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摘要：介绍了重庆巫山大宁河桥165t缆索吊机总体设计及其结构特点，以及主索、缆风索和后锚的设计，对缆索吊机设计中的关键技术进行了说明。
关键词：缆索吊机；横移；拱桥
1. 工程概况
重庆巫山大宁河特大桥位于长江三峡风景区内，长江支流大宁河入江口附近，是国家重点公路杭州至兰州线重庆巫山至奉节段高速公路上的一座特大桥。本桥跨越处河谷谷口宽度约700米，地形陡峻，为主跨400m的钢箱桁架上承式拱桥。主桥拱上立柱跨度采用27m，共16跨；引桥采用30m T梁，与主桥相协调。全桥桥跨布置为：5×30+16×27+3×30m，主拱跨度400m，净矢高80米，桥面宽24.5米，桥面距河面180米，桥梁全长682m。
主拱横向为三片拱肋，拱肋安装采用缆索吊装系统吊装到位，用扣索系统锚固定位；缆塔支撑在扣塔顶上。主拱肋横向三片分次吊装，单片桁架拱肋分18个节段，1个拱顶合拢段，全桥共55个节段；全桥最大吊装节段重量为165t，吊装节段最长约28.5m。
缆索吊机缆扣塔位于主体结构两岸位置，巫山、奉节侧工程区为第四系坡残积块碎石夹土，结构较松散。中密实层地基承载力约200～250KPa，密实层地基承载力约400～500KPa，抗滑移摩擦系数0.35～0.45。
2. 缆索吊机总体设计
本桥缆索吊机主要用于安装拱肋节段，拱上立柱及桥面板，其中拱肋节段吊装为控制设计阶段。结合本桥主跨的结构特点和缆索吊机的使用要求，确定缆索吊机的净吊重为165t。根据缆索吊机所处地址地形、地势，缆索吊机施工跨径布置为：200m+432m+200m，跨中主索设计最大垂度为L/12.5＝34.56m。两岸塔顶高程相同，均为362.57米。
缆索吊机系统主要由缆索系统、塔架支撑系统、扣锚系统、锚固系统、天车和支索器系统、机械部分和滑移系统等组成。
图1. 缆索吊机总体布置
2.1. 缆索系统
缆索系统包括主索、起重索、牵引索、缆风索。缆索系统沿横桥向布置2组主索，上下游各一组，每组主索由12φ52钢丝绳组成，索间距13.8cm，两组主索中心距4m，主索均支承于缆塔塔顶索鞍，两端接入后锚锚固，形成三跨连续缆索结构。起重索用于控制吊运构件的升降（即垂直运输），其一端缠绕于卷扬机滚筒上，另一端跨过塔架固定于起重卷扬机对岸的锚碇上，这样，当跑车在承重索上来往运行时，可保持跑车与吊钩间的起重索长度一致。起重索采用φ26纤维芯钢丝绳走8布置，選用8台10t起重卷扬机。牵引索用于牵引跑车沿桥跨方向在承重索上移动（即水平运输），牵引索采用φ32.5麻芯钢丝绳走4 布置，采用循环方式牵引，选用2台15t起重卷扬机。
表1 各类绳索参数
项目 主索 起重索 牵引索
型号 6×37+PPC 6×37+PPC 6×37+PPC
根数—直径（mm） 2×12φ52 2×2φ26 2×2φ32
单位重量（kg/m） 9.11 2.28 3.45
公称抗拉强度（MPa） 1670 1670 1670
破断拉力（t） 133 38.6 50.4
该种类安全系数 3.0～3.5 5～6 4～5
图2. 牵引索走线示意图
2.2. 塔架支撑系统
缆索吊机塔架支撑系统主要由支承缆索系统的缆塔结构和用于固定扣、锚索张拉端的扣塔组成。经多种方案比选，确定扣索塔架与墩顶固结，缆索吊塔架铰接于扣索塔架之上的方式。
缆塔由西乙型万能杆件组拼而成，塔架横向为3组4m×2.56m万能杆件双立柱塔柱，上、下游塔柱中心至中塔柱中心均为10m，并分别铰结于扣索塔架上，塔架高度均为26米，且由万能杆件横梁将上、下游塔柱联成一体，构成双门型框架。缆塔塔架为空间桁架结构，稳定问题突出，须设缆风绳，其作用是平衡承重索吊重产生的水平力，控制塔顶位移小于1/300H。滚动索鞍设置在塔架顶上，为放置承重索，起重索、牵引索等用，可以减少钢丝绳与塔架的摩阻力，使塔架承受较小的水平力，并减少钢丝绳的磨损。
