缆索吊的设计安装及使用secret.docx
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缆索吊的设计安装及使用secret
缆索吊的设计安装及使用
摘要
在受施工现场场地、施工环境，以及其他外部条件限制，无法使用吊车进行吊装，而又必须进行吊装作业的情况下，可以使用缆索吊进行吊装。
缆索吊一般适用于垂直高度较大的垂直吊装和架空纵向运输。
起吊重量可以从几吨到几十吨。
其使用的塔架可以自行设计，就地制作安装。
本文结合云南三界XX大桥的施工特点，介绍一下缆索吊的设计、安装及使用过程中的一些注意事项。
关键词：
1；工程概况：
云南三界XX大桥，全长357米，主桥288米，全桥位于直线段内。
上部采用挂篮悬臂施工，最大悬臂88米，墩身最大高度34米，悬浇箱梁最高9.5米。
横跨XX，其中0号台在XX东岸的高坡上，1号墩在东岸（金厂岭岸）的XX江边，其余墩台在XX西岸（六库岸），地势落差大，东岸无便道可通，最高的2号墩墩身为34米。
XX江中明、暗礁密布，江水湍急，平时江水流速为5～6m/s，下雨或洪水期流速达到8～9m/s，属不通航河道，平时只有小船摆渡过往人员及不足500kg的小型设备，在涨水或风大时，由于流速快，浪大，而无法摆渡。
在这种情况下，我们选用缆索吊进行吊装作业。
2；缆索吊的设计及验算过程：
2.1：
几个参数的确定：
①：
缆索吊装系统是由主索、主索跑车、起重索、起重滑车组、牵引索、起重及牵引卷扬机、锚碇、塔架、风缆组成。
②：
根据地势及桥型的实际情况，确定塔架的间距为407米，即L=407m；进行单点起吊。
③：
根据桥上的挂篮及混凝土浇筑时最大块件的最大重量为7.5t所以设计最大起重吨位为8吨，即G=8t；
④：
两岸设计塔架的顶面高程相等，西岸塔架高度为37m，东岸塔架高度为29m。
主索的垂度最大的位置在主索的中间，设计最大工作垂度
ƒmax=L/18=407/18=
（取23m），当最大垂度ƒmax=23m时，主索到桥面的距离为9.2m，减去滑轮和起吊重物的高度为3m，再减去挂篮的高度4.2m。
吊装的最大安全距离为3m，满足要求。
⑤：
钢丝绳的弹性模量取756000kg/cm2。
⑥：
具体角度、布索示意、墩台位置见后附图一；
⑦：
各种钢丝绳的规格如下：
表一
指标种类
主索
起重绳
牵引绳
工作索
钢绳型号（6×37）
φ=42（ZS）
φ=17.5
φ=19.5
28
截面积A（mm2）
649.7
111.53
141.16
294.52
单位重q（kg/m）
5.940
1.048
1.327
2.768
钢丝直径d（mm）
2.0
0.8
0.9
1.3
钢丝抗拉强度（Mpa）
1670
1670
1670
1670
破断拉力（t）
1085
18.70
23.95
482.1
2.2：
主索的验算：
本缆索主索由两组组成，每组两根。
①：
主索的最大拉力和安全系数的验算：
主索在单位长度的自重q和集中荷载Q共同作用下：
（两支座等高,β=0）
G1吊具配重=g料斗+g滑车组+g跑车=0.5+0.25+0.25=1（t）
Q=G最大净吊装重+G1吊具配重=8+1=9（t）
q=q主索+q起重索+q牵引索（q主索、q起重索、q牵引索见表1）
=（5.308+（1.048+1.327）/2）/1000
=0.0064955（t）
主索最大水平拉力H=
=25.76（t）（单根主绳Q=4.5）
主索最大竖向拉力V=
=3.57（t）（单根主绳Q=4.5）
主索最大拉力T=
=26（t）（单根主绳）
主索安全系数K=
=
=3.47（K≥3~4）不考虑冲击系数K=3.47*1.2=4.16
1.2—吊重冲击影响的动载系数;
L—吊装跨度407m;
P—φ42钢绳破端拉力108.5t;
②：
主索的最小垂度：
主索与两塔架顶部连线的夹角α决定主索的垂度及受力，如果夹角α过小，主索将产生过大的力，当α=00时，主索的力为无穷大。
所以必须控制α的大小，既控制最小垂度。
因吊装时最大的重物是从5号台防方向吊往最低处，所以只考虑冲击系数不考虑安全系数，则主索的允许张力和跨中吊重后的垂度为：
主索允许张力Tmax=
=
=90.42t
H≈Tmax
