張永強

（中鐵十七局集團城市建設(shè)有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

目前，纜索起重機憑借其大跨距架空承載構(gòu)件的優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于橋梁工程當(dāng)中，作為懸吊運輸工具使用，進行施工材料的起重與裝卸作業(yè)。在橋梁工程施工中，纜索起重機的設(shè)計與應(yīng)用需要嚴(yán)格參考《纜索起重機型式試驗細(xì)則》（TSG Q7009—2007）的施工規(guī)范，對起重機設(shè)施的設(shè)計過程進行嚴(yán)格規(guī)劃，保障其纜索系統(tǒng)、塔架系統(tǒng)、錨定系統(tǒng)、分索系統(tǒng)等設(shè)計的合理性，最終才能有效應(yīng)用于橋梁工程中。

1 纜索起重機的設(shè)計要點及建議

1.1 明確纜索起重機的設(shè)計原則

在橋梁工程中，相關(guān)人員必須根據(jù)橋梁工程的屬性來明確其設(shè)計原則。以深圳某大橋主橋施工為例，該橋梁屬于鋼管混凝土系拱橋，單孔跨度約140m，對此，纜索起重機的索道主跨設(shè)計長度應(yīng)大于橋梁單孔主跨約25%；橋梁拱肋的矢量高度達到平均35m 的水平，而塔架的設(shè)計高度需超出矢量高度100%，因此起重機塔架設(shè)計高度最佳值應(yīng)取65～70m；橋梁拱肋中心的平均間距達到19m，因此塔架寬度的設(shè)計取值應(yīng)在23～26m 之間，才能確保起重機能夠覆蓋橋梁施工吊裝工作的所有范圍。此外，結(jié)合《起重機械檢查與維護規(guī)程》（GB/T 31052.1—2014）的規(guī)范要求，起重機械塔架必須具備充足的穩(wěn)定性與抗性強度，密封式主索需要同時搭配6 根及以上符合規(guī)格的起重索、牽引索，因此，該施工案例中預(yù)計設(shè)計8 根φ28mm 的后纜風(fēng)索、4 根φ55mm 的密封式鋼絲繩，這一舉措毫無疑問符合纜索起重機的設(shè)計原則，有利于提高纜索起重機在橋梁施工中的穩(wěn)定性。

1.2 主索的設(shè)計要點

主索的設(shè)計可以根據(jù)橋梁工程的跨度進行選擇，例如，針對長度為500m 左右的大跨度橋梁，施工單位的纜索起重機應(yīng)采用三跨主索的形式進行設(shè)計，具體的做法為：纜索起重機布置多組承重主索，主索間距應(yīng)當(dāng)視情況而定，控制在300～500mm 之間，并且搭載直徑大于50mm 的鋼絲繩進行加固；在起重索的設(shè)計上，考慮到起重索兩端需要預(yù)留位置來安裝調(diào)索裝置系統(tǒng)，因此，可以采用不小于φ20mm 的鋼絲繩及轉(zhuǎn)向滑輪構(gòu)成繩索系統(tǒng)，配合吊點設(shè)計進行作業(yè)；在牽引索的設(shè)計上，考慮到繩索并非定向的運動形式，所以，牽引索系統(tǒng)需要搭載若干慢速卷揚機，才能夠?qū)崿F(xiàn)牽引系統(tǒng)的多項驅(qū)動，并且由牽引索的規(guī)格來決定卷揚機的規(guī)格，如：5t 卷揚機可搭配φ21mm 及以上規(guī)格的鋼絲繩索進行布置，卷揚機設(shè)置于錨定位置的后方，以便實施有效牽引[1]。