扣塔分别由主体5#和6#交界主墩及其上部钢塔组成，上部钢塔立柱采用HW400×400热轧宽翼缘H型钢，横向布置三组塔柱，上、下游塔柱中心至中塔柱中心均为10m，以N型万能杆件作为联结系。扣塔塔底与交界主墩顶固结，缆塔与扣塔之间设铰支座连接，以使缆塔由塔顶缆索不平衡水平力引起的顺桥向偏移在塔底不产生弯矩和水平力，不影响扣塔扣锚体系工作，以保证拱肋吊装安装质量与安全。
图3. 缆塔塔底铰座
2.3. 扣锚系统
扣、锚索均采用φj15.24（Rby=1860MPa）钢绞线。锚点和扣点均采用OVM固定端P型锚具进行锚固。扣（锚）索最小倾角为6°，最大倾角为48°。扣（锚）索体系张拉点均布置于扣塔上。
扣索通过锚箱与扣点拉板销接进行锚固，拉板内侧与拱肋腹板内侧对齐；锚索锚固采用两种形式，巫山、奉节侧1#～5#锚索均锚固在主体结构拱座或承台上，6#～9#锚索采用独立锚碇进行锚固。两岸各设两个整体式钢筋混凝土锚碇，所有预埋件均须保证预埋深度及预埋角度。锚碇为预应力锚索式锚碇，锚碇抗滑移稳定系数不小于1.3，为保证锚碇基础的安全，基坑周边设置截水沟，并用浆砌石固面。
扣锚系统在设计过程中，充分利用主体结构受力，锚索尽量锚固在各主墩承台上，以减少锚体结构的工程量。钢塔主体结构设计充分利用工地现有资源，立柱均采用工地现有的热轧宽翼缘H型钢，联结系采用N型万能杆件，在保证主体结构刚度、强度的前提下最大限度减少新制杆件数量，节省开支。各组锚（扣）索力线交点均在扣塔中心线上，避免竖向合力偏心引起的立柱受力不均匀；塔上锚固将锚点合理布置于焊接锚梁上，扣（锚）索力线交于锚固梁中心，形成双向无扭转自平衡式简支受力体系，受力明确合理；锚梁传力通过强大的分配梁体系，均匀传递至各个立柱。并且张拉点集中布置于扣塔上，张拉设备倒用方便，提高了劳动效率。
2.4. 滑移系统
主拱肋横向由三片拱肋组成，为适应横向三片拱肋吊装的需要，缆索吊主索系统在缆塔塔顶采用横向移动形式，即主索鞍在塔顶横向设置滑道使主索在空载时进行横向移动，塔顶鞍座滑道梁由两根新制箱梁组成，设横向限位装置，滑道面焊接不锈钢板并涂润滑油，保证滑道面摩擦系数小于0.2。最大吊重时最大横移水平距离为10m，最大横向水平角为3.72°。
为保证缆索吊主索系统在横移时可随时定位，横移滑道梁腹板上每500mm设置一个定位孔，定位孔及销轴起双重作用，既可定位反力座承受千斤顶传来的弯矩和剪力，也可定位鞍座防止其移动。
2.5. 缆风系统
缆风索系统为平衡主索吊重时产生的水平力而设，上、下游各4组，由通风缆及后风缆组成，为不影响索鞍横向移动，缆风索设置于缆塔两侧，后风缆通过一个预埋件锚固在扣锚索锚碇上，在塔顶上滑道梁两侧通过滑轮转向后再次回到扣锚索锚碇上的另一个缆风预埋件上固定。
2.6. 后锚系统
锚碇系统为锚固承重索用，锚碇在缆索吊机吊装过程中，对安全有决定性的影响。两侧锚碇根据所在位置的地质情况分别采用不同的受力方式设计。奉节侧锚碇位置处地质情况较好，岩石为弱风化岩，其整体性及承载力均能满足岩锚的受力需要，故采用斜向岩锚直接传力，每4根斜锚索对应6根主索，抗拔安全系数1.36，大于规范要求1.3，竖向锚索作为安全储备，起辅助作用；而巫山侧锚碇位置处地质情况较差，破碎岩石的覆盖层较厚，如采用斜向岩锚直接受力则钻孔很深，而且容易塌孔，既不经济也不安全，故考虑使用重力式锚碇，竖向锚索为主要受力锚索，摩擦系数按0.35考虑，抗滑移安全系数1.62，大于规范要求1.3，斜向锚索作为安全储备，起辅助作用。
图3 巫山侧锚碇示意 图4 奉节侧锚碇示意
3. 结语
大宁河桥缆索吊机于2008年6月初开始吊装第一个拱肋节段，至11月初完成全桥55个拱肋节段的安装工作。通过现场的施工监控和对各类监控数据的分析，主索垂度及塔顶位移均与设计计算值吻合较好，缆索吊机工作正常，为全桥顺利竣工提供了有效保障，取得了较好的经济效益。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：缆索吊机；横移；拱桥
