武汉市江汉三桥60t缆索吊机设计与施工总结.docx

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武汉市江汉三桥60t缆索吊机设计与施工总结

武汉市江汉三桥60t缆索吊机设计与施工技术总结

一、概述

二、缆索系统计算

1、承重索计算

2、起重索计算

3、牵引索计算

4、压塔索、缆风索计算

5、塔架、扣索、锚索计算

6、锚碇计算

三、缆索吊机试吊

四、缆索吊机的安装施工

一、概述

1、缆索吊机的主要设备和机具有：

承重索、起重索、牵引索、压塔索、缆风索、扣索、塔架（包括索鞍）地锚、滑轮、电动卷扬机及跑车等。

详见江汉三桥缆索吊机总布置图（图号LD一001）。

1、承重索

横跨桥渡支承于两塔架的索鞍上，吊运拱肋和其它构件的跑车支承于承重索上。

承重索根据吊运构件的重量、垂度、计算跨径（两塔索鞍中心距离）等因素进行截面计算。

承重索承重后的最大垂度控制在fmax=L/14~L18

承重索安全系数为：

K=3.0~4.0，对新索可取K=3.0

江汉三桥缆索吊机的一组承重索选为：

6φ52钢芯钢丝绳（6x37+7x7），共设两组，上、下游各设一组，中心间距19.0m。

载重控制垂度取为：

fmax=L/14=290.126m/14=20.723m

计算跨径为：

95.0m（汉阳）+290.126m+134.0m（汉口）

2、起重索

用于控制吊运构件的升降（即垂直运输），其一端缠绕于卷扬机滚筒上，另一端跨过塔架固定于起重卷扬机对岸的锚碇上，这样，当跑车在承重索上来往运行时，可保持跑车与吊钩间的起重索长度一致，不要同时开动起重卷扬机。

江汉三桥缆索吊机的起重索选为：

φ26麻芯钢丝绳（6x37+1，交互捻）

采取定5动4走8的方式穿绕，跑头过塔架顶索鞍进汉阳岸的起重卷扬机，固定端过塔架顶索鞍进汉口岸锚碇与预埋件连接。

3、牵引索

用于牵引跑车沿桥跨方向在承重索上移动（即水平运输）。

江汉三桥缆索吊机牵引索选为：

φ28麻芯钢丝绳（6x37+1，交互捻），走2，采用对拉方式牵引。

4、缆风索

有两种：

一种是保证塔架纵横向的稳定，另一种是保证拱肋安装就位后的横向稳定及桥中线准确。

塔架用的缆风一般为后缆风及侧向缆风。

江汉三桥缆索吊机的塔架为空间桁架结构，自身是很稳定的，因此不设侧向缆风，只设后缆风及跨中缆风（即压塔索），其作用是平衡承重索吊得产生的水平力，控制塔顶位移。

拱肋安装就位后设置侧向缆风。

后缆风及压塔索选为：

φ47.5麻芯钢丝绳（6x37+1）

后缆风每岸设置8根，压塔索设置4根。

拱肋侧向缆风选为：

φ21.5麻芯钢丝绳（6x37+1）

5．扣索、锚索

当拱肋分段起吊安装时，需要用扣索稳定端肋及调整端肋俯仰角（即拱肋的纵向标高），锚索用于平衡扣索对塔架产生的水平力。

江汉三桥拱肋安装时的扣索、锚索均选用高强、低松驰钢绞线，其极限应力为1860Mpa，扣索靠拱肋端设置P型固端锚，塔架顶设置群锚，用于张拉收紧及调整；锚索靠锚碇端设置P型固端锚，塔架面设置群锚，用于张拉收紧及调整。

塔架

塔架是用来提高承重索的临空高度及支承各种受力钢索的结构物。

塔架的高度应根据吊运的构件通过障碍物的高程而定，可由下式计算：

H=fmxa+h1+h2+h3

H——塔架顶至吊运构件通过的障碍物的距离

fmxa——承重索最大垂度，一般为（L/14+~L/18）

h1——承重索至吊钩的距离，根据滑轮组和吊钩的型号以及滑轮组所需的最小工作线的高度而定，一般可采用3.0~5.0m，若拱肋需要横移时，应考虑横移的夹角不宜大于15°。

h2——吊钩以下的构件高度

h3——构件通过障碍物的安全高度，一般采用1.0m

江汉三桥塔架采用N型万能杆件及局部新制杆件组拼而成，塔架顺桥向分为前、后塔架，通过三道横梁联结，前、后塔架横桥向为门式结构，整个塔架形成为空间桁架结构，两岸前塔架均支承在拱座上，两岸后塔架均支承在临时墩上，汉阳岸前塔架高90.0m（距拱座顶），后塔架高72.0m，汉口岸前塔架高88.0m（距拱座顶），后塔架高72.0m，两岸前塔架比后塔架高30.0m，前、后塔架根部与基础焊接固接。

