钢丝绳，在5260范围选用。由于承重索要求破断拉力较大，钢丝绳钢丝公称抗拉强度常选用1770或1870MPa的钢芯钢丝绳。国内也有选用密封式钢丝绳的实例（巫山桥）。关于承重索外圈钢丝直径，由于起重小车滚轮作用下接触应力的要求，也是钢丝绳选用参数之一。承重索的根数，从理论上越少受力越均匀。但实际上，一些大型缆索吊

4、机由于受力的需要，最多有用到12根的实例（菜园坝长江大桥、宁波明州大桥、南广铁路肇庆西江大桥）。承重索钢丝绳弹性模量。1.2.4、起重天车起重天车是缆索吊机完成垂直运输和水平运输的运载设备。包括车架、走行轮、起重滑轮组（上定滑轮和下动滑轮组）等组成。下动滑轮组和吊架连为一体，组成吊钩。1.2.5、牵引索牵引索为天车在轨索上往返运输的拖拉绳索。一端通过滑车组和天车连接，另一端进牵引卷扬机。牵引钢丝绳多选用较柔软的麻芯钢丝绳，钢丝公称抗拉强度15701770MPa。大于此范围的钢丝绳耐久性较差，不宜选用。1.2.6、起重索起重索供垂直起吊重物之用。一端绕过滑车组后固定，另一端进入起重卷扬机。（也有

5、根据吊重或起升速度需要两端均进入卷扬机）。由于起吊重量需要，起重绳的穿绕倍数较多，起重钢丝绳多选用较柔软的麻芯钢丝绳，钢丝公称抗拉强度15701770MPa。另外，还要求起重索在工作过程中不能扭结和自转。1.2.7、结索和支索器支索器是将承重索、起重索以及牵引索彼此分开，又称分索器。减少天车运行时，牵引索和起重索的挠度，不互相干扰。一般3050m设置一个。结索是将支索器串联成组，也是支索器运行的牵引索。1.2.8、鞍座鞍座是承重索在缆索吊机塔架顶部的支承转向机构。承重索通过鞍座将压力传递到塔架上，并绕过鞍座滑轮进入锚固跨。1.2.9、锚碇锚碇是锚固承重索、缆风绳的受力装置。四大类型：重力锚、桩

6、锚、岩锚、隧道锚。岩锚施工图片南广铁路西江大桥岩锚1.2.10、驱动装置牵引卷扬机，是起重天车运行的动力机构；起重卷扬机：天车起吊重物的动力机构。电器设备1.2.11.电气配置272、缆索吊机设计基本参数2.1、缆索吊机基本参数确定（1） 缆索吊机主跨跨度主跨跨度范围内要能覆盖所需要施工范围，并考虑吊装盲区；盲区的出现是因为天车运行接近塔顶时，爬升角急剧增加，所需牵引力急剧增大，且容易对承重索造成强烈磨损。因此，一般规定，盲区范围内不进行吊装作业。28很多情况下，为了利用桥梁墩台结构作为塔架的基础，这样，缆索吊机的跨度就被动确定。比如，拱桥施工中，常利用两岸拱座作为塔架基础，缆吊的主跨也是主桥

7、的主跨。（2） 塔架高度（高程）索塔（塔架）的塔顶高程应根据天车吊重后在承载索的跨度范围内往复运行时所需要的净空来确定的，可由下式计算：H=fmax+h0+h1+h2+h3H索塔（塔架）顶高程（m）；fmax承重索最大垂度（m），一般为跨度的1/121/18；h0桥梁顶部高程（m）；h1承重索至吊钩的距离（m）。 h2吊钩以下的构件高度（m）； h3构件通过拱顶的安全高度（m），至少1.0m。由索塔顶高程和索塔基础顶面高程即可得出索塔高度 五、施工控制与经典实例塔高确定31420mf/L（3） 起重量（额定吊重）起重量是根据吊装构件的最大重量确定；是指吊钩以下的重物，不包含吊具等；承重索计算时

