中铁一局集团第三工程有限公司 宝鸡 721006
摘要：缆索起重机是一种兼有垂直运输和水平运输的起重设备，具有总体结构简单、造价低廉、施工周期短、适用性强等突出优点，并且不受气候和地形条件限制，在跨高山沟谷、大跨度结构吊装等场所有着非常突出的优越性。通过对大跨度、大仰角缆索起重机的设计、安装及试吊研究,介绍了其在卡杨水电交通专用公路工程IV标的成功应用，为大跨度、大仰角缆索起重机的推广应用提供借鉴。
关键词：大跨度；大仰角；缆索起重机；成功应用
1、概述
卡杨交通专用公路工程IV标位于雅砻江左岸，现场地形险峻，设计主线离现有道路较远且需横跨雅砻江，便道施工难度极大、且造价高、安全、工期都无法保证，综合现场地形、工期、造价等因素，通过对各种过江方案比选后，确定采用大跨度、大仰角缆索起重机起物资设备过江方案。
该缆索起重机采用三跨固定式结构，全长463.5m，两岸高差△h=160.5m，仰角β=arcTg（Δh/L）=19.92°，设计垂度f=L/22=20.1m，额定起重量250KN，根据斗山DH215-9挖掘机整机重量220KN设计，卸货高度4米根据柳工ZL50装载机高3.5米设计,使用年限三年，主要用途是将大型机械设备和建筑物资从江右岸运输至左岸，展开主体工程施工。缆索起重机立面图如下：
2.1承载索
承载索采用6根Φ56mm钢丝绳，单根长498m，承载索端头采用合金锚头固结，锚杯采用锌98%、铜2%合金热铸（460±5°）填充，通过ZG45套筒与锚碇预埋的两根Φ50拉杆用螺栓连接。
2.1.1承载索荷载
(1)均布荷载：β=19.92°
主 索：q1=6×13.1/Cosβ=0.836 KN/m
牵引索：q2=3*4.28/Cosβ=0.137 KN/m
起重索：q3=2.41/Cosβ=0.025 KN/m
q=q1+q2+q3=0.836+0.137+0.025=0.998KN/m
(2）主索集中荷载
作用于主索上的集中荷载P由四部分组成。
① 跑车和横梁定滑轮重： P1=24KN
② 吊钩部分重（平衡重、吊钩等）： P2=85KN
③ 起重索自重： P3=8×65×2.41=12.5KN
④ 额定起吊重量(机械设备)： P4=250KN
作用于主索上的集中荷载Q为：
Q=P1+P2+P3+P4=24+85+12.5+250=371.5KN
2.1.2承载索强度验算
1 承载索张力
根据缆索起重机技术条件要求,承载索垂跨比一般在4%～6%,本处取4.5%,即主索最大垂度fmax=442.8*4.5%=20.1m, 主索的最大张力采用经典的解析法进行计算。
在重载作用下，主索张力水平分力为：
则总应力安全系数K=[σ]/σZ=1770/632.4=2.8 K＞2 满足要求。
2.2起重索
起重索采用1根Φ24mm钢丝绳走8线，长度1150m。右岸端与8T卷扬机连接，左岸端与锚桩连接。起重索计算如下:
2.2.1滑轮组系统省力系数法计算单头拉力Tq
从定滑轮绕出的起重索单头拉力Tq的计算公式为：Tq=μQ
式中: μ—滑轮组系统省力系数,起重索走8线,查表取0.149;
Q—重载时集中荷载,即371.5KN
代入数据: Tq=0.149*371.5=55.35KN
2.2.2起重索拉力安全系数: K1=[TP]/Tq
式中：TP—起重索破断拉力即363KN
代入数据：K1=363/55.35=6.56＞[5～6]满足要求。
2.2.3起重索应力安全系数: K2=σp/σz
式中：σp—起重索的破断应力即1770 Mpa
σz—起重索总应力按下式计算
Tq—起重索拉力即：55350N
FK—起重索金属截面积即：234.96mm2
EK—起重索弹性模量即：75600Mpa
d—起重索钢丝直径即1.1mm
D—起重索绕过的滑轮直径即250mm
代入数据:σz=568.21Mpa K2=1770/568.21=3.12＞[3] 满足要求。
2.3牵引索