承重索跨中载重状态下距拱顶高差为7.93m。

7、索鞍

通过使用的有滚动索鞍及滑动索鞍，设置在塔架顶上，为放置承重索，起重索、牵引索等用，可以减少钢丝绳与塔架的摩阻力，使塔架承受较小的水平力，并减少钢丝绳的磨损。

江汉三桥缆索吊机选用双排滑轮滚动索鞍，索鞍与塔顶过载梁螺栓连接，在非吊重状态下可松去螺栓，使索鞍沿过载梁横移，便于两组承重索上的跑车组合抬吊拱肋横撑及横梁。

索鞍由大桥局三处机修厂制造。

8、锚碇

亦称地垄或地锚，是锚固承重索、锚索、起重索、牵引索、缆风索等之用，锚碇在吊装过程中，对安全有决定性的影响，设计和施工都应高度重视，锚碇的尺寸大小和型式均必须通过设计和计算，其中主要的锚碇水平方向稳定安全系数不小于3.0。

江汉三桥缆索吊机的锚碇为承台桩基锚，汉阳岸、汉口岸各设两个分离式锚碇，每人锚碇布置7根φ1.5m钻孔桩，桩长22.0m，前排根受压桩，后排4根受拉桩；承台尺寸为：

14.2m（横桥向）x7m（顺桥向）x3.5m（深度），承台顶面不得高于地面，保证承台侧面貌足够的土抗力及不影响地貌，所有预埋件均须保证预埋深度及预埋夹角。

9、滑轮

又称葫芦，有定滑轮、动滑轮、滑车、滑轮片、吊钩滑车及转向开口滑车等，可根据需要的尺寸以及载重量选用。

江汉三桥缆索吊机索鞍及跑车所用滑轮汇总如下：

项目

规格

数量

重量（kg）

总重（kg）

索鞍滑轮

φ620/554*116

48

105.0

5040.0

走行滑轮

φ480/405*106

96

47.5

4560.0

起重滑轮

φ520/480*106

20

69.0

1380.0

牵引滑轮

φ550/500*100

52

58.0

3016.0

合计

13996.0

附注：

表格中规格栏斜线左侧为滑轮外径，斜线右侧为绳芯至绳芯直径与厚度

10、跑车

跑车是在承重索上运行和起吊重物的装置，可用定型滑车制作，也可根据吊重的情况自行加工。

跑车由跑车轮、起重滑车组和砣引系统三部分组成，跑车横向轮数决定于承重索根数，纵向排数通常为1~4排，排数愈多，轮压愈小，磨损也愈小；跑车轮的直径愈大，承重索和跑车轮间的磨损也愈小，但自重加大。

目前常用的跑车轮多为铸钢件，起重滑轮组分为上下两组。

上滑轮组又称为定滑轮组与跑车联系在一起，下滑轮组又称动滑车组与吊点联在一起。

牵引系统是在跑车轮与定滑轮的联结框架上或者在连接轴上设置一转向滑轮固定牵引索以牵动跑车。

当一组承重索上有两个跑车时，其间可用一根短钢丝绳相连。

江汉三桥缆索吊机设置两组承得索，每组承重索上设置两台跑车，之间用φ47.5短钢丝绳连接。

每台跑车4轴6线24个走行轮；上滑轮组为5个定滑轮，下滑轮组为4个动滑轮。

每台跑车额定吊重30.0t，两台跑车抬吊60.0t。

跑车由大桥局三处机修厂制造。

11、电动卷扬机

用于牵引构件的起吊和运行，一般多用于起重索和牵引索

江汉三桥缆索中机选用4台15t牵引卷扬机，汉阳岸、汉口岸各设置2台，对拉牵引，牵引速度为7.0~9.0m/分；4台起重卷扬机，均布置在汉阳岸，起升速度为2.0~2.5m/分。