8、，集中荷载是指包括天车自重、上下挂架、吊具（扁担梁）以及额定吊重的总和。起重机设计规范规定，当起重绳长度大于50m时，应包含起重绳重量。（4） 最大垂跨比是天车在最大吊重下位于跨中时，承重索的最大垂度fmax和主跨跨度L的比值，根据有关理论，最好是在1/171/33之间取值比较适宜，计算相对准确。实际施工中，由于垂跨比过小，则承重索索力偏大， 增加承重索数量以及锚碇工程量，我局新出版的企业标准缆索吊机及拱桥扣挂法施工中规定在1/121/18之间取值。最大垂跨比是缆索吊机设计的一个重要参数，它直接决定了承重索数量、塔架高度、承重索空缆安装垂度、牵引索拉力、牵引卷扬机配置、缆风系统配置以及锚碇受力

9、大小等等。因此在最初设计时要先予以确定。（5）起降速度和移动速度和主跨跨度、起重量大小、工期等因素有关。升降速度在35m/min；移动速度在510m/min；缆索吊机工作时，起重和牵引两个工序要分开进行。2.2、缆索吊机设计基本规定（1）缆索系统的安全系数缆索系统设计安全系数主索牵引索起重索缆风索破断拉力3453应力2332（2）塔顶位移的限制塔顶位移限制值：塔底固结 H/400 H/600； 塔底铰接 H/150H/200；H为塔高。塔底铰接和固结的设计使用条件（铰接、固结的定义）（3）锚碇设计规定锚碇的抗滑移安全系数不小于1.3，抗倾覆安全系数不小于1.5。后锚图片1后锚图片2（4）索鞍：

10、 塔顶部设置安放主索的滚动索鞍或滑动索鞍、以及横移索鞍装置,滑轮式索鞍所用滑轮直径宜大于15倍主索直径。（5）冲击荷载： 天车沿轨索运行时，承载索将受到动力冲击作用，增大承重索的拉力。在考虑冲击荷载作用时，常采用类似桥梁设计中所使用的冲击系数法。一般冲击系数取0.20.3。三、缆索系统设计 3.1、缆索吊机主索设计3.2、缆索吊机牵引索设计3.3、缆索吊机起重索设计3.4、缆索吊机缆风系统设计3.1、缆索吊机主索设计3.1缆索吊机主索设计3.1.1、计算理论的选择 悬索的计算分析，有悬链线理论和抛物线理论两种，抛物线理论是精确悬链线理论的近似。 抛物线理论：主索的自重荷载q沿跨度均布分布悬链线

11、理论：主索的自重荷载q沿索长均匀分布3.1.1、计算理论的选择悬链线理论应用到双曲函数，解题复杂；抛物线理论应用的是普通代数，解题方便。但必须指出的是抛物线理论是相对于悬链线理论的一个近似解，因此悬链线理论又程精解法，抛物线理论为近似法。 3.1.1、计算理论的选择大量的计算表明：当fmax/L1/10时，采用悬链线理论。 一般的缆索吊机主索垂跨比fmax/L为1/14左右，采用抛物线理论计算可满足精度要求。 （采用过大垂度的弊端：塔架加高、牵引力增大、绳长增加等等） 3.1.2、单跨主索计算3.1.3、多跨主索计算计算假定：（1）索鞍两侧主索的拉力T相等，不计摩阻；（2）承载索是绝对柔性的，

12、只受拉力，不能承受弯矩和压力；（3）各个状态下，多跨主索的无应力总索长与额定吊重在跨中时的无应力总索长S0相等（虎克定律）。 3.1.4、主索验算内容 （1）主索破断力（2）主索应力 A、弯曲应力 B、接触应力 3.1.5、主索简化计算讨论缆塔偏位对主索计算的影响（以南广西江桥为例） 3.1.5、主索简化计算讨论主索两个吊点的影响（以南广西江桥为例） 3.2、缆索吊机牵引索设计3.2.1、牵引力的组成最大牵引力Tmax包括：牵引索初张力t0、天车沿承重索运行时的坡度阻力W1、天车运行时的摩擦阻力W2、滑轮转动阻力W3，即 57牵引索初张力t0天车沿承重索运行时的坡度阻力W1 爬升角计算天车运行