ƒmax=
=12.43m
既主索在吊设计吨位重物时的最小垂度不得小于12.43m，否则将发生安全事故。
③：
主索的接触应力σ与安全系数K
σ=
=805
K=
=2.07（K≥2~3）
Dmin——跑车平滑最小直径250mm;
Ek——钢绳弹性模量Ek=75600（Mpa）;
d——组成主索的钢丝直径2.0mm;
[σ]——钢丝抗拉强度1670Mpa;
A—起重绳面积649.7mm2;
2.3：
起重索的验算：
本缆索主索由两组组成，每组两根
1：
起重绳最大拉力Ｔ起与安全系数Ｋ起
Ｔ起=
=
=
（t）
Ｋ起=
=
=7.36≥容许值（5~6）
Q—集中荷载9t;
n—起重索工作绳线数为４；
η1—滑轮组工作效率，取0.96；
η2—转向滑轮效率，取0.96；
m—滑轮组轮数，为2；
u—转向滑轮组轮数，为1。
②：
起重绳接触应力σ起与安全系数K起
σ起=
=529.7
K起=
=3.15（K≥2~3）
d—起重绳钢丝直径0.8mm；
Dmin—起重划车组的最小滑轮直径200mm；
[σ]——钢丝抗拉强度1670Mpa;
A起—起重绳面积111.53mm2;
2.3：
牵引索的验算：
牵引索的牵引力W一般由跑车运动阻力W1，起重索运动阻力W2和后牵引索自然松弛拉力W3等三部分组成。
在跑车运动到塔架时的牵引力为最大，可以按照下面的公式进行近似计算：
W=Qsinθ+0.15Q=3.334（t）
其中：
tgθ=4f/L=0.226
W—牵引拉力；
Q—集中荷载9t;
f—工作垂度23m;
L—牵引索两岸定滑车的距离，为407m;
牵引索的最大拉力T牵为
T牵=（W+2Lq）（2-ηn）=（3.334+2×407×1.327×10-3）（2-0.982）=4.58（t）
q—牵引索的单位重量；
η—起重索穿过滑车的效率，查表为0.98
n—牵引索穿过的滑车数为2。
牵引索安全系数Ｋ牵
Ｋ牵=
=
=5.23≥容许值（3~4）
牵引索拉应力σ牵和安全系数K牵
σ牵=
=664.6
K牵=
=2.51（K≥2~3）
d—牵引绳钢丝直径0.9mm;
Dmin—最小滑轮直径200mm；
A牵—牵引绳截面积141.16mm2;
2.3：
塔架的的验算：
塔架由六四军用梁拼装而成，六四军用梁俗称三角架，是全焊构架、销接组装、双层多片式，由于六库岸的塔架高36米，而金厂岭岸的塔架高28米，塔架顶部横梁均高1.5米。
而且牵引索及起重索的卷扬机都设在六库岸，所以只对六库岸的塔架进行验算。
塔架按照门字框架组成，中间设置横向风构，以增强整体的稳定性。
一般三角桁架拼装的塔架内部有足够的钢度及稳定性，因此验算应以销接节点控制设计。
塔架受力计算：
①：
六库岸单根主绳对塔顶产生的水平力H和竖向力V：
（角度见附图一）
计算编号
产生原因
水平力H（t）向河为（+）,向锚为（-）
竖向力V（t）
计算公式
结果（t）
计算公式
结果（t）
1
T主=26
T主×cos6.45°=
+25.84
T主×sin6.45°=
2.92
2
T主=26
T主×cos26.57°=
-23.25
T主×sin26.57°=
11.63
合计
+2.59
13.17
最不利情况下主绳对塔顶产生的力（4根主绳）
+10.36
58.2
②：
六库岸起重绳对塔顶产生的水平力H和竖向力V：
（角度见附图一）
计算编号
产生原因
水平力H（t）向河为（+）,向锚为（-）
竖向力V（t）
计算公式
结果（t）
计算公式
结果（t）
1
T起=2.54
T起×cos6.45°=
+2.52
T起×sin6.45°=
0.28
2
T起=2.54
2.54
合计
+2.52
2.82
最不利情况下牵引绳对塔顶产生的力
+5.04
5.64
③：
六库岸牵引索对塔顶产生的水平H力和竖向力V：
（角度见附图一）
计算编号
产生原因
水平力H（t）向河为（+）,向锚为（-）
竖向力V（t）
计算公式
结果（t）
计算公式
结果（t）
1
牵引（T牵）
4.58×cos6.45°=
+4.55
4.58×sin6.45°=
0.51
2
牵引（T牵）
/
/
4.55
3
自然张力（T）
1.225
4
自然张力（T）
T×cos26.57°=
-1
T×sin26.57°=
0.55
5