12、其它机具

有调整缆风索的倒链葫芦、钢丝卡子、千斤绳、梨形环、撬棍、横移索等。

13、主要技术参数汇总

主要技术参数

计算跨度：

95m（汉阳）+290.12m+134m（汉口）

载重控制垂度：

fmxa=L/14=20.723m最大索力：

265.79t/6根

φ52承重索安装垂度：

f0=10.931m安装索力：

59.485t/6根

空车至跨中垂度：

f0空=15.45m空车索力：

108.37t/6根

塔顶最大控制位移：

10cm

额定起重量：

60t/双跑车30t/单跑车

起升速度：

2~2.5m/min

牵引速度：

7.0~9.0m/min

起升机构卷扬机：

卷扬机型号JM8电动功率：

28KW

容绳量：

1000M钢丝绳规格：

φ26

牵引机构卷扬机：

卷扬机型号JK15电机功率：

125KW

容绳量：

500M钢丝绳规格：

φ28

单台跑车重量：

~5.5吨

最大轮压：

1.8吨

二、缆索系统计算

缆索系统包括承索、起重索、牵引索、缆风索、塔架、锚碇等，计算的目的在于确定各种钢丝绳的直径、根数以及核算各部分的强度、刚度、稳定性

1、承重索计算

江汉三桥缆索吊机计算跨度为：

95.0m（汉阳）+290.126m+134.0m（汉口）

1.1.1.基本假定

a）承重索两端固定于锚碇，中间支承于两塔架上，按三跨连续钢索计算。

b）对承重索进行安全强度校核时，考虑动力冲击影响（计1.2倍冲击系数）；在吊装第一节段时进行的索力计算不计动力冲击的影响；对塔架、锚碇进行的受力计算时不计动力冲击的影响。

c）承重索在自重作用下，实际轴线方程为悬链线Y=k.ch（x/k），荷载强度等于钢丝绳的单位长度重量g，考虑承重索在实际使用情况下，一般最大垂度fmax与跨径之比为L/14-L/18，属于小垂度范围，承重索的曲线弧长与弦长L/cosβ（β为两支承点间连线与水平线之夹角）相差不大，故可假定承重索的自重沿承重索的弦长均匀分布，其荷载强度等于g，轴线议程为抛物线Y=x2/（2k）。