13、时的摩擦阻力W2滑轮转动阻力W3 由公式中的b可知，牵引力大小和起重索配置相关。其原因是，天车移动时，起吊滑车组也在运转，但起吊重物的高度是不变的。也就是说，起重卷扬机是停止的。（不允许同时运转）。天车运行简图3.2.2、牵引力的验算破断力应力3.2.3、起重索和牵引索在运行中的配合天车运行时，牵引卷扬机开动运行，一般情况下（在天车运行状态），起重卷扬机处于关闭状态，但起重滑车组是运行的。起吊重物时，起重卷扬机开动运行，牵引卷扬机关闭。3.3、缆索吊机起重索设计3.3.1、起重索的拉力起重索拉力T是根据起吊重物和滑车组倍率计算得出，相对比较简单。并以此选择起重卷扬机吨位。3.3.2 起重索的验

14、算破断力应力3.4、缆索吊机缆风系统设计3.4.1、缆塔顶不平衡水平力组成 （1）主索产生的不平衡水平力H1 （2）牵引索产生的水平力H2 （3）起重索产生的水平力H3 （4）风荷载产生的水平力H4 H=H1+H2+H3+H43.4.1、缆塔顶不平衡水平力组成主索产生的不平衡水平力H1示意图： 3.4.2、缆风的等效弹性模量 3.4.3、缆风的刚度前缆风或后缆风的水平刚度缆风系统在不平衡水平力H时的水平位移 3.3.4、缆风系统的设置要求要求塔顶在最小水平力Hmin和最大水平力Hmax时的偏量均满足xh/(100150)缆风破断力 四、缆索吊机工程实例重庆菜园坝长江大桥缆索吊机设计734.1、

15、 设计背景缆索吊机在国内的发展状况国内大型缆索吊机额定吊重、工作跨径一缆表工程地点额定吊重（t）工作跨径（m）主索钢丝绳组成最大垂跨比乌江三桥62247.2吉安白鹭大桥66464.82-4601/14.5宁波铜瓦门大桥553206521/14.0长沙黑石铺大桥702x6532-4601/15.0株洲石峰大桥67619+4362-4601/16,1/18重庆鹅公岩长江大桥1706002-856宣杭线东苕溪大桥2x40239.12-4521/13.0巫山长江大桥1186008561/12.5重庆菜园坝长江大桥2874202-12601/13.04.1.1 设计背景近年来，随着各方面对桥梁建设质量、

16、工期等要求不断提高，我国大跨度钢桁梁桥施工呈现大节段整体工厂制造，现场整节段安装的趋势。这种施工方法将现场的很多工作量转移到工厂制造，加工质量容易保证；桥上高空作业工作量减少，便于合理安排工期，使现场施工工期缩短，安装精度提高。钢梁现场整体节段安装，由于单元重量增加，单元尺寸巨大，因此，要求有大型吊装设备。根据桥式的不同，多采用大吨位架梁吊机或大型缆索吊机。为解决大节段钢桁梁和钢箱拱的现场整体安装，我局研制了吊重吨位超大的大型缆索吊机系统。 大吨位、大跨度缆索吊机面临的主要设计难题：如何解决缆索吊机的重载问题?在塔架、主索、跑车、缆风、起重和牵引的设计中怎样考虑？怎样设计塔架?让其适应吊机移动

