張永強(qiáng)
(中鐵十七局集團(tuán)城市建設(shè)有限公司,貴州貴陽 550000)
目前,纜索起重機(jī)憑借其大跨距架空承載構(gòu)件的優(yōu)勢(shì),能夠應(yīng)用于橋梁工程當(dāng)中,作為懸吊運(yùn)輸工具使用,進(jìn)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(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用需要嚴(yán)格參考《纜索起重機(jī)型式試驗(yàn)細(xì)則》(TSG Q7009—2007)的施工規(guī)范,對(duì)起重機(jī)設(shè)施的設(shè)計(jì)過程進(jìn)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(jì)的合理性,最終才能有效應(yīng)用于橋梁工程中。
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(jì)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(duì)此,纜索起重機(jī)的索道主跨設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)大于橋梁?jiǎn)慰字骺缂s25%;橋梁拱肋的矢量高度達(dá)到平均35m 的水平,而塔架的設(shè)計(jì)高度需超出矢量高度100%,因此起重機(jī)塔架設(shè)計(jì)高度最佳值應(yīng)取65~70m;橋梁拱肋中心的平均間距達(dá)到19m,因此塔架寬度的設(shè)計(jì)取值應(yīng)在23~26m 之間,才能確保起重機(jī)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(jī)械檢查與維護(hù)規(guī)程》(GB/T 31052.1—2014)的規(guī)范要求,起重機(jī)械塔架必須具備充足的穩(wěn)定性與抗性強(qiáng)度,密封式主索需要同時(shí)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(jì)設(shè)計(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)原則,有利于提高纜索起重機(jī)在橋梁施工中的穩(wěn)定性。
主索的設(shè)計(jì)可以根據(jù)橋梁工程的跨度進(jìn)行選擇,例如,針對(duì)長(zhǎng)度為500m 左右的大跨度橋梁,施工單位的纜索起重機(jī)應(yīng)采用三跨主索的形式進(jìn)行設(shè)計(jì),具體的做法為:纜索起重機(jī)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(jìn)行加固;在起重索的設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行作業(yè);在牽引索的設(shè)計(jì)上,考慮到繩索并非定向的運(yùn)動(dòng)形式,所以,牽引索系統(tǒng)需要搭載若干慢速卷揚(yáng)機(jī),才能夠?qū)崿F(xiàn)牽引系統(tǒng)的多項(xiàng)驅(qū)動(dòng),并且由牽引索的規(guī)格來決定卷揚(yáng)機(jī)的規(guī)格,如:5t 卷揚(yáng)機(jī)可搭配φ21mm 及以上規(guī)格的鋼絲繩索進(jìn)行布置,卷揚(yáng)機(jī)設(shè)置于錨定位置的后方,以便實(shí)施有效牽引[1]。
在纜索起重機(jī)的繩索設(shè)計(jì)上,各種繩索的安全系數(shù)需要達(dá)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(jì)安全系數(shù)以此類推。因此,在起重機(jī)繩索的設(shè)計(jì)中,需要借助計(jì)算得出纜索是否具備相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(huì)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(yùn)行時(shí)的張力,而多跨主索在多種情況下的受力計(jì)算應(yīng)當(dāng)參考式(1)進(jìn)行分析。當(dāng)纜索起重機(jī)的矢跨比達(dá)到5%~10%之間時(shí),其設(shè)計(jì)的取值最為合理。
纜索起重機(jī)三跨主索計(jì)算公式:
式(1)中:Wcable表示主索自重;γ 表示主索單位長(zhǎng)度的線密度;Acable表示主索橫截面積;Lcable表示主索長(zhǎng)度。
與此同時(shí),相關(guān)人員需要對(duì)纜索起重機(jī)的主索最大拉力進(jìn)行驗(yàn)算,并對(duì)比纜索起重機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),判斷其最大拉力、水平拉力的設(shè)計(jì)是否合格,計(jì)算方法如式(2)所示。
主索最大拉力計(jì)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。
起重機(jī)承載索的設(shè)計(jì)需要針對(duì)多項(xiàng)物理參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì),所以可以借助計(jì)算機(jī)程序輔助計(jì)算。以兩端固定式承載索的程序計(jì)算為例,通過將起重機(jī)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(jì)算參數(shù),通過計(jì)算機(jī)程序計(jì)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(jì)算參數(shù)能夠用于承載索的校驗(yàn)與比對(duì),最終,由施工人員選擇出最符合計(jì)算參數(shù)的承載索規(guī)格用于實(shí)際施工,保障纜索起重機(jī)的使用效能。而能夠用于計(jì)算承載索初始參數(shù)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)程序下的承載索參數(shù)設(shè)計(jì)流程
纜索起重機(jī)的塔架高度設(shè)計(jì)與主索的最大撓度、臨空高度以及塔架底端與橋梁最高點(diǎn)的高度差有所關(guān)聯(lián),在設(shè)計(jì)過程中,需要同時(shí)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(jì)算的方法如式(3)所示,其中需要注意的是,一般纜索起重機(jī)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(jì)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(jì)算參數(shù)。
一般纜索起重機(jī)塔架高度計(jì)算:
式(3)中:H高表示塔架設(shè)計(jì)高度;Fmax表示起重機(jī)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(diǎn)的間距差。
塔架的設(shè)計(jì)與計(jì)算需要以塔架結(jié)構(gòu)或支座的設(shè)計(jì)情況為出發(fā)點(diǎn),在一般情況下,塔架的水平荷載需要由多個(gè)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(jì)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(chǎng)的場(chǎng)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(jì),才能夠使施工更加靈活便利[2]。