自然张力（T）
T×cos26.57°=
-1
T×sin26.57°=
0.55
6
自然张力（T）
T×cos6.45°=
1.22
T×sin6.45°=
0.138
合计
+3.77
6.298
最不利情况下牵引绳对塔顶产生的力
+7.54
12.596
注：
T牵=3.36（t）
T=
=1.225（t）
q — 牵引绳单位重量1.327kg/m;
L—跨度407m;
f—牵引绳垂度23m;
④：
六库岸单根塔柱最不利受力为：
H=（13.13+5.04+7.3）/2=12.7（t）
V=（62.58+5.64+12.90）/2=40.69（t）
⑤:
销接点的轴向力N为:
受力图如下;（横向）
计算公式为：
N=
N—销节点的轴向力；M—销节点的弯矩；Q—塔顶所受的总水平力；
P—塔顶所受的总竖向力，包括塔架自重；=V+G=40.69+0.45×18=48.79（t）
b,e,h—力臂，其中b=3，e=1.5h=37
（t）
查表得单根钢销抗剪强度取585MPa
S=3.14×
=1847mm2
单颗钢削抗剪力为=1847×585=108t，所以单侧塔架底部销子承受的剪力为108×2=216t，满足销子抗剪的要求。
塔架在使用过程中，大部分的水平力已由抗风缆索承担，塔架的控制除满足销子抗剪的要求，还应以顶部的纵向位移来控制。
2.4：
工作索的验算：
工作索采用φ28的钢丝绳，它的主要作用是检查和处理吊装设施时载人、吊运工具、焊接接头设备等用，安装前期可以用做主索的过江索。
它一般不于主索同时使用，所以在验算塔架的受力时可以不考虑，但必须验算它载人的抗拉强度，计算方法同主索，这里不再赘述。
2.5：
抗风缆索的验算：
根据水平力大小拟定抗风如下：
两岸均采用φ28钢绳作为前抗，每塔架前抗各两根，对称分布，前抗锚碇采用混凝土基础，预埋φ32的钢精。
每个塔架设2组后抗，每组采用4线φ17.5的钢丝绳并采用链滑车连接，用以调节塔架水平受力，后抗与主索在同一锚碇上锚固。
φ28钢绳破断拉力为41.2t，4线φ17.5破断拉力为4*18.95=75.8t。
钢绳破断拉力与水平力11.345t比较所用抗风可满足要求。
2.6：
锚碇的验算：
锚碇受力：
水平力（11.345×2）×cos30.03°=19.63（t）
竖向力（11.345×2）×sin30.03°=11.35（t）
锚碇自重190t
因锚碇自重较大仅以重量足以满足受力要求，所以只进行锚桩主筋抗剪计算：
单根锚桩受最大水平力=19.63/2=9.815（t）
考虑锚桩配筋受剪：
（主筋为Φ22,20根，截面积3.799×20cm2）
锚桩钢筋可抗剪为3.799*20*1.2=91t>9.815t
具体锚碇尺寸及锚桩钢筋布置见附图二
金厂岭岸锚碇采用桩锚，因其水平力小于六库岸，且金岸锚桩尺寸配筋与六库岸相同。
所以金岸能满足要求。
3；缆索吊的制作、安装过程：
3.1：
塔架的安装：
塔架由基座、塔身、塔顶和索鞍等几部分组成。
基座采用C25混凝土，在浇筑混凝土时要预埋与塔身连接的钢板，并要焊好锚固筋，混凝土一定要密实。
基座与塔身的连接采用销接，采用六四军梁的专用销子。
塔身的拼装采用逐段拼装，既在以拼装好的塔身基础上，设置一独脚扒杆，用扒杆提升桁节进行拼装。
拼装时要注意两侧塔架同时进行，安装到一定高度时横向要设置风构，纵向要设置临时抗风缆索。
完全安装完毕设置永久抗风缆索。
塔顶纵向用2根56的工字钢并排焊接，工字钢底部焊接2cm的钢板，与塔身用销子连接，在两根纵向工字钢的上面架设2根56的工字钢，纵横向的工字钢要焊接牢固，要进行满焊，保证横梁不会翻转。
为保证主索平顺的通过索鞍，索鞍顶部做成半弧型，半径为30cm。
底部放置13根可以自由滚动的φ20的钢滚（见下图），底板与横梁焊接要牢固，底板用反扣的形式与索鞍连接，每侧留有15mm的自由滚动的空间。
这样在吊重及温度的影响下索鞍有30mm的位移，减少索鞍与主索间的摩擦损失。
3.2：
各种缆索的安装：
3.2.1：
主索的安装：
由于两岸不通航，所以先用船将一根2㎝的尼龙绳渡过河，用尼龙绳带15㎜的钢丝绳，这样，要逐级替换，最后把主索拉过河。
拉主索过河时为减少卷扬机的受力，一定要保证一定的垂度，垂度的计算可以根据卷扬机的功率利用计算主索水平受力的公式进行计算，既：
