Since the founding of our country, the transportation construction has made greatprogress. The bridge construction has entered a new era. Some large-span bridges havebegun to be built, and suspension bridges play an important role in long-span bridges byvirtue of their own spanning capacity.In the mountainous area, due to the topography, theconstruction site is limited by the terrain, and the bridge components and largeconstruction equipment are very difficult to transport. Therefore, the choice of suspensionbridge stiffening girder hoisting equipment has become the key to suspension bridgeconstruction.At present, the suspension bridge stiffening girder hoisting equipment mainlyincludes cable crane, deck erection gantry, and bridge cranes. However, since the deckerection gantry can only move horizontally when it is no-load, and vertically hoist at thetime of heavy load, and requires the bridge to have certain water transportation conditions,so it is impossible to hoist the stiffening girder of the suspension bridge across theriver.The bridge crane has less lifting capacity and low construction efficiency, and is notsuitable for lifting of large tonnage stiffening girder. However, the cable hoisting methodcan adapt to the stiffening girder lifting under various construction environments.
This paper takes Guizhou Three-span Dahe Bridge as the background, and studies thedesign scheme of the two tower five-span cable hoisting system based on the developmentof the common cable crane, and designs the main components of the scheme and studieskey technologies. This paper mainly includes the following aspects:
(1) In view of the structural characteristics and construction requirements of thesuspension bridge, this paper discusses the differences between the cable crane and otherstiffening girder lifting methods in the construction of the suspension bridge, and analyzesthe characteristics of cable cranes for several suspension bridges in China.
(2) This paper discusses two main basic theories of the main cable calculation, andclarifies the application of two basic theories in practical engineering.
(3) This paper briefly introduces the general situation of the Dahe Bridge Project, andanalyzes the design requirements of the cable crane for the characteristics of the main spanof the suspension bridge and the large weight of the stiffening girder, and clarifies thedesign scheme of the cable crane. This paper summarizes the technical points and layoutof the main components such as bearing cable, hoisting cable, traction cable, cablesupporting device, saddle, lifting device, ground anchoring system, automatic controlsystem, spreader and winch.This paper studies the erection technique of the cable hoistingsystem of the Dahe Super Bridge and summarizes the transportation and installationmethods of the main girder.
(4) According to the actual situation of the suspension bridge, the bearing cables,hoisting cables and traction cables of the mid-span and two-side cable hoisting systems ofthe Dahe Bridge are designed. Finally, the cable members meet the safety requirements.
(5) The design of the side-span tower of the Dahe Bridge is carried out, and the finiteelement software is used to model and analyze the tower under different workingconditions, and the side-span tower is checked to meet the safety requirements.Accordingto the actual situation of the project, the embedded parts and connecting plates of theanchoring system are designed and verified to meet the safety requirements.
Key words: Suspension bridge; The cable hoisting; The erection technique; Thecable member; Tower
目 录
摘 要 ................................................................................................................................. I
Abstract ................................................................................................................................ II
目 录 .............................................................................................................................. IV
第一章 绪论 .........................................................................................................................1
1.1 概述 ........................................................................................................................1
1.2 悬索桥的类型与构造 ............................................................................................1
1.3 悬索桥加劲梁架设方法 ........................................................................................2
1.4 缆索吊机发展及应用现状 ....................................................................................4
1.5 本文主要研究内容及创新点 ................................................................................8
1.5.1 本文主要研究内容 .....................................................................................8
1.5.2 创新点 .........................................................................................................8
第二章 缆索吊机承载索计算方法 ...................................................................................10
2.1 引言 ......................................................................................................................10
2.2 平衡微分方程 ......................................................................................................10
2.3 主索抛物线算法 ..................................................................................................11