1.3 主索設(shè)計的計算方法

在纜索起重機的繩索設(shè)計上，各種繩索的安全系數(shù)需要達到施工規(guī)范要求，如：主索破斷拉力需要不小于3，應(yīng)力水平需要不小于2；牽引索破斷拉力應(yīng)不小于5，應(yīng)力需要不小于3……起重索與纜風(fēng)索的設(shè)計安全系數(shù)以此類推。因此，在起重機繩索的設(shè)計中，需要借助計算得出纜索是否具備相應(yīng)的設(shè)計條件。仍然以500m 大跨度橋梁的多跨主索為例，在多跨主索中，主跨垂度增大會引發(fā)其余跨度相應(yīng)減小，以至于多跨主索能夠通過垂度變化來適應(yīng)運行時的張力，而多跨主索在多種情況下的受力計算應(yīng)當(dāng)參考式（1）進行分析。當(dāng)纜索起重機的矢跨比達到5%～10%之間時，其設(shè)計的取值最為合理。

纜索起重機三跨主索計算公式：

式（1）中：Wcable表示主索自重；γ 表示主索單位長度的線密度；Acable表示主索橫截面積；Lcable表示主索長度。

與此同時，相關(guān)人員需要對纜索起重機的主索最大拉力進行驗算，并對比纜索起重機的設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，判斷其最大拉力、水平拉力的設(shè)計是否合格，計算方法如式（2）所示。

主索最大拉力計算：

式（2）中：T 表示主索拉力；W 表示橋梁總荷載；H 表示主索最大凈高度；L 表示主索有效跨度。

1.4 承載索的設(shè)計要點

起重機承載索的設(shè)計需要針對多項物理參數(shù)進行復(fù)雜設(shè)計，所以可以借助計算機程序輔助計算。以兩端固定式承載索的程序計算為例，通過將起重機承載索的水平跨距視為l0，將其高度差視為h，以及最大起重量視為Q，這些數(shù)據(jù)均能作為初始計算參數(shù)，通過計算機程序計算出承載系統(tǒng)鋼絲繩最大荷載Qmax、承載索最大張力T 等數(shù)據(jù)。最終獲得的計算參數(shù)能夠用于承載索的校驗與比對，最終，由施工人員選擇出最符合計算參數(shù)的承載索規(guī)格用于實際施工，保障纜索起重機的使用效能。而能夠用于計算承載索初始參數(shù)的計算機程序包括M-NET-F、Access 以及VS.net 等，主要的應(yīng)用流程如圖1 所示。

圖1 計算機程序下的承載索參數(shù)設(shè)計流程

2 纜索起重機的塔架設(shè)計與建議

2.1 塔架設(shè)計方法

纜索起重機的塔架高度設(shè)計與主索的最大撓度、臨空高度以及塔架底端與橋梁最高點的高度差有所關(guān)聯(lián)，在設(shè)計過程中，需要同時參考以上數(shù)據(jù)參數(shù)，方能得出最合理的塔架高度取值。高度計算的方法如式（3）所示，其中需要注意的是，一般纜索起重機的塔架受力情況為：塔架整體的垂直荷載略微高于水平荷載，但塔架的受壓結(jié)構(gòu)致使水平荷載容易影響塔架的穩(wěn)定性。故此，主索臨空高度的統(tǒng)計需要考慮重物最大高度、吊鉤及捆繩高度、吊滑車組高度差（一般情況下，控制在1500～2000mm 的區(qū)間）等參數(shù)，得出最合理的計算參數(shù)。

一般纜索起重機塔架高度計算：

式（3）中：H高表示塔架設(shè)計高度；Fmax表示起重機主索最大撓度；h1表示考慮重物最大高度等參數(shù)的主索臨空高度；h2表示塔架底面至橋梁最高點的間距差。

2.2 塔架設(shè)計要點

塔架的設(shè)計與計算需要以塔架結(jié)構(gòu)或支座的設(shè)計情況為出發(fā)點，在一般情況下，塔架的水平荷載需要由多個結(jié)構(gòu)承受，如：塔架下端交接位置的水平荷載作用于纜風(fēng)索；上端部分則由兩端安裝的受壓構(gòu)件來承受。因此，在設(shè)計塔架過程中，塔架與纜風(fēng)索之間的位置關(guān)系應(yīng)當(dāng)明確，以減少塔架頂端的位移情況，合理分配塔架的內(nèi)力關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，采用多元化的塔架形式，能夠有效適應(yīng)橋梁施工現(xiàn)場的場地條件及施工需求。如：墩頂式塔架適應(yīng)頂部位移變化；輻射式塔架提高底部穩(wěn)定性。因此，合理選擇有效的塔架形式，配合塔架設(shè)計，才能夠使施工更加靈活便利[2]。