d）由于钢丝绳有较好的柔性，除在行车车轮及平滚支座（索鞍）等处须验算承重索的弯曲应力外，通常假定承重索只承受张力（轴向拉力）。

1.1.2.各种缆索的选定

缆索主要规格

项目

主索

起重索

牵引索

型号

6×37+7×7

6×37+1

6×37+1

根数一直径（mm）

2×6φ52

2×2φ26

2×2φ28

单位重量（kg/m）

10.30

2.359

2.768

钢丝直径（mm）

2.4

1.2

1.3

钢丝断面积（cm2）

12.08

2.5095

2.9452

公称抗拉强度（MPa）

1670

1670

1670

钢丝绳换算弹性模量（MPa）

1.3×105

7.56×104

7.56×104

钢丝破断拉力总和（t）

196.31

42.65

50.05

折减系数（φ）

0.94

0.82

0.82

破断拉力（t）

184.53

34.97

41.04

该种类安全系数

3.0~4.0

5.0~6.0

3.0~4.0

注：

GB1102一74

各段拱肋及K撑重量汇总表

节段号

理论节段重（t）

实际节段重（t）

备注

1#（11#）

55.98

56.82

计1.5%焊缝重

2#（10#）

52.53

53.32

以下同上

3#（9#）

49.89

50.64

4#（8#）

48.24

48.96

5#（7#）

47.54

48.25

6#（合拢段）

57.04

57.90

1#K撑

23.92

24.29

2#K撑

23.29

23.64

3#K撑

22.88

23.22

4#K撑

22.72

23.06

5#K撑

22.58

22.92

临时横撑

8.72

8.85

拱顶H撑

29.73

30.18

1.4承重索强度校核

以一组主索（6φ52）两个跑车至跨中吊合拢段拱肋进行计算。

1.4.1荷载确定：

（6φ52）钢芯钢丝绳：

q1=6×10.30kg/m=61.8kg/m=0.0618t/m

两个跑车加下挂：

6.0t×2=12.0t

起吊拱肋重：

57.9t

φ26起重索走8：

8×2.359kg/m×90m（按拱肋刚离开船面）×2=3.39696t

φ28牵引索：

2×2.768kg/m×290.126m/2=0.8031t（走2）

则有均布荷载：

q=q1=61.8kg/m=0.0618t/m

集中荷载：

Q=12.0t+57.9t+3.39696t+0.6844t+0.8031t=74.78446t

≈74.79t

注：

1、未设支索器，牵引索、起重索的重量均作为集中荷载加在跑车上。

2、未计滑车组下挂配重的重量。

1.4.2基本数据的确定

L=290.126m

L1=95m-0.12m=94.88m

L2=134m-0.12m=133.88m

汉口岸：

锚碇承台顶面标高V24.5

汉口岸：

锚碇承台顶面标高标高V25.5

α1=48.1890

β=arctg（VH1.VH2）/L

=arctg（128.344-127.915）/290.126

=0.08470≈00

α2=37.84960

承重索的控制载重垂度fmxa=L/14=290.126/14=20.723m

L1/cosα1=94.88/cos48.189=142.318m

I=L/cosβ=290.126/cos0=290.126m

I2=L2/cosα2=133.88/cos37.84960=169.549m

∑1=I1+I+I2=142.318+290.126+169.549=601.993m

承重索的跨长比为

η=L/∑1=290.126/601.993=0.482＜0.7

即必须考虑边跨锚固段对承重索的张力和垂度的影响

注：

跨中吊重状态下，悬索底标高为

（128.564+128.135）/2-20.723=V-107.626

钢管拱拱肋顶标高为V99.691

两者高差为：

VH=V107.626-V99.691=7.935m

1.4.3承重索在均布荷载和集中荷载的共同作用下：

（X=L/2）

1）水平张力；

IIfmxa=qL2/8fmxa+QL/4fmxa

-0.0618290.1262（8×20.723）+74.79×290.126（4×20.723）

=31.378+261.769=293.15t

2）垂直张力：

V=VA=VB=（qL+Q）/2

=（0.0618×290.126+74.79）/2

=46.36t

3）承重索的最大张力：

Tmxa=（H2+V2）1/2

=（293.152+46.362）1/2

=296.79t

4）索长：

S=L+q2L3/24H2mxa+L（qL+Q）Q/8H2

=290.126+0.06182×290.1263（24×293.152）

+290.126×（0.0618×290.126+74.29）×74.29/（8×293.152）

=290.126+0.04522+2.926394

=293.098m

5）切线倾角：

tgφA=（qL+Q）/2Hmxa

=（0.0618×290.126+74.79）（2×293.15）

=0.158143931

φA=-φB=8.98660=8059′12″

6）安全系数的确定：

6φ52钢芯钢丝绳破断拉力为：

Tp=6×196.31t×0.94=1177.86×0.94=1107.19t

其提供的静力安全系数：

K静-Tp/Tmxa-1107.19/296.79-3.73＞3.0

其拉供的动力安全系数：

K动=Tp/Tmxa=1107.19（1.2×296.79）=3.11＞3.0

7）验算抗拉应力：

σmxa=Tmxa/An=296.79×103/6×12.08）=4094.78kg/cm2=417.83MPa

ε[σ]/σmxa=1670/417.83=3.997＞2.0

ε——抗拉安全系数

An——钢丝绳的截面积

8）验算弯曲应力：

σmxa=Tmxa/An+Q×[EK/（Tmxa×An）]1/2/n

=296.79×103/72.48+74.79×103×[1.3×106/（296.79×103×72.48）]1/2/48

=4094.78+383.04=477.82kg/cm2=456.92MPa

ε=[σ]/σmxa=1670/456.92=3.665＞2.0

9）验算接触应力：

σmxa=Tmxa/An+EK×d/Dmxa=296.79×103/72.48+1.3×106×2.4/554

=4094.78+5631.77=9726.55kg/cm2=992.51MPa

ε=[σ]/σmxa=1670/992.51=1.68