2.4 主索悬链线算法 ..................................................................................................13
2.5 本章小结 ..............................................................................................................15
第三章 三跨悬索桥缆索吊装系统 ...................................................................................16
3.1 工程概况 ..............................................................................................................16
3.2 大河特大桥施工缆索吊机 ..................................................................................16
3.3 缆索吊装系统主要组成 ......................................................................................17
3.3.1 承载索 .......................................................................................................17
3.3.2 起重索 .......................................................................................................20
3.3.3 牵引索 .......................................................................................................21
3.3.4 支索器 .......................................................................................................23
3.3.5 索鞍 ...........................................................................................................24
3.3.6 天车装置 ...................................................................................................26
3.3.7 地面锚固系统 ...........................................................................................27
3.3.8 自动化控制系统 .......................................................................................28
3.3.9 吊具 ...........................................................................................................28
3.3.10 卷扬机 .....................................................................................................29
3.4 悬索桥缆索吊装系统施工工艺 ...........................................................................30
3.4.1 索鞍的安装 ...............................................................................................31
3.4.2 跑车的安装 ...............................................................................................32
3.4.3 承载索架设 ...............................................................................................32
3.4.4 牵引索架设 ...............................................................................................34
3.4.5 起重索架设 ...............................................................................................34
3.4.6 支索器系统的安装 ...................................................................................34
3.4.7 缆索吊机拆除 ...........................................................................................35
3.5 钢桁梁的运输与安装 ..........................................................................................36
3.6 本章小结 ..............................................................................................................38
第四章 大河特大桥中跨缆索吊机计算 ...........................................................................39
4.1 引言 ......................................................................................................................39
4.2 计算参数 ..............................................................................................................39
4.3 承载索计算 ..........................................................................................................40
4.3.1 跨中满载工况 ...........................................................................................40
4.3.2 承载索空索架设工况 ...............................................................................41
4.3.3 载重小车位于跨中时工况 .......................................................................42
4.3.4 塔前 20m 最大吊重工况 ..........................................................................43
4.4 起重索计算 ..........................................................................................................44
4.4.1 起重索拉力计算 .......................................................................................44
4.4.2 起重索破断拉力验算 ...............................................................................44
4.4.3 起重索接触应力验算 ...............................................................................45
4.5 牵引索计算 ..........................................................................................................45
4.5.1 牵引力计算 ...............................................................................................45
4.5.2 牵引索破断拉力验算 ...............................................................................46
4.5.3 牵引索接触应力验算 ...............................................................................46
4.6 本章小结 ..............................................................................................................47
第五章 大河特大桥边跨缆索吊机计算 ...........................................................................48
5.1 引言 ......................................................................................................................48
5.2 大坪子侧缆索吊机计算 ......................................................................................48
5.2.1 承载索计算 ...............................................................................................48
5.2.2 起重索计算 ...............................................................................................52
5.2.3 牵引索计算 ...............................................................................................53
