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Design of Movable Skyline Hoisting Cableway Used in Unusually Large Bridge

移动式承载索应用于特大桥吊装工程的设计


根据架空索道设计的特点及要求,本着技术先进、经济合理和安全适用的原则,创造性采用可移动式承载索,对泉三高速公路下岸特大桥吊装索道进行设计,包括索道选线、索道总体布置、承载索与工作索设计、锚桩的验算。在特定的地形地质条件下,进行有效合理的索道布局,以及主要技术参数的选择,并进行校核。索道在特大桥施工中安全适用,能满足吊装作业和高强度工作量要求。

As one of the most convenient and economical tools of transportation and crane,ropeway begin to use in a variety of building and construction.According to the characteristic and requirements of cableway design,the movable skyline hoisting cableway in Quansan Highway Xia‘an Unusually Bridge was creatively designed with the principle of advanced technology,reasonable economy,safety and appliance,which included the general arrangement of cableways,calculation of skyline and workline,checking computation of the support and the anchorage,productivity calculation.Under the specific topography condition,the effective and reasonable layout of hoisting cableway and the main technical parameter properly were chosed,and the calculation was checked.The result showed that the hoisting cableway was safety and appliance in the construction of bridge,and it was suitable in the request of hoisting working and high strength workload.


全 文 :第 !" 卷 第 " 期
# $ % $ 年 " 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
./01!"!*/1"
2345!# $ % $
移动式承载索应用于特大桥吊装工程的设计
周新年%6巫志龙%6官印生#6张正雄%6郑丽凤%6陈裕云%6冯建祥%
"%5福建农林大学6福州 =<$$$## #5福州市规划设计研究院6福州 =<$$$=$
摘6要!6根据架空索道设计的特点及要求!本着技术先进’经济合理和安全适用的原则!创造性采用可移动式承
载索!对泉三高速公路下岸特大桥吊装索道进行设计!包括索道选线’索道总体布置’承载索与工作索设计’锚桩的
验算% 在特定的地形地质条件下!进行有效合理的索道布局!以及主要技术参数的选择!并进行校核% 索道在特大
桥施工中安全适用!能满足吊装作业和高强度工作量要求%
关键词&6吊装索道# 工程设计# 技术参数# 桥梁工程
中图分类号! m%9666文献标识码!,666文章编号!%$$% A8!99"#$%$#$" A$%$8 A$"
收稿日期& #$$9 A$8 A$9# 修回日期& #$$7 A$% A%$%
基金项目&福建省自然科学基金资助项目"#$$92$=#8$# 福建省科技厅重点科学基金资助项目"#$$8*$$$#!#$$"g<$$"$# 福建省林业厅科
学基金资助项目"闽林科0#$$"1 8 号第 %! 项$%
Q&’,%$()M(<#>-&+R/-,$&3(,’*,$% !#>-&@#/ \’&4,$\$7’7#-/ [#1%&81,4%&
fL/3 @H44HE4%6S3 fLH0/4F%6I3E4 GH4KLM4F#6fLE4FfLM4F_H/4F%6fLM4F-HTM4F%6’LM4 G3X34%6gM4F2HE4_HE4F%
"%"1.@-&+ 84’-(.3,.’$&+6 1/’$%,’5J+-<$’%-,561.N)/. =<$$$## #"1.N)/. !3&++-+4 D$%-4+ &+6 #$%$&’() *+%,-,.,$61.N)/. =<$$$=$
=>’*1#0*&6,K/4M/TWLMO/KWY/4[M4HM4WE4V MY/4/OHYE0W//0K/TWUE4K\/UWEWH/4 E4V YUE4M!U/\MZEX^MFH4 W/3KMH4 E
[EUHMWX/T^ 3H0VH4FE4V Y/4KWU3YWH/45,YY/UVH4FW/WLMYLEUEYWMUHKWHYE4V UMR3HUMOM4WK/TYE^0MZEXVMKHF4!WLMO/[E^0M
K‘X0H4ML/HKWH4FYE^0MZEXH4 J3E4KE4 PHFLZEX@HE(E4 m43K3E0XBUHVFMZEKYUMEWH[M0XVMKHF4MV ZHWL WLM\UH4YH\0M/T
EV[E4YMV WMYL4/0/FX!UMEK/4E^0MMY/4/OX!KETMWXE4V E\\0HE4YM!ZLHYL H4Y03VMV WLMFM4MUE0EUE4FMOM4W/TYE^0MZEXK!