1. 工程概况
重庆巫山大宁河特大桥位于长江三峡风景区内，长江支流大宁河入江口附近，是国家重点公路杭州至兰州线重庆巫山至奉节段高速公路上的一座特大桥。本桥跨越处河谷谷口宽度约700米，地形陡峻，为主跨400m的钢箱桁架上承式拱桥。主桥拱上立柱跨度采用27m，共16跨；引桥采用30m T梁，与主桥相协调。全桥桥跨布置为：5×30+16×27+3×30m，主拱跨度400m，净矢高80米，桥面宽24.5米，桥面距河面180米，桥梁全长682m。
主拱横向为三片拱肋，拱肋安装采用缆索吊装系统吊装到位，用扣索系统锚固定位；缆塔支撑在扣塔顶上。主拱肋横向三片分次吊装，单片桁架拱肋分18个节段，1个拱顶合拢段，全桥共55个节段；全桥最大吊装节段重量为165t，吊装节段最长约28.5m。
缆索吊机缆扣塔位于主体结构两岸位置，巫山、奉节侧工程区为第四系坡残积块碎石夹土，结构较松散。中密实层地基承载力约200～250KPa，密实层地基承载力约400～500KPa，抗滑移摩擦系数0.35～0.45。
2. 缆索吊机总体设计
本桥缆索吊机主要用于安装拱肋节段，拱上立柱及桥面板，其中拱肋节段吊装为控制设计阶段。结合本桥主跨的结构特点和缆索吊机的使用要求，确定缆索吊机的净吊重为165t。根据缆索吊机所处地址地形、地势，缆索吊机施工跨径布置为：200m+432m+200m，跨中主索设计最大垂度为L/12.5＝34.56m。两岸塔顶高程相同，均为362.57米。
缆索吊机系统主要由缆索系统、塔架支撑系统、扣锚系统、锚固系统、天车和支索器系统、机械部分和滑移系统等组成。
图1. 缆索吊机总体布置
2.1. 缆索系统
缆索系统包括主索、起重索、牵引索、缆风索。缆索系统沿横桥向布置2组主索，上下游各一组，每组主索由12φ52钢丝绳组成，索间距13.8cm，两组主索中心距4m，主索均支承于缆塔塔顶索鞍，两端接入后锚锚固，形成三跨连续缆索结构。起重索用于控制吊运构件的升降（即垂直运输），其一端缠绕于卷扬机滚筒上，另一端跨过塔架固定于起重卷扬机对岸的锚碇上，这样，当跑车在承重索上来往运行时，可保持跑车与吊钩间的起重索长度一致。起重索采用φ26纤维芯钢丝绳走8布置，選用8台10t起重卷扬机。牵引索用于牵引跑车沿桥跨方向在承重索上移动（即水平运输），牵引索采用φ32.5麻芯钢丝绳走4 布置，采用循环方式牵引，选用2台15t起重卷扬机。
表1 各类绳索参数
项目 主索 起重索 牵引索
型号 6×37+PPC 6×37+PPC 6×37+PPC
根数—直径（mm） 2×12φ52 2×2φ26 2×2φ32
单位重量（kg/m） 9.11 2.28 3.45
公称抗拉强度（MPa） 1670 1670 1670
破断拉力（t） 133 38.6 50.4
该种类安全系数 3.0～3.5 5～6 4～5
图2. 牵引索走线示意图
2.2. 塔架支撑系统
缆索吊机塔架支撑系统主要由支承缆索系统的缆塔结构和用于固定扣、锚索张拉端的扣塔组成。经多种方案比选，确定扣索塔架与墩顶固结，缆索吊塔架铰接于扣索塔架之上的方式。
缆塔由西乙型万能杆件组拼而成，塔架横向为3组4m×2.56m万能杆件双立柱塔柱，上、下游塔柱中心至中塔柱中心均为10m，并分别铰结于扣索塔架上，塔架高度均为26米，且由万能杆件横梁将上、下游塔柱联成一体，构成双门型框架。缆塔塔架为空间桁架结构，稳定问题突出，须设缆风绳，其作用是平衡承重索吊重产生的水平力，控制塔顶位移小于1/300H。滚动索鞍设置在塔架顶上，为放置承重索，起重索、牵引索等用，可以减少钢丝绳与塔架的摩阻力，使塔架承受较小的水平力，并减少钢丝绳的磨损。
