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）

0 引言

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。

1 纜索起重機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及建議

1.1 明確纜索起重機(jī)的設(shè)計(jì)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(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。

1.2 主索的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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]。

1.3 主索設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

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。

1.4 承載索的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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

2 纜索起重機(jī)的塔架設(shè)計(jì)與建議

2.1 塔架設(shè)計(jì)方法

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。

2.2 塔架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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]。

3 纜索起重機(jī)在橋梁施工中的應(yīng)用范圍分析

3.1 纜索起重機(jī)用于橋梁施工材料物流

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。

3.2 纜索起重機(jī)用于橋梁施工調(diào)運(yùn)大型器械

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。

3.3 纜索起重機(jī)用于吊運(yùn)其他施工物資

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]。

4 纜索起重機(jī)在橋梁施工中的應(yīng)用要點(diǎn)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(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

4.2 使用期間選擇適配的起重設(shè)施

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。

4.3 落實(shí)運(yùn)行前檢查工作

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。

4.4 做好纜索起重機(jī)的試運(yùn)行工作

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。

5 結(jié)語

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。