YE0Y30EWH/4 /TK‘X0H4ME4V Z/U‘0H4M!YLMY‘H4FY/O\3WEWH/4 /TWLMK3\\/UWE4V WLME4YL/UEFM!\U/V3YWH[HWXYE0Y30EWH/45m4VMU
WLMK\MYHTHYW/\/FUE\LXY/4VHWH/4!WLMMTMYWH[ME4V UMEK/4E^0M0EX/3W/TL/HKWH4FYE^0MZEXE4V WLMOEH4 WMYL4HYE0\EUEOMWMU
\U/\MU0XZMUMYL/KMV!E4V WLMYE0Y30EWH/4 ZEKYLMY‘MV5+LMUMK30WKL/ZMV WLEWWLML/HKWH4FYE^0MZEXZEKKETMWXE4V
E\\0HE4YMH4 WLMY/4KWU3YWH/4 /T^UHVFM!E4V HWZEKK3HWE^0MH4 WLMUMR3MKW/TL/HKWH4FZ/U‘H4FE4V LHFL KWUM4FWL Z/U‘0/EV5
?&/ @(14’&6L/HKWH4FYE^0MZEX# M4FH4MMUH4FVMKHF4# WMYL4HYE0\EUEOMWMUK# ^UHVFMM4FH4MMUH4F
66泉州至三明高速公路 J,%= 标段 "GD7% l
9#< ;GD7" l7$$ $ 下岸特大桥!左线大桥桥长
最高墩高 "= O!属全线重点工程% 常规缆索很难满
足全桥吊装!且投资大!施工困难% 由于要避开现有
房屋和现运营公路!以及特定的地形地质条件所限!
本索道设计以 % 号和 %< 号墩的连线为中轴线!# 个
吊装区各由 % 条,%= 型索道索系承吊!每条承载索
均满足左右横向移动距离 =$ O的吊装区"横向单
侧移动最大距离 %< O$!创造性采用可移动式承载
索!能照顾到所有桥墩% 索道的横向移动!一端沿吊
索的鞍座移动!另一端由 # 条松紧式锚索调整实现#
索道的锚固全部采用钢筋混凝土桩式结构!施工时
应严格控制各锚桩的高程% 索道设计计算按 # 条承
载索在跨中同时负载的最不利条件进行!从而使整
个索道达到安全’可靠和经济合理的目的%
%6索道选线
综合考虑泉三高速公路下岸特大桥地形地质’
特定的装卸场地’运输距离最短’作业安全和集散方
便等因素!确定选线方案& 索道承载索上支点位于
高程 <7"1$$ O处!下支点定于高程 <8<1$9 O处!水
平跨距3$ k9$$ O!弦倾角&% k%1上支点位于高程 "%$1$$ O处!下支点定于高程
<9"1$$ O 处! 水 平 跨 距 3$ k!%$ O! 弦 倾 角
&% k=1=#6设计资料
该地区风力 9 级# 风压强度 <$$ dE# 安装温度
#< c# 无地震% 依据 ,林业架空索道设计规范-
"-G%$<" A%77%$’,货运架空索道安全规范- "IB
%#%!% A%797$和,一般用途钢丝绳- "IB+#$%%9 A
林 业 科 学 !" 卷6
#$$"$!选用承载索 =96" j%7 *g’%98$ Bff!破断
拉力Idk9#7 ‘*# 起重索 %#6%9 j8 *g’%98$ B
f&!破断拉力IdJk991= ‘*# 循环牵引索 %#6" j%7
*g’%98$ Bf&!破断拉力 IdR k9#18 ‘*# 鞍座吊索
!!w " j%7 *g’%98$ Bf&!破断拉力IdCk% %%$ ‘*#
钢丝绳的弹性模量2k7$ $$$ QdE# # 个D% 跑车# #
台2&=]= 绞盘机# 钢筋混凝土桩式锚锭"主桩 l副
桩$%
=6总体布置
结合地形条件!上下两支点高差不大!跑车需要
往复牵引!采用,%= 型索道索系!鞍座吊索采用+
$# 型索道索系% 索道纵断面!见图 %# 索道平面和
鞍座吊索纵断面!分别见图 #!=%
图 %6索道纵断面
gHF5%6+LM[MUWHYE0KMYWH/4 \U/TH0M/TWLMYE^0MZEX
%5#$" 省道 #$" \U/[H4YHE0U/EV5
66承载索跨距 3$ k9$$ O!倾角 &% k%1%%b!无荷中挠系数 >$ k$1$!% 为了减少起重索下
垂!在索道上支点 %$$ O处’下支点 "$ O处设托索
轮# 为了减少锚锭工程量及改善其受力条件!各锚
桩后 %$ O左右设一副桩# 索道下支点的横向移动
由鞍座横移!上支点 G型张紧索的松紧配合实现!