17、中不产生较大的塔底弯矩，同时又能控制塔顶位移，以满足吊装对位精度问题？锚碇设置？如何解决或避免缆索的随机振动和疲劳损伤问题？4.1.2 主要设计内容双塔架缆风串联平衡稳定技术 缆塔铰接于扣塔的综合控制技术 锚碇及锚碇与主索连接形式技术 起重索和牵引索设计技术804.2 缆索吊机总体技术4.2.1 工程背景重庆菜园坝长江大桥位于重庆主城区，全长3.8km，其中正桥长1.179km，引道2.621km，工程总投资约15亿人民币。重庆菜园坝长江大桥主桥为特大公轨两用无推力钢箱系杆拱桥，采用刚构与提篮式钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构。桥跨布置为88m+102m+420m+102m+88m，主桥全长800

18、m。 重庆菜园坝长江大桥重庆菜园坝长江大桥在国内首先采用了整体节段拼装的设计理念，即把一个标准节段长为16m的钢桁梁整体节段作为工地拼装的基本单元。要求把标准节段内杆件、节点、正交异性桥面板在工厂内拼装成整节段段，然后运至工地吊装拼接。钢桁梁整体节段整体节段设计理念，使得许多工地的杆件拼装能在工厂内实现，进而保证结构的质量、减少大量杆件拼接的施工工序，加快工地架梁的速度，增强在施工现场抵抗不利气候的能力。全桥总长800m的主桁梁共分为51个节段单元。标准节段重量254t，最大重量280t(拆分后)。钢桁拱分21个节段单元，最大节段重量91.6t。主桥上部主要安装步骤 主墩Y构施工完毕后: 在“

19、Y”形刚构0#块和中横梁根部顶面安装缆索吊机立柱。 安装缆索吊机塔架、横梁、牵引绳、承载绳、起重设备等。 工厂加工边侧跨钢桁梁节段，缆吊将其整体节段吊装至边侧跨纵移滑道。 工厂加工预制钢箱拱，单榀运输。分节段用船舶运至缆索吊机吊点下方。 缆索吊机吊装主拱肋，分节段吊装连接施加临时扣索，调整扣索索力，控制主拱内力及线型。 吊装主拱合拢段（单榀吊装合拢），调整边跨系杆及扣索索力，完成主拱肋合拢施工。 主拱合拢后，用缆索吊机吊装中跨钢桁梁节段。 调整线形，合拢钢桁梁。4.2.2 缆索吊机总体布置缆索吊机主要参数缆索吊机最大载重能力420t，最大额定起重量287吨，盲区30米，吊机最大吊重时垂跨比1/

20、13。缆索吊机跨度组成: 310m(北)+420m(中)+238m(南)塔架总高152m，其中扣塔高124m，缆塔高28m，缆塔铰接在扣塔顶，扣塔塔底固结在主桥Y构根部。扣塔宽53m，净宽41m，两主索间距34m。缆索吊机参数研究缆索吊机的额定吊重+天车吊具等重量后，最大载重能力420t。根据桥址处地形地势条件、桥梁结构形式，确定缆索吊机塔架支撑于Y构根部，因此吊机吊重跨度设计为420m。缆索吊机参数研究 为减少塔底弯矩，确定缆塔与扣塔合建，缆塔铰接于扣塔顶。 根据拱肋顶标高，确定塔架总高152m，其中扣塔高124m，缆塔高28m。(为起吊合龙段拱肋节段留足净空) 为使缆吊能够将大部分钢桁拱和

21、钢箱拱直接运输吊装到位，根据提篮拱肋平面位置进行扣索的空间布置，确定两组主缆间距为34m，即桥中线两侧各17m。缆索吊机系统组成扣索塔架、缆索塔架系统主索、起重牵引和机电系统锚固系统缆风系统扣塔、缆塔缆索吊机塔架均采用常备式万能杆件设计。主索分2组，每组由1260mm钢芯钢丝绳组成，两组主索中心距34m。起重采用4台90t跑车起吊，每台跑车配置2台15t起重卷扬机，起重索走8绕穿滑车组，两端绕过塔顶后均进入起重卷扬机。主索、起重牵引和机电系统牵引采用两岸对拉的牵引方式，每台跑车配置2台22t带摩擦滚筒的牵引卷扬机，牵引索走6布置，动滑轮置于天车上，定滑轮固定于缆塔塔顶，牵引索活头分别进两岸22