扣塔分别由主体5#和6#交界主墩及其上部钢塔组成，上部钢塔立柱采用HW400×400热轧宽翼缘H型钢，横向布置三组塔柱，上、下游塔柱中心至中塔柱中心均为10m，以N型万能杆件作为联结系。扣塔塔底与交界主墩顶固结，缆塔与扣塔之间设铰支座连接，以使缆塔由塔顶缆索不平衡水平力引起的顺桥向偏移在塔底不产生弯矩和水平力，不影响扣塔扣锚体系工作，以保证拱肋吊装安装质量与安全。
图3. 缆塔塔底铰座
2.3. 扣锚系统
扣、锚索均采用φj15.24（Rby=1860MPa）钢绞线。锚点和扣点均采用OVM固定端P型锚具进行锚固。扣（锚）索最小倾角为6°，最大倾角为48°。扣（锚）索体系张拉点均布置于扣塔上。
扣索通过锚箱与扣点拉板销接进行锚固，拉板内侧与拱肋腹板内侧对齐；锚索锚固采用两种形式，巫山、奉节侧1#～5#锚索均锚固在主体结构拱座或承台上，6#～9#锚索采用独立锚碇进行锚固。两岸各设两个整体式钢筋混凝土锚碇，所有预埋件均须保证预埋深度及预埋角度。锚碇为预应力锚索式锚碇，锚碇抗滑移稳定系数不小于1.3，为保证锚碇基础的安全，基坑周边设置截水沟，并用浆砌石固面。
扣锚系统在设计过程中，充分利用主体结构受力，锚索尽量锚固在各主墩承台上，以减少锚体结构的工程量。钢塔主体结构设计充分利用工地现有资源，立柱均采用工地现有的热轧宽翼缘H型钢，联结系采用N型万能杆件，在保证主体结构刚度、强度的前提下最大限度减少新制杆件数量，节省开支。各组锚（扣）索力线交点均在扣塔中心线上，避免竖向合力偏心引起的立柱受力不均匀；塔上锚固将锚点合理布置于焊接锚梁上，扣（锚）索力线交于锚固梁中心，形成双向无扭转自平衡式简支受力体系，受力明确合理；锚梁传力通过强大的分配梁体系，均匀传递至各个立柱。并且张拉点集中布置于扣塔上，张拉设备倒用方便，提高了劳动效率。
2.4. 滑移系统
主拱肋横向由三片拱肋组成，为适应横向三片拱肋吊装的需要，缆索吊主索系统在缆塔塔顶采用横向移动形式，即主索鞍在塔顶横向设置滑道使主索在空载时进行横向移动，塔顶鞍座滑道梁由两根新制箱梁组成，设横向限位装置，滑道面焊接不锈钢板并涂润滑油，保证滑道面摩擦系数小于0.2。最大吊重时最大横移水平距离为10m，最大横向水平角为3.72°。
为保证缆索吊主索系统在横移时可随时定位，横移滑道梁腹板上每500mm设置一个定位孔，定位孔及销轴起双重作用，既可定位反力座承受千斤顶传来的弯矩和剪力，也可定位鞍座防止其移动。
2.5. 缆风系统
缆风索系统为平衡主索吊重时产生的水平力而设，上、下游各4组，由通风缆及后风缆组成，为不影响索鞍横向移动，缆风索设置于缆塔两侧，后风缆通过一个预埋件锚固在扣锚索锚碇上，在塔顶上滑道梁两侧通过滑轮转向后再次回到扣锚索锚碇上的另一个缆风预埋件上固定。
2.6. 后锚系统
锚碇系统为锚固承重索用，锚碇在缆索吊机吊装过程中，对安全有决定性的影响。两侧锚碇根据所在位置的地质情况分别采用不同的受力方式设计。奉节侧锚碇位置处地质情况较好，岩石为弱风化岩，其整体性及承载力均能满足岩锚的受力需要，故采用斜向岩锚直接传力，每4根斜锚索对应6根主索，抗拔安全系数1.36，大于规范要求1.3，竖向锚索作为安全储备，起辅助作用；而巫山侧锚碇位置处地质情况较差，破碎岩石的覆盖层较厚，如采用斜向岩锚直接受力则钻孔很深，而且容易塌孔，既不经济也不安全，故考虑使用重力式锚碇，竖向锚索为主要受力锚索，摩擦系数按0.35考虑，抗滑移安全系数1.62，大于规范要求1.3，斜向锚索作为安全储备，起辅助作用。
图3 巫山侧锚碇示意 图4 奉节侧锚碇示意
3. 结语
大宁河桥缆索吊机于2008年6月初开始吊装第一个拱肋节段，至11月初完成全桥55个拱肋节段的安装工作。通过现场的施工监控和对各类监控数据的分析，主索垂度及塔顶位移均与设计计算值吻合较好，缆索吊机工作正常，为全桥顺利竣工提供了有效保障，取得了较好的经济效益。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看