可借助 # 台绞盘机或 < W手拉葫芦作业!横移前适度
放松承载索%
图 #6索道平面
gHF5#6+LML/UHa/4WE0KMYWH/4 \U/TH0M/TWLMYE^0MZEX
%!#!7!%!!%YLE4FH4FVHUMYWH/4# %85绞盘机SH4YL# %7!#$5循环牵引索)4V0MKK0H4M5
66索道放样基准线为 % 号和 %< 号墩的连线!各锚
桩定位点根据地形条件允许q$1#$ O误差#锚锭采
用钢筋混凝土立式双联桩锚!后桩布置一律在主桩
后方 %$ O左右# 绞盘机布置朝向上支点!能通视全
桥!绞盘机房相互距离 #$ O左右# % ;%! 号均为
PC=$ 转向滑轮!%!#!%%!%#!%=!%! 依桩悬挂!= ;%$
9$%
6第 " 期 周新年等& 移动式承载索应用于特大桥吊装工程的设计
固定在承载索上!其中 =!! 距上支点约 %"$ O!距鞍座 %$$ O!边跨靠鞍座 =$ O处承载索上悬挂滑
轮 7!%$!通过起重索!边跨靠鞍座 % O处的承载索
上悬挂滑轮 8!9!通过牵引索# 索鞍由 # 个托索轮对
接而成一个整体!上托索轮可沿吊索行走!下托索轮
承托承载索%
图 =6鞍座吊索纵断面
gHF5=6+LM[MUWHYE0KMYWH/4 \U/TH0M/TWLML/HKWH4FYE^0MZEX
%5基准点BEKHK\/H4W# #5#$" 省道 #$" \U/[H4YHE0U/EV
!6主要技术参数
OBCD承载索计算
应用悬链线理论"周新年!%798# %77## %77"#
#$$9# 周新年等!%777# #$$=E# #$$=^# #$$!# #$$8#
罗桂生等!%777$!编制计算机辅助设计系统!输出
设计计算结果% 无荷中挠系数& >$ k$1$!# 双线设
计荷重"*$& !k=9 $=<# 无荷悬索长度"O$& :$ k
9$=1"8# 有荷水平张力"*$& Hdk#!8 "%<# 承载索
有荷最大拉力"*$& IQk#<% "7<# 承载索的耐久性
验算& 7k#"1!8# 承载索的实际安全系数&
A% k=1#7%
OBAD鞍座吊索设计计算
货运索道!当跨距中出现跑车数;?= 时!;k#!