22、t牵引卷扬机。牵引、起重卷扬机两岸各4台，均置于主桥Y构根部，出绳方向均为垂直向上。 锚固系统缆索吊机北侧后锚固布置在P12P13之间的长江漫滩上，南锚位于南岸山坡上。北锚在洪水期淹没在水中，为避免缆索于水中的随机振动和疲劳损伤问题，用钢管排架结构将缆索锚固点引到水面以上。 缆风系统不同于以往每个塔架设置前缆风和后缆风，本缆索吊机将两个缆索塔架前缆风合并为通风缆。这将有利于提高刚度，同时也减少缆风绳材料和张拉工作量。1044.3 缆索吊机关键技术 420t缆索吊机关键技术4.3.1 多根主索并列承载技术4.3.2 双塔架缆风串联平衡稳定技术4.3.3 缆塔铰接于扣塔的综合控制技术4.3.4 锚

23、碇及锚碇与主索连接形式技术4.3.5 主索非线性控制技术4.3.6 起重索和牵引索设计技术4.3.1 多根主索并列承载技术主索分2组，每组由1260mm钢芯钢丝绳组成，两组主索中心距34m。 420t缆索吊机采用双线吊重，每线有两台起重小车，共4台。每台起重小车有48个走行滑轮，分成两组支承在1260的钢丝绳（承重索）上。每线上两台起重小车之间的间距为8m，用两根44的钢丝绳（拉索）串联在一起。天车结构图上挂架设三道分配梁，利用简支梁传力均匀特性来满足12根主索均匀受力的要求。 沿桥跨每隔30m布置一个分索器，分索器间用结索相联，并与起重小车联为一体，其沿顺桥向随起重小车一起移动。索鞍布置于两

24、侧塔架上，在索鞍上主要布置有承重索转向轮、起升机构转向滑轮及牵引走行机构滑轮组。起吊扁担梁由于缆索吊主要分三个工作阶段，即：边侧跨钢桁梁架设阶段、钢箱拱架设阶段以及中跨钢桁梁架设阶段。每个工作阶段其吊点是变化的，因此既考虑吊点具有通用性，又尽量减小其自身重量。横向扁担在吊装钢桁梁时为受压杆件；吊拱时单榀吊装，扁担梁受弯。1号扁担(重量69t)，用于起吊钢箱拱节段2号扁担(重量18.8t)，用于起吊钢桁梁节段 缆索吊机吊重组成简表序号项 目单项重量(t)1号扁担吊具（t）组成2号扁担吊具（t）组成11号旧扁担69.122号扁担18.83吊带及锚梁6.54调节分配梁A，B145纵向分配梁9.76天

25、车及挂架667起重绳重量188吊具总重176.81339起吊能力(t )243.22871134.3.2 双塔架缆风平衡稳定技术塔架及风缆系统设计 从节约材料、减小吊机吊装时对扣塔的影响以及减少塔底弯矩的角度考虑，塔架系统采用缆塔、扣塔合建，缆塔铰接于扣塔之上。扣塔塔高124m，缆塔塔高28m，塔架总高度达152m，受塔顶不平衡水平力影响大。由于缆索吊机集中荷载重、跨度大，吊装过程中产生的塔顶不平衡水平力可达到212t（单线），塔顶位移较大。风缆系统的设计十分关键。为有效控制塔顶不平衡水平力，并减小塔顶位移，改变以往每个塔架设置前、后风缆的方法，将两个塔架的前风缆合并为通风缆，这将有利于提高刚