運(yùn)輸與吊載施工材料是纜索起重機(jī)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(huì)使用到纜索起重機(jī)輔助施工作業(yè)。典型的代表有:橋梁施工的主墩承臺(tái)澆筑時(shí),需要采用大體積混凝土進(jìn)行不間斷澆筑,但考慮到地貌因素對(duì)混凝土運(yùn)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(jī)將混凝土吊裝至需澆筑的施工位置。相較于管道運(yùn)輸混凝土,起重機(jī)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(shí)的灌實(shí)程度。
纜索起重機(jī)能夠通過吊鉤綁定施工機(jī)械,起升后通過靜載的方式調(diào)往目的地點(diǎn),使施工機(jī)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(duì)橋梁工程左右兩岸的施工器械進(jìn)行調(diào)送運(yùn)輸,纜索起重機(jī)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(jī)吊至左岸卸貨平臺(tái),次日將DH215-9 型挖掘機(jī)及自卸車、裝載機(jī)等設(shè)備調(diào)運(yùn)過江,調(diào)運(yùn)效率之高使施工的進(jìn)度得到有效保障。
纜索起重機(jī)能夠用于吊運(yùn)施工電箱、工具箱等施工資源。以雅礱江的纜索起重機(jī)應(yīng)用為例,通過以纜索起重機(jī)調(diào)運(yùn)方案代替施工棧道運(yùn)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(shí)運(yùn)輸?shù)膯栴},使該橋梁工程的工期相較預(yù)期計(jì)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(jī)在橋梁施工中具有顯著的應(yīng)用價(jià)值[3]。
只有嚴(yán)格控制纜索起重機(jī)內(nèi)鋼索直徑、型號(hào)、工程強(qiáng)度及折舊系數(shù)等參數(shù),才能夠確保纜索起重機(jī)能夠正常應(yīng)用于實(shí)際的橋梁工程中。以主跨度超200m,并采取無支架吊裝形式進(jìn)行施工的橋梁建設(shè)為例,在纜索起重機(jī)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(jìn)行配置。在此基礎(chǔ)上,前期的施工檢查需針對(duì)繩索系統(tǒng)的抗滑安全系數(shù)進(jìn)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(jìn)行加固,并且做好鎖扣的預(yù)埋工作。
表1 纜索起重機(jī)參數(shù)配置參考
纜索起重機(jī)按照適用范圍的不同,可以分為固定式纜索起重機(jī)、擺塔式纜索起重機(jī)等,因此,為了優(yōu)化纜索起重機(jī)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(chǎng)實(shí)際情況,選擇適配的起重機(jī)設(shè)施。以洣水河大橋施工為例,該施工案例中纜索起重機(jī)的選擇嚴(yán)格參考施工現(xiàn)場(chǎng)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(duì)高差最高達(dá)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(duì)此,施工單位采用雙弧動(dòng)式纜索起重機(jī),將主副兩車配置在兩端圓心的軌道之上,兩段長(zhǎng)度不同的弧形軌道能夠覆蓋整個(gè)施工場(chǎng)地,且能夠應(yīng)對(duì)相對(duì)高差對(duì)起重機(jī)運(yùn)行造成的影響。此外,其他機(jī)型的纜索起重機(jī)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(shí)際情況妥善選擇。如:索軌式起重機(jī)的覆蓋范圍類似狹長(zhǎng)梯形,適用于在較為平直的橋梁施工中進(jìn)行作業(yè);輻射式起重機(jī)的一般額定起重量能夠達(dá)到9.5t 以上,跨區(qū)更能達(dá)到300m 之長(zhǎng),適用于大跨度的橋梁工程施工。
纜索起重機(jī)在實(shí)際應(yīng)用之前,施工單位需做好對(duì)起重機(jī)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(duì)主索垂度進(jìn)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(jì)規(guī)格而定;針對(duì)塔架垂直度偏差進(jìn)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(jī)不可應(yīng)用于實(shí)際施工;針對(duì)起重機(jī)主要受力部件進(jìn)行檢查,重點(diǎn)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(duì)鋼絲繩的規(guī)格與性能進(jìn)行檢查,一般而言,起重機(jī)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(duì)起重機(jī)械滑輪的磨損情況進(jìn)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(cè)指標(biāo)均合格之后,纜索起重機(jī)才能夠正式應(yīng)用于橋梁施工中。
纜索起重機(jī)的試運(yùn)行能夠有效排除起重設(shè)施在運(yùn)行過程中的隱患問題,而試運(yùn)行工作需要抓住以下工作要點(diǎn):首先,完成纜索起重機(jī)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)(一般以30~70°為宜),并采用空車索道運(yùn)行的方式試運(yùn)行多個(gè)回合,檢查起重機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。其次,試運(yùn)行工作需要分多次進(jìn)行,如:按照設(shè)計(jì)吊重的50%、90% 以及110%,或者70%、110%以及130%進(jìn)行試驗(yàn),從中觀察起重機(jī)往返運(yùn)行、靜載的實(shí)際情況,如達(dá)到設(shè)計(jì)要求,便可正式將纜索起重機(jī)應(yīng)用于橋梁工程。
總體而言,纜索起重機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是橋梁工程施工中的兩項(xiàng)重要環(huán)節(jié),通過采用精密的計(jì)算方式測(cè)算纜索起重機(jī)各結(jié)構(gòu)設(shè)施是否設(shè)計(jì)合理,來保障纜索起重機(jī)的安全性能和穩(wěn)定性能。同時(shí),施工單位及技術(shù)部門需繼續(xù)研究纜索起重機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)的施工設(shè)計(jì),才能夠充分發(fā)揮出纜索起重機(jī)在橋梁工程中的實(shí)際作用。