则载荷分布系数MM"周新年!%77"# #$$9$为&
MM OMc O";R%$ % R$1<;
&
3$
Y/K( )&
O"# R%$ % R$1< U# U"$!%$Y/K=1=( )o O$19化为集中载荷系数为 %19承载索下支点方向角-B为&
-B OEUYWE4eB OEUYWE4"WE4&R!>$$
OEUYWE4"WE4%166鞍座吊索设计荷重!V"*$为&
!V O%19O%1966应用悬链线理论"周新年!%798# %77## %77"#
#$$9# 周新年等!%777# #$$=E# #$$=^# #$$!# #$$8#
罗桂生等!%777$!编制计算机辅助设计系统!输出
设计计算结果% 无荷中挠系数& >$ k$1$!<# 无荷悬
索长度"O$& :$ k!%#199# 鞍座吊索有荷最大拉力
"*$& IjQk<<# <$<# 鞍座吊索的耐久性验算& 7k
%=19<# 鞍座吊索的实际安全系数& A% k#1$%%
OBED工作索的计算
!1=1%6起重索计算6%$ 提升货物时起重索张力I#
"*$&
I# OIJTIR TINTIE% "%$
式中& IJ为货物质量产生的拉力 "*$!IJ k
S
#KH4"-Z#$
!Sk#< %$$ *"货物质量l载物钩质量$!
取起重索拉力包角 -k%<$b!代入算得& IJ k
%# 77= *% IR 为起重索自重附加在跑车上的分力!
IR kqeJ)# 由于绞盘机低于承货点!则承货点到绞
盘机位置高度差 ) kA#7 O!起重索单位长度重力
eJk<1"# *.O
A%!代入算得& IR kA%"= *% IN为综
合阻力!绕过滑轮’贴地运行等产生的摩擦阻力!IN
k"IJlQ$0$!起重索自重QkeJ:$ k<1"# j9$=1"8
k! <%8 *# 由于滑轮数多!吊运距较长!取综合摩擦
系数0$ k$1%"!代入算得& INk# 9$# *% IE为惯性
力!将货物视为匀速上升!IEk$%
代入"%$式算得& I# k%< "=# *!2&=]= 绞盘机起
7$%
林 业 科 学 !" 卷6
重卷筒额定牵引力为 =$ $$$ *!故起重力足够%
#$ 起重索安全系数A# 的校核&
A# O
IdJ
I#
" <1$% "#$
式中&IdJ为起重索的破断拉力"*$!IdJk99 =$$ *%
A# k
99 =$$
%< "=# k<1"< ><1$!故所选起重索符合规范
要求%
!1=1#6循环牵引索计算6%$ 跑车运行时牵引索的
拉力 I= "*$% 由于 &k%1求I=&
I= OIjJTIjNhIR TIE% "=$
式中&IE为运行惯性力!IEk
&
4 "SjlQj$!Sjk货物
质量l跑车质量 k#< $$$ l# $$$ k#8 $$$ *!牵引
索附加于跑车上的自重 Qjk
QJ
# k<1$< j
9$=1"8
# k
# $#7!重力加速度 4 k719% O.KA#!紧急制动!取加
速度 &k$18< O.KA#% 代入得& IEk
$18<
719%"#8 $$$ l
# %8<$ k# ### *% IR 为牵引索自重附加在跑车上
分力! IR kqeJ)# 由于绞盘机低于承货点!则承货
点到绞盘机位置高度差 ) kA#7 O!牵引索单位长
度重力eJk<1$< *.O
A%!代入算得& IR kA%!" *%
IjJ为克服摩擦力时线路坡度及重车荷重产生的拉力!
IjJkSjKH4.A0SjY/K.!取跑车运行阻力系数0k$1$%!
.为跑车升角!求牵引索最大拉力时!跑车运动到上
支点!由WE4.OWE4&T
3$
#Hd
!
3$
T eY/K( )& OWE4%19$$
# U#!8 "%<
=9 $=<
9$$ T
<$18
Y/K%1<( )ok$1%9= !!算得& .
k%$1=7b! 代入得& IjJk#8 $$$ "KH4%$1=7oA
$1$%Y/K%$1=7o$ k! "$! *% IiN为重车的综合阻力!