26、度，减少缆风绳材料和张拉工作量。缆塔风缆布置图 简化计算拉索在张紧状态下，其所受荷载、变形及内力是一种非线性关系，但工程一般利用等效弹性模量代替弹性模量，将上述非线性关系简化成线性计算，这样索的计算方式就与直线拉杆的计算方式一致。所谓等效弹性模量，是与索的初应力和工作应力、索截面换算荷载等相关换算模量有关。塔顶位移及缆风张力的非线性分析 缆风模拟将1052mm作为整体考虑，缆风初张力按初应力荷载施加于单元上。塔单元只按其实际刚度模拟。 简化计算与非线性分析结果比较 塔顶水平位移控制 对于塔顶水平位移偏大的缆索吊机，可采取三种方式进行控制：（1）增加后风缆数量（二次张拉）；（2）初安装时塔顶预偏

27、，使其在工作状态下满足规范要求；（3）可以采取鞍座预偏方案（类似悬索桥的滑移鞍座）。第1种方式，将加大塔架的外荷载，对塔本身不利，同时也不经济。第3种方式，结构处理复杂综合考虑各种因素后，本桥主要采用第2种方式，对缆塔进行预偏，使其在工作状态下塔顶位移满足要求。1214.3.3 缆塔铰接于扣塔的综合控制技术 塔架系统采用缆塔、扣塔合建，扣索塔架底部固结于Y构根部，缆索吊机塔架铰接于扣索塔架顶，扣塔塔高124m，缆塔塔高28m，塔架总高度达152m 。扣塔底部固结还是铰接？缆扣合一，缆塔和扣塔之间是否设铰？吊装时如何减小塔顶位移？ 铰座临时固结塔架拼装时临时固结，待塔架拼装完毕后再转为铰接，塔架

28、垂直拼装至设计有横梁的高度及时将横梁予以联结。1254.3.4 锚碇及锚碇与主索连接形式技术锚碇基础采用桩基础，北锚主索和后缆风在锚碇上引起上拔力为9540kN，水平推力为10300kN。南锚主索和后缆风在锚碇上引起上拔力6260kN，水平推力9880kN。北锚基础为9根1.5m桩基，南锚基础为5根2.0m桩基。北 锚采用组合钢管将锚碇引出水面技术 洪水期复杂水流对并排多根主索的动力效应，目前工程界尚难以进行准确分析。当边锚由于特殊原因必须设置于水中时，通过组合钢管将锚碇引出水面，避免缆索锚固于水中，解决了缆索于水中的随机振动和疲劳损伤问题。北锚和主索连接采用新型连接形式: 首先，利用热铸锚，

29、通过锚箱和锚梁拉板铰接；然后，锚梁和锚碇的锚固采用15束9孔预应力钢绞线，根部用P锚。这种连接形式克服了过去锚碇局部受力不均、应力集中的现象。北锚和主索连接形式南 锚主索和后风缆通过锚箱和锚杆连接锚碇上。主索索力调整均置于南锚、北锚均可进行，其中初张力采用一台卷扬机和5门滑车组拖拉主索来完成，精确调整通过两台60t千斤顶张拉主索端头精轧螺纹钢筋来实现。1314.3.5主索非线性控制技术计算理论 在过去缆索吊机缆索系统均以抛物线理论进行计算，假定承重索的均布荷载q是沿跨距水平长度分布的，由此推导出简化计算公式。实际承重索的自重荷载q是沿索长均布的，按此假定计算的理论为悬链线理论。测试结果及分析 1344.4. 420t缆索吊机安装 锚碇施工利用枯水季节在北岸滩地上施工北锚碇以及北岸主索锚固钢管排架支墩基础，将钢管排架和锚固大梁在工厂加工完毕后运至工地逐根安装，同时在南岸高坡地施工南锚碇，安装两岸主索及缆风绳锚箱。 北岸锚固钢管排架支墩基础塔架安装 塔架预埋件的安装 塔柱安装及其缆风绳挂设横梁安