牵引索采用1根Φ28mm钢丝绳走2线，长度1508m，右岸端与20T卷扬机连接，左岸端与锚桩连接。牵引索计算如下:
2.3.1牵引索总牵引力W
总牵引力主要由天车运动阻力W1、起重索运动阻力W2、后牵引索自然张力W3三部分组成。天车重载运行至左岸卸货平台即X=409.8m位置时牵引索各项阻力最大，因此只需验算此位置处牵引力即可。
（1）天车运动阻力W1
W1= Q(Sinγ+μCosγ)
式中：μ—钢丝绳与天车的运动阻力系数，查《路桥手册》14-5表取0.02
γ—最大升角即25.53°
Q—重载时集中荷载,即371.5KN
代入数据: W1=166.81KN
(2) 起重索运动阻力W2
W2=Tq(1-ηm)
式中：Tq—起重索拉力即：55.35KN
η—起重索穿过滑车的效率，查《路桥手册》14-6表取0.96；
m—起重索穿过跑车及下面动滑轮的总数，此处为9；
代入数据，W2=17.02KN
(3) 后牵引索自然张力W3
式中：qq—牵引索单位长度重量即2*4.28/Cos19.92=0.09KN/m
x—后牵引索最大跨度即409.8m
f—后牵引索跨中垂度，取L/10即44.3m
代入数据，W3=42.65KN 牵引索总牵引力 W=W1+W2+W3=226.48KN
2.3.2牵引索最大拉力Tmax
牵引索最大拉力:Tmax=(W+xqq)(2-ηn)
式中：n—牵引索穿过滑车的数量，本处3个；其余字母意义同上。
代入数据：Tmax =（226.48+409.8*0.09）*(2-0.963)=293.72 KN
因牵引索在天车上端部安装动滑轮一个走2线,故Tmax=μT
即Tmax=0.53*293.72=155.67 KN
2.3.3牵引索拉力安全系数: K1=[TP]/Tmax
式中：TP—牵引索破断拉力即645KN
代入数据：K1=645/155.67=4.14＞[4～5] 满足要求。
2.3.4牵引索接触应力σZ安全系数K2 K2=σp/σz
式中：σp—牵引索的破断应力即1770 Mpa
σz—牵引索接触应力按下式计算
Tmax—牵引索拉力即：155670N
FK—牵引索金属截面积即：419.07mm2
EK—牵引索弹性模量即：75600Mpa
d—牵引索钢丝直径即1.4mm
D—牵引索绕过的滑轮直径即250 mm
代入数据:σz=794.83 Mpa K2=1770/794.83=2.23＞[2～3]满足要求。
2.4驱动功率
起重系统:采用标准起重滑轮组，设置在天车吊梁中间，动滑轮组采用标准四轮滑车组，滑轮组有效绳数为8，起升最大高度65m。动力采用JK8电动卷扬机,额定拉力80KN、额定速度24m/min、电动机功率30KW。
牵引系统:牵引索两端固定在两岸锚碇上，牵引索设一组动滑轮组，有效绳数为2。动力采用2JKM20电动双筒磨擦式卷扬机实现往复牵引,额定拉力200KN、额定速度30m/min、电动机功率85KW。
2.4.1起重索卷扬机功率计算
起重索系卷绕在驱动装置的起重卷筒上,其稳定运行状态下的静功率N为: N= VTq/102η(KW)
式中：V—起重索卷入速度,即0.4m/s
Tq—起重索拉力，即5535Kg
η—驱动装置传动机械效率，查表η=0.96
代入数据:N=22.61KW,采用功率30KW满足要求。
2.4.2牵引索卷扬机功率计算
牵引索通过右岸20T卷扬机卷筒牵引往复驱动，静功率N为: N=VTmax/102η
式中：V—牵引索卷入速度,本处为0.5m/s
Tmax—牵引索拉力，即15567Kg
η—驱动装置传动机械效率，查表η=0.96
代入数据:N=79.49KW,采用85KW满足要求。
2.5锚碇、锚桩
右岸锚碇采用C30钢筋混凝土重力式锚碇，结构尺寸:长10m*宽7m*高4.2m，混凝土底面与基岩面采用长300cm、间距1.5*1.5m、Φ22砂浆锚杆连接。左岸锚碇采用2.5m*2.5m、长15m的C30钢筋混凝土锚桩,在距桩顶1.5m位置处预埋承载索拉杆。