IjNk"IjJlQ$0$!牵引索自重 QkeJ:$ k<1$< j
9$=1"8 k! $<7 *% 代入算得& IjNk"! "$! l! $<7$
j$1%" k% =9" *%代入"=$式算得& I= k# 8#8 l
% %=# A%<8 l# #=% k< 7== "! $"! l% =9" A%!" l
# ###$ k8 <#" *!2&=]= 绞盘机的摩擦卷筒额定牵
引力为 #$ $$$ *!故牵引力足够%
#$ 牵引索安全系数A= 的校核&
A= O
IdR
I=
" <1$% "!$
式中&IdR为牵引索的破断拉力"*$!IdR k9# 8$$ *%
A= k
9# 8$$
8 <#" k%$177 ><1$!故所选牵引索符合规范
要求%
!1=1=6绞盘机功率AC的校核
A@ O
1f
/%/#
U%$R=% "<$
式中&1为缠绕在绞盘机主卷筒中层上的工作索的
最大牵引力"*$!由于I# >I=!所以选 I# 作为 1# f
为缠绕在绞盘机主卷筒中层上的工作索的牵引速度
"O.KA%$!取 fk%1<# /% 为绞盘机从发动机输出轴
至卷筒轴之间的总传动效率!取 /% k$1"<# /# 为内
燃机高山功率降!取/# k$17% 代入"<$式算得& A@
k!$1$9 ‘S ?<%1< ‘S!2&=]= 绞盘机额定功率为
<%1< ‘S!故满足要求%
OBOD锚桩验算
采用钢筋混凝土立式双联桩锚!其受力分析见
图 !% 在整个吊装索道中!鞍座吊索的锚桩受力最
大!故取鞍座吊索的下支点锚桩进行验算% 双联桩
锚的后桩受力占 %e= ;%e#!前桩已知数据& Ik<<=
j#e= k="7 ‘*# &k!b# 6 k%1$ O# :% k<1$ O# :#
k$19 O# & k#1$ O# ;k#1$ O# (k$1= O# )上 k
!1$ O# )下 k%1$ O%
!1!1%6锚桩直径 66锚桩设计为钢筋混凝土立桩!
但这类结构的立桩目前无成熟的计算公式!故先以
相同直径的松木验算进行比较%
6"
= %$FOE_Z0!S槡 1% ""$
式 中& FOE_ 为 截 面 弯 距% FOE_ k I.
3l#=
I
.) 0.A0( )槡 }{ % # 3为锚绳至上档木中心
"即!上 作用点$的距离!3k&l(k#1= O# .为土壤
密度!取 #$ ‘*.OA=# ) 为上档木高度!) k )上 k
%1$ O# 0+为被动土压力系数!为 !1<9# 0%为主动
土压力系数!为 $1##%
代入算得&
FOE_OI. 3T#=
I
..) 0.R0( )槡 }{ %
O="7 U #1= T#=
="7
#$ U% U"!1<9 R$1##槡{ }$
O% =<< ‘*.O%
66查松木许可弯曲应力0!S1 k%$ 89$ ‘*.O
A#
"段良策! %799 $! 则 6 "
= %$ j% =<<
槡%$ 89$ j%$$ k
%$9 YO%
本设计为钢筋混凝土立桩 6 k%$$ YO% 钢筋砼
圆形截面受弯构件的破坏!最终表现为受压区混凝
土压碎% 所以! 只要校核受压区混凝土的强
度即可% 66
$%%
6第 " 期 周新年等& 移动式承载索应用于特大桥吊装工程的设计
图 !6锚锭受力分析
gHF5!6+LME4E0XKHK/TK3TMUMV T/UYM/TE4YL/UEFM
%5承载索方向CHUMYWH/4 /TK‘X0H4M# #5挡木B0/Y‘H4FWHO^MU# =5承载索拉力d30H4FT/UYM/TK‘X0H4M#
!5受压区dUMKKH4FEUME# <5受拉区CUEZH4FEUME5
!O
FOE_
Q O
FOE_
.
=#6
=
O % =<<
.
=# U%
=
O%= 9$# p0!1 O%8 <$$ ‘*.OA#!故安全%
66式中的 ’=$ 混凝土轴心抗压设计强度0!1 k
%81< QdE%
!1!1#6锚桩的上拔力!垂直向上分力"6锚桩自
重& Kk.6# e! j" :% l:# $ j.k.j%1$
# e! j
"<1$ l$19$ j#! k%$7 ‘*# 垂直向上分力& fk
IKH4’k="7 jKH4!bk#" ‘*%
本设计无论承载索或鞍座吊索!倾角均很小
"最大为 %%b$!上拔力都小于锚桩自重!故安全%
!1!1=6锚桩入土深度 )
) O %#IZ..)%"0.R0%槡 $% "8$
式中& )% 为档木高度!本设计为 !1$ O% 代入算得&
)k %# j="7#$ j! j"!1<9 A$1##槡 $ k=1"O ?:% k<1$ O!