H=
其中H=5（t）Q=0计算结果ƒ=25m。
实际控制为35～40m。
为使主索在使用过程中尽可能达到受理均匀，两根主索并在一起在地锚上绕两圈，主索可以根据垂度和受力状况进行调解。
主索的安装垂度应符合设计值，若小于或过份小于设计值，则主索、地锚、索塔等重要部件超载或严重超载，这是十分危险的。
相反，若缆索安装垂度大于设计值，则会增大工作垂度，从而增大构件吊运时的上下坡度，增大牵引力。
若增值过大，则需要设置辅助牵引，甚至还不能满足跨越已安装好的桥跨结构物的安全高度，
就要使构件安装工作量增大，以致带来安装困难。
安装主索之前必须对安装时的控制应力及初始垂度进行计算。
初始应力及初始垂度计算如下：
（温度影响不考虑）
安装初始应力计算公式如下：
=0
为简化计算，将上面公式分解计算：
吊重状态下Q=45KN，G=5.94×407=24.2KN，空状态下Q0=5KN。
换算弹性模量为：
=
Kpa
=
913012+16.5×4072/4=1596314
代入初始应力计算公式得H0=116.5KN
初始垂度
为：
当Q0=0KN时，既不安装吊具计算的初始垂度为11.5米。
③：
初始垂度的控制可以利用全站仪采用坐标仰角控制。
采用全站仪控制时，提前把跨中的坐标算好，拨角对准跨中，利用竖直的仰角进行控制。
测站条件允许时尽量垂直缆索跨中。
侧设示意图五如下：
3.2.2：
起重索的安装：
滑轮（车）组采用上3轮下2轮，组成4线的滑轮组，为的避免缠绞现象，下面的2轮采用分离式轮组。
起重索采用φ17.5的钢丝绳，起重索的一端固定在卷扬机上，另外一端绕过吊钩固定在跑车上。
起重索的长度要保证，在起吊最远处时，保证卷扬机上的钢丝绳不少于6圈。
具体布索见附图六
3.2.3：
牵引索的安装：
牵引索采用φ19.5的钢丝绳，采用串联滚动的方式牵引。
牵引索的一端固定在跑车上，然后绕过河对岸的主索，及锚碇上的定滑轮，在再绕过这岸的主塔及定滑轮，为增加牵引索与卷扬机的摩擦力，钢丝绳在卷扬机上要缠绕6圈，最后绕过主塔的定滑轮还固定在跑车上。
具体布索见附图六。
3.2.4：
主索跑车及起重钩的安装：
主索跑车采用2门自制跑车，与主索接触滑车轮径25㎝，定滑轮直径34㎝。
4；缆索吊的使用注意事项：
缆索吊与普通的吊车吊装有相同之处，也有不同之处。
虽然在设计方面通过，但是如果使用不当，同样会出现问题。
在使用过程中应注意以下几点：
1：
作为带状的起吊设备，缆索吊由许多的小部件组成，有时其中的任何一个部件出现故障，都有可能造成缆索吊整个体系的瘫痪或出现安全事故。
尤其是钢丝绳必须定期检查发现有断丝的现象，重要部位必须进行更换，非重要部位必须折减系数使用。
所以缆索吊作为机械设备必须进行经常的检修和养护。
2：
缆索在使用前必须进行试运行，卷扬机安装应牢固、稳定，防止受力时位移和倾斜；操作时视野必须开阔，联系要方便。
任何使用卷扬机前应检查钢丝绳、离合器、制动器、保险制棘轮、传动滑轮等，发现故障应立即排除。
通过滑轮的钢丝绳不得有接头、结节和扭绕。
钢丝绳在卷扬机上排列必须整齐，作业中最少保留三圈；操作人员不得擅自离岗，操作中突然停电，应立即拉开闸刀并将运送物放下；各种滑轮在使用前，要检查是否灵活，、绳槽是否平滑。
滑轮组应共同承受荷载，受力不均匀时，应进行调整；在使用过程中，所吊的货物不得超过设计时的重量，塔架顶部要注意观察纵向位移，防止位移量过大时发生安全事故；吊装时的垂度度应控制在最大和最小垂度之间；抗风缆索必须经常拉紧，使抗风缆索，尤其是后抗始终处于受力状态。
吊运货物时要平稳，起降时速度要均匀，严禁起重物自由下落。
禁止主索与工作索运送人员时同时进行工作。
3：
缆索吊装与吊车吊装有着不同之处，缆索吊装货物时，吊装的货物必须完全放松后，缆索不受力后，方可卸掉货物，否则当卸掉货物时，钓钩会因为主索的弹性，会发生突然反弹，一是造成安全事故，二是会造成顶部钢丝绳的脱槽或缠绕。
4：
制定有效的检修、使用、保管及安全制度，做好防护措施。
5；参考文献：
1：
《路桥施工计算手册》
2：
《桥涵》手册
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