2.5.1右岸锚碇稳定性计算
重力式锚碇主要是依靠自重起稳定作用,因右岸埋深较浅,在检算稳定性时不考虑土压力,如下图：（1）抗滑稳定系数K1为：
式中：f—混凝土与土壤的摩擦系数，近似取0.55
T—承载索重载时最大张力,即3717.53KN
T2—承载索张力垂直分力,即790KN
a—承载索水平角，本处为：23.1°
G—混凝土总重量,约7840KN,锚碇混凝土与植入岩体锚杆连接锚固力约为:45根*80KN=3600KN,总计约:11440KN
代入数据:K1=1.71＞1.5满足要求。
（2）抗拔稳定系数K2为： 代入数据:K2=7.8＞1.5满足要求。
（3）抗倾覆稳定系数K3为：
式中: a—承载索最大张力到锚碇前趾平距，即：4.5*Cos23.1°=4.14m
b—锚碇重心到锚碇前趾平距，本处为7.7m ,代入数据K3=5.7＞1.5满足要求。
2.5.2左岸锚桩抗滑稳定计算
由于左岸锚桩埋深超过3米属深埋式锚碇,需计算土坑壁的被动土压力作用,其抗滑稳定系数K1为：
其中:γ—土壤容重,取19KN/m3
ω—土壤内摩擦角,取40°
h—锚桩与土坑壁的接触高度取13m
L—锚桩宽度即2.5m
代入数据:EP=18458 KN K1=5.4＞1.5满足要求。
3、缆索起重机的安装、试吊
3.1 缆索起重机的安装
①、准备：设计验算、材料准备、测量定位；
②、土建：锚定基础开挖、钢筋混凝土及预埋件施工；万能杆件塔架安装、及临时工作缆锚桩
③、结构制作：索塔、结构件加工（鞍座、行走轮、小车等）；
④、缆索架设：采用细麻绳将导索拖拉过江→架设临时工作缆、安装临时工作缆牵引索系统→利用临时工作缆牵引架设主缆→主缆垂度调整→天车安装→牵引索、起重索安装→检查、 结束。
3.2 缆索起重机的检测及试吊
缆索起重机检测程序分为资料审核、现场检查、荷载试验3 个步骤。资料审核主要对技术文档、规章制度、机具材料的合格证书、设计计算、施工安装等资料进行检查审核；现场检查是对缆索起重机的作业环境及外观、主索垂度、塔架稳定、主要受力结构、操作室、吊钩、钢丝绳、卷扬机、滑轮、制动器、电气保护、接地避雷、各类限位器等进行现场检查；检查完毕后按相关要求对缆索吊进行载荷试验和试吊，试吊实施过程中，要将各方面的试吊记录认真、准确填写，以备正式吊装时使用。试吊的目的是为了检查：
①、大荷载作用下主索跨中、两边段位置、起吊卸载后的垂度；
②、塔架受力变形情况、塔架基础、主地锚的稳定情况；
③、牵引索、起重索运作情况、滑车转动情况，卷扬机运行情况等；
④、施工组织及协调情况。试吊成功后完成各项检测合格后方能进行正式吊装运营；
试吊分三步骤进行：空载试运行，静载试吊、动载试吊。试吊程序根据等相关细节按《TSG Q2009-2004 缆索起重机型式试验细则》要求进行。
4、结束语
通过大跨度、大仰角缆索起重机的成功应用，解决了施工所需物质设备过江的难题，对主体工程工期保证起到了关键性的作用,有效节约了投资，取得了较好的技术经济效益，为其他类似工程提供了经验借鉴。
参考文献
[1] 周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册.人民交通出版社,2001.10
[2] 杨文渊.起重吊装常用数据手册.人民交通出版社，2002.2
[3] 严自勉，顾斯照.缆索起重机.中国电力出版社,2010年3月
[4] 周继祖.缆索吊车.中国铁道出版社,1981年4月
作者简介：惠力伟，籍贯：陕西蒲城，出生年月：1982年12月，职称：工程师，主要研究方向：施工技术与工程管理
论文作者:惠力伟
论文发表刊物:《电力技术》2016年第12期
论文发表时间:2017/3/2
标签：缆索论文; 起重机论文; 拉力论文; 卷扬机论文; 荷载论文; 数据论文; 仰角论文; 《电力技术》2016年第12期论文;