3 纜索起重機在橋梁施工中的應(yīng)用范圍分析

3.1 纜索起重機用于橋梁施工材料物流

運輸與吊載施工材料是纜索起重機的重要功能之一，在橋梁工程施工中，橋梁多處結(jié)構(gòu)的施工均會使用到纜索起重機輔助施工作業(yè)。典型的代表有：橋梁施工的主墩承臺澆筑時，需要采用大體積混凝土進行不間斷澆筑，但考慮到地貌因素對混凝土運輸造成的影響，施工單位在完成混凝土的配備與攪拌后，采用纜索起重機將混凝土吊裝至需澆筑的施工位置。相較于管道運輸混凝土，起重機吊裝混凝土能夠有效避免氣溫變化影響混凝土入模溫度，保障混凝土澆筑時的灌實程度。

3.2 纜索起重機用于橋梁施工調(diào)運大型器械

纜索起重機能夠通過吊鉤綁定施工機械，起升后通過靜載的方式調(diào)往目的地點，使施工機械能夠在橋梁施工中發(fā)揮其最大效用。具體的案例有，綿陽市某橋梁工程中利用纜索系統(tǒng)對橋梁工程左右兩岸的施工器械進行調(diào)送運輸，纜索起重機的配重系統(tǒng)能夠承受最大9.5t 的起吊任務(wù)，于當(dāng)日17：26—18：20，順利將DH-9 型挖掘機吊至左岸卸貨平臺，次日將DH215-9 型挖掘機及自卸車、裝載機等設(shè)備調(diào)運過江，調(diào)運效率之高使施工的進度得到有效保障。

3.3 纜索起重機用于吊運其他施工物資

纜索起重機能夠用于吊運施工電箱、工具箱等施工資源。以雅礱江的纜索起重機應(yīng)用為例，通過以纜索起重機調(diào)運方案代替施工棧道運輸方案，有效解決一些施工零部件及工具無法在橋梁工程中及時運輸?shù)膯栴}，使該橋梁工程的工期相較預(yù)期計劃縮短11.6%，并且節(jié)約施工中的交通投資約160 余萬元。由此可見，纜索起重機在橋梁施工中具有顯著的應(yīng)用價值[3]。

4 纜索起重機在橋梁施工中的應(yīng)用要點與建議

4.1 使用期間有效配置起重設(shè)施參數(shù)

只有嚴(yán)格控制纜索起重機內(nèi)鋼索直徑、型號、工程強度及折舊系數(shù)等參數(shù)，才能夠確保纜索起重機能夠正常應(yīng)用于實際的橋梁工程中。以主跨度超200m，并采取無支架吊裝形式進行施工的橋梁建設(shè)為例，在纜索起重機參數(shù)的控制上，施工人員可以參考表1 所示的繩索系統(tǒng)參數(shù)進行配置。在此基礎(chǔ)上，前期的施工檢查需針對繩索系統(tǒng)的抗滑安全系數(shù)進行分析，確保安全系數(shù)控制在2.0～3.0 之間，配合雙地錨固、臥式地錨固等方式進行加固，并且做好鎖扣的預(yù)埋工作。