d——组成钢丝绳的钢丝直径

Dmxa——塔顶索鞍滑轮的直径

1.5承重索安装张力与安装垂度的计算

1.5.1基本数据的确定

初步考虑承重索在99年四月份安装，安装温度：

tx=150C

拱肋在99年6月份吊装，吊装温度：

t=250C

则△t=250C-150C=100C

令η=L/∑1=0.482

在第一种状态下（即标准状态下）（β=0，等高）

各跨的均布荷载为：

g1==q1cosα1=0.0618/cos48.18900=0.0927t/m

g=qcosβ=0.0618/cos00=0.0618t/m

g2=q1/cosα2=0.0618/cos37.84960=0.0783t/m

各跨承重索的总重量为：

G1=g1L1=0.0927×94.88=8.795t

G=gL=0.0618×290.126=17.93t

G2=g2L2=0.0783×133.88=10.483t

在第二种状态下（即任意行车荷载状态下）

无小车状态下：

gx1=g1=0.0927t/m

g0=0.0618t/m

gx2=g2=0.0783t/m

Gx1=G1=8.795t

G0=g0L=0.0618×290.126=17.93t

Gx2=G2=10.483t

有小车、起重索及牵引索状态下：

gx1=g1=0.0927t/m

g0=0.0618t/m

gx2=g2=0.0783t/m

Gx1=G1=8.795t

G0=g0L=0.0618×290.126=17.93t

Gx2=G2=10.483t

φ52钢芯钢丝绳弹性模量取为：

EK=1.3×106kg/cm2—1.3×107t/m2

承重索总温度伸长值为：

△S2=ε△t∑1=1.2×10-5×100C×601.993

=0.0722m

注：

ε=1.2×10-5钢丝绳线膨胀系数

1.5.2空索安装时的计算：

按边跨锚固影响下的张力普遍方程进行计算，其各项系数如下：

6×12.08cm2=72.48cm2

K1=ηEKFKcos2β/24

=0.482×1.3×106×72.48×cos200/24

=1892.332t

3Q（Q+G）+G2

=3×74.79×（74.79+17.93）+17.932f

=21125.0713t2

K3=12QX（QX+GX）=0（QX=0）

K4=K5=G12L1cos2β/Lcos2α1+G22L2cos2β/Lcos2α2

=8.7952×94.88/（290.126×cos248.18900）+10.4832×133.88/（290.126×cos237.84960）

=26.9155+81.3316

=138.2471

A=K1（K2+K4）/H2max一Hmax±24K1△S2/L（取+号）

=1892.332×（21125.0713+138.2471）/293.152-293.15+24×1892.332×0.0722/290.126

=468.2185-283.15+11.3021

=186.3706Hmax±

B=K1×（K5+G02）

=1892.332×（138.2471+17.932）

=869965.575

C=K1K3/L2=0

普遍方程式为：

Hx3+AHx2Hx3+AHx2一B一C（L一X））X=0（H0→Hx）

将以上参数代入可得：

H03+186.3706H02一869965.575=0

H0=59.485t

空索安装时的垂度f0为：

f0=G0L/8H0一17.93×290.126/（8×59.485）=10.931m

垂直分力：

V0=VA=VB=qL/2=G0/2=17.93/2=8.965t

最大张力：

Tmax=（H02+V02）1/2

=（59.4852+8.9652）1/2

=60.16t

索长：

S=L×[1+8（f0/L）2/3]

=290.126×[1+8（10.931/290.126）2/3

=291.242m

切线倾角：

tgφA=qL/（2H0）

=0.0618×290.126/（2×59.485）

=0.150708471

φA一φB一8.57050

=8034′14″

安装时每根索的拉力：

F=Tmax/6根=60.16/6=10.03t

注：

未计塔顶索鞍转向滑轮的摩阻力

1.5.3带小车、牵引索、起重索安装时的计算：

参见第一节可得：

K1=1892.332t

K2=21125.0715t2

K3=12×QX×（QX+GX）

QX=12.0t+8×2.359×20m/1000t+0.6844t+0.8031t=13.87t

（注：

20m为上、下挂架之间的距离）

K3=12×13.87×）13.87+17.93）

=5292.792

K4=K5=138.2471

△S2=0.0722m

A=K1（K2+K4）/H2max一Hmax一±24K1△S2/L

=1892.332×（21125.0713+138.2471）293.152一293.15+

24×1892.332×0.0722/290.126

=468.2185一293.15+11.3021

=186.3706

B=K1×（K5+G02）

=1892.332×（138.2471+17.932）

=869965.575

G=K1K3/L2=1892.332×5292.792/290.1262

=118.9896

D=B+C（L-X）X（取小车作用在跨中）

=B+CL2/4

=869965.575+118.9896×290.1262/4

=3373896.327

根据张力方程：

HX3+AHX2=D可得

H03+186.3706H02=3373896.327

H0=107.2t

带小车安装时的垂度f0为：

f0=G0L/8H0+QXL/4H0

=17.93×290.126/（8×107.2）/13.87×290.126/（4×107.2）

=6.066+9.384=15.45m

张力的垂直分力：

V0=VA=HB=（qL+QX）/2

=（0.0618×290.126+13.87）/2=15.90t

最大张力：

Tmax=（H02+V02）1/2

=（107.22+15.902）1/2

=108.373t

索长：

S=L+q2L3/24H02+L×（qL+QX）×QX/8H02

=290.126+0.06182×290.126+13.87/（8×107.22）

=290.126+0.338+1.392

=291.856m

切线倾角：

tgφA=（qL+QX）/2H0

=（0.0168×290.126+13.87）/（2×107.2）

=0.148320895

φA=φB=8.43660

=8026′12″