故安全%
!1!1!6土壤压应力"周新年等!#$$=E# #$$=^# 洪
毓康!#$$$$
!O!)3%/0!H1% "9$
式中&)为档板高度!)上 k! O!)下 k% O#3为档板长
度!为 !1$ O# /为土压力不均匀系数!上档板为就
地浇筑混凝土时/k$17!为木头时/k$1==# 0!H1
为H深度土壤容许压应力!0!H1 k9%H.!其中 9%
为土壤被动压力系数!当内擦角 1k==17"%# H为受压土深度# !为上档处总反力%
%$ 计算上档板处土压应力6H k#1$ O时!
0!H1 k%<9 ‘*.O
A## !上 k
!上
)上 3
k87=! j! k<$ ‘*.O
A#
/0!H1 k$1== j%<9 k<# ‘*.O
A#!故上档木处土压
应力足够%
#$ 计算下档板处土压应力6H k!1< O时!
0 !H 1 k =<" ‘*.O
A## !下 O
I"& T($
; O
="7 U"# T$1=$
# O!#! ‘*#!下 O
!下
)下 3
O !#!% U! O
%$" ‘*.OA# ?/0!H1 k $1== j=<" k %%8
‘*.OA#!故下档木处土压应力足够%
锚桩验算结论& 钢筋混凝土锚桩直径的抗弯强
度’垂直上拔力’土壤压应力和锚桩入土深度满足要
求% 因为IQk<<# <$< *是鞍索 >$ k$1$!< 时的受
力!当承载索中部桥墩少量的顶部施工!需要张紧承
载索或鞍座吊索 >$%$1$= 时!为确保安全!只允许 %
台绞盘机作业%
索道吊装施工方法具有结构简单’拆装方便’操
作灵活和起吊高度大的特点!不受复杂地形的限制!
可节省大量的临时支撑!缩短工期!提高经济效益%
泉三高速公路下岸特大桥吊装索道的设计!是在特
定地形地质条件下!进行有效合理的布局!以及主要
技术参数的选择!并进行校核% 该工程已竣工!实践
证明& 该吊装索道在特大桥施工中安全’适用’高
效!能满足吊装作业和高强度工作量的要求!取得了
很好的经济效益与社会效益%
%%%
林 业 科 学 !" 卷6
参 考 文 献
段良策5%7995简易架空缆索吊5北京& 人民交通出版社!#=8 A#洪毓康5#$$$5土质学与土力学5北京& 人民交通出版社!%<8 A%"!5
罗桂生!周新年!吴沂隆5%7775悬链线精确算法单跨索道设计模型5
福建林学院学报!%7"#$& %%$ A%%=5
周新年5%7985悬链线法作单跨索道设计的微机程序5福建林学院学
报!8"%$& =< A!!5
周新年5%77#5林业索道设计系统5林业科学!#9"%$& !8 A<%5
周新年5%77"5架空索道理论与实践5北京& 中国林业出版社!%!$
A#$%5
周新年5#$$95工程索道与柔性吊桥+++理论 设计 案例5北京& 人民
交通出版社!%"7 A#!!5
周新年!罗桂生!吴沂隆!等5%7775悬链线精确算法单跨索道设计系
统5福建林学院学报!%7"=$& #$< A#$95
周新年!冯建祥!罗仙仙!等5#$$=E5受限地段过河索道设计研究5福
建林学院学报!#="%$& % A!5
周新年!张正雄!郑丽凤!等5#$$=^5林业索道在山区水利吊装工程上
的应用5林业科学!=7"#$& %!$ A%!!5
周新年!罗仙仙!罗桂生!等5#$$!5牛顿迭代法悬索线形与拉力的研
究5林业科学!!$"<$& %"! A%"85
周新年!官印生!张正雄!等5#$$85武当山特殊吊装索道设计研究5林
业科学!!="=$& %$9 A%%#5
!责任编辑6石红青"
#%%