表1 纜索起重機參數(shù)配置參考

4.2 使用期間選擇適配的起重設(shè)施

纜索起重機按照適用范圍的不同，可以分為固定式纜索起重機、擺塔式纜索起重機等，因此，為了優(yōu)化纜索起重機在橋梁工程施工中的應(yīng)用效果，施工單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇適配的起重機設(shè)施。以洣水河大橋施工為例，該施工案例中纜索起重機的選擇嚴(yán)格參考施工現(xiàn)場的地貌地形、河流及地質(zhì)條件等因素，具體的根據(jù)為：該橋梁工程跨越大于500m 的距離，相對高差最高達到230m，很顯然，常規(guī)的便道施工無法解決橋梁工程施工的物流問題。對此，施工單位采用雙弧動式纜索起重機，將主副兩車配置在兩端圓心的軌道之上，兩段長度不同的弧形軌道能夠覆蓋整個施工場地，且能夠應(yīng)對相對高差對起重機運行造成的影響。此外，其他機型的纜索起重機有其相應(yīng)的適用范圍，施工單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)橋梁工程施工的實際情況妥善選擇。如：索軌式起重機的覆蓋范圍類似狹長梯形，適用于在較為平直的橋梁施工中進行作業(yè)；輻射式起重機的一般額定起重量能夠達到9.5t 以上，跨區(qū)更能達到300m 之長，適用于大跨度的橋梁工程施工。

4.3 落實運行前檢查工作

纜索起重機在實際應(yīng)用之前，施工單位需做好對起重機設(shè)施的質(zhì)量檢查工作，確保設(shè)備能夠正式應(yīng)用到工作中。需著重檢查的指標(biāo)有：針對主索垂度進行檢查，設(shè)備承載索垂度的變化不應(yīng)高于5%，其余主索垂度變化按照設(shè)計規(guī)格而定；針對塔架垂直度偏差進行檢查，可接受的最大偏差角度變化幅度為0.05%，位移幅度為0.0025%，超出界定值則起重機不可應(yīng)用于實際施工；針對起重機主要受力部件進行檢查，重點關(guān)注受力構(gòu)件是否出現(xiàn)開裂、位移等現(xiàn)象，檢查方法可以采用外觀檢查或紅油漆法；針對鋼絲繩的規(guī)格與性能進行檢查，一般而言，起重機械鋼絲繩的直徑不應(yīng)小于30mm，在吊裝期間鋼絲繩直徑參數(shù)變化幅度不應(yīng)大于7%，并且嚴(yán)格避免鋼絲繩斷股變形等現(xiàn)象；針對起重機械滑輪的磨損情況進行檢查，槽底直徑的磨損量不應(yīng)超出鋼絲繩直徑的50%。確保所有檢測指標(biāo)均合格之后，纜索起重機才能夠正式應(yīng)用于橋梁施工中。

4.4 做好纜索起重機的試運行工作

纜索起重機的試運行能夠有效排除起重設(shè)施在運行過程中的隱患問題，而試運行工作需要抓住以下工作要點：首先，完成纜索起重機設(shè)施的安裝之后，施工人員需要嚴(yán)格按照施工規(guī)范調(diào)整塔架纜風(fēng)索，確保塔架的傾角符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（一般以30～70°為宜），并采用空車索道運行的方式試運行多個回合，檢查起重機系統(tǒng)的運行情況。其次，試運行工作需要分多次進行，如：按照設(shè)計吊重的50%、90% 以及110%，或者70%、110%以及130%進行試驗，從中觀察起重機往返運行、靜載的實際情況，如達到設(shè)計要求，便可正式將纜索起重機應(yīng)用于橋梁工程。

5 結(jié)語

總體而言，纜索起重機的設(shè)計與應(yīng)用是橋梁工程施工中的兩項重要環(huán)節(jié)，通過采用精密的計算方式測算纜索起重機各結(jié)構(gòu)設(shè)施是否設(shè)計合理，來保障纜索起重機的安全性能和穩(wěn)定性能。同時，施工單位及技術(shù)部門需繼續(xù)研究纜索起重機的設(shè)計與實際施工的要求之間的適配性，通過采用完善的施工技術(shù)方案來指導(dǎo)纜索起重機的施工設(shè)計，才能夠充分發(fā)揮出纜索起重機在橋梁工程中的實際作用。