5.3 董地侧缆索吊机计算 ..........................................................................................54
5.3.1 承载索计算 ...............................................................................................54
5.3.2 起重索计算 ...............................................................................................58
5.3.3 牵引索计算 ...............................................................................................59
5.4 本章小结 ..............................................................................................................60
第六章 大河特大桥边跨缆索吊机主要设施设计与分析 ...............................................61
6.1 边跨塔架设计与分析 ..........................................................................................61
6.1.1 塔架构造设计 ...........................................................................................61
6.1.2 塔架缆风设计 ...........................................................................................62
6.1.3 塔架建设条件 ...........................................................................................62
6.1.4 计算理论依据和方法 ...............................................................................63
6.1.5 计算模型介绍 ...........................................................................................64
6.1.6 荷载组合工况 ...........................................................................................65
6.1.7 风荷载 .......................................................................................................65
6.1.8 自重 ...........................................................................................................69
6.1.9 各工况下塔架受力分析 ...........................................................................69
6.1.10 塔架结构整体稳定性分析 .....................................................................77
6.2 锚固预埋件设计与验算 ......................................................................................85
6.2.1 锚固预埋件设计 .......................................................................................85
6.2.2 锚固预埋件验算 .......................................................................................86
6.3 锚固连接板设计与验算 ......................................................................................89
6.3.1 锚固连接板设计 .......................................................................................89
6.3.2 锚固连接板验算 .......................................................................................90
6.4 本章小结 ..............................................................................................................93
第七章 结论与展望 ...........................................................................................................94
7.1 结论 ......................................................................................................................94
7.2 展望 ......................................................................................................................95
参考文献 .............................................................................................................................96
发表论文和参加科研情况说明 .........................................................................................99
致谢 ...................................................................................................................................100
第一章 绪论
1.1 概述
在人类文明的发展中，桥梁占有重要的一页，近年来，随着我国的经济不断发展，公路建设事业得到迅猛发展，作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到相应发展。桥梁是供铁路、公路、渠道、管线等跨越河流、山谷或其他障碍并具有承载能力的架空建筑。
作为交通线上重要的工程实体，桥梁既是人类文明的产物，又是人类社会进步与发展的一个重要标志，随着我国桥梁技术的发展，目光已转向了难度更高、跨度更大的桥梁，山区山谷，洲际之间和陆岛之间迫切需要修建大跨度，特大跨度或超长跨度桥梁。比如我国渤海湾海峡、琼州海峡工程等跨海工程，为了避免深水基础施工的困难和高昂的造价，满足超级巨轮通航要求，需要修建 1000 米以上的大跨度甚至是 2000 米以上的超大跨度桥梁。为了满足现代桥梁对大跨径的要求，悬索桥应运而生。悬索桥具有跨越能力大、自身比较灵活、外观优美、受力性能好等特点，这些特点让悬索桥在桥梁建设中独占鳌头，成为特大跨度桥型的主要形式之一[1]。
目前，我国的悬索桥总共不到 40 座，其中双车道悬索桥还不到 10 座，然而国外悬索桥跨径 400 米以上有 59 座，跨径 1000 米及以上的悬索桥有 13 座。根据相关文献统计[2,3]，世界上已建成的最大跨径悬索桥是日本明石海峡大桥[4]，主跨 1990 米，成为悬索桥建设史上的里程碑。我国现代悬索桥起步较晚，近年来迅速发展，先后建成了广东汕头海湾大桥、广东虎门大桥[5,6]、香港青马大桥[7]，江苏江阴长江大桥等一批各具特色的大跨径悬索桥。进入 21 实际以来，我国的大跨径悬索桥建设更是如雨后春笋，相继建成了江苏润扬长江大桥、舟山西堠门大桥、湖南吉首矮寨大桥、江苏泰州长江大桥、南京长江第四大桥等具有世界先进水平的千米以上特大跨径悬索桥。这些悬索桥的诞生，标志着我国的悬索桥建设水平已经跻身于世界先进行列。
1.2 悬索桥的类型与构造
悬索桥的类型可按主缆锚固方式、主缆线形、悬吊跨数、悬吊方式、支撑结构等多种方式进行划分[8]。悬索桥按主缆的锚固方式划分，可分为自锚式和地锚式悬索桥；按主缆线形来划分，可分为双链式悬索桥和单链式悬索桥；地锚式悬索桥按悬吊的孔跨数来划分，可分为单跨悬索桥、两跨悬索桥、三跨悬索桥、多塔多跨悬索悬索桥；按悬吊方式来划分，可分为竖直吊索、三角斜吊索、竖直和斜吊索混合式、悬吊和斜拉组合体系悬索桥；按加劲梁的支承结构来划分，可分为单跨两铰悬索桥、三跨两铰悬索桥及三跨连续悬索桥等[9-10]。
悬索桥是一种很古老的桥型，又称吊桥，是利用主缆和吊索作为加劲梁的悬吊体系，将荷载作用传递到索塔和锚碇的桥梁，其主要构造是:主缆、索塔、锚锭、吊索和加劲梁组成[11]。
（1）主缆
主缆一般是由若干根钢丝索构成一根主缆，材料多为镀锌高强度钢丝主缆，承受自身荷载、加劲梁荷载以及一部分横向风荷载，是悬索桥的主要承重结构。
（2）索塔
索塔一般有钢结构、混凝土结构以及钢混组合三种形式。主要是承担由主缆传递的恒载和活载，同时可以在风荷载和地震荷载作用下，保持悬索桥桥体的整体稳定。
（3）锚碇
锚碇通常可分为隧道式锚碇、重力式锚碇和岩锚 3 种，与悬索桥主缆端头锚固，并将主缆的拉力传递给地基基础。
（4）吊索
吊索是将活载和加劲梁的恒载传递到主缆的构件，可采用柔性绳索结构，也可采用刚性吊杆结构，吊索的布置形式由常规的竖直吊索和斜向吊索两种形式。
（5）加劲梁
悬索桥加劲梁是提供桥面直接承受荷载的梁体结构，加劲梁常见的结构形式有钢桁加劲梁、钢板加劲梁、钢箱加劲梁、混凝土加劲梁。其中在大跨度悬索桥中，常用的结构形式有钢箱加劲梁和钢桁加劲梁两种[12]。
1.3 悬索桥加劲梁架设方法
在悬索桥建设中，悬索桥加劲梁的安装施工是至关重要的。21 世纪以来，我国开始攻克山区悬索桥的各种地质难题，建成了一座座大跨径悬索桥，而大跨径悬索桥加劲梁节段重量一般在几十至数百吨，在悬索桥的施工当中，不易悬臂拼装或浇注，一般采取吊装法施工。目前大跨径悬索桥加劲梁的吊装施工方式有缆载吊装法、缆索吊装法、轨道移梁法、桥面吊装法、顶推法及浮吊法。
（1）缆载吊装法
缆载吊机吊装法是以悬索桥自身的两根主缆为支撑并在主缆上空载行走，行走到施工位置时，再进行垂直吊装加劲梁。缆载吊机的起吊重量大，满足大吨位加劲梁梁段施工要求，当施工地形条件满足有水路和陆路运输条件时，缆载吊装法是一种可行的山区大跨度悬索桥加劲梁吊装方法，我国的虎门大桥、润扬长江大桥[13]、武汉鹦鹉洲长江大桥[14]、江阴长江大桥等都采用缆载吊机来吊装加劲梁。但缆载吊机吊装法也有其弊端，缆载吊机只能空载水平行走，且行走速度较慢，对于工期紧张的实际工程项目来说，会严重影响悬索桥施工进度[15]。
（2）桥面吊装法
桥面吊机法实质上是一种可以沿着已架设加劲梁行走的可旋转起重机。桥面吊机重量轻，自身结构并不复杂，施工流程简单。桥面吊机吊装施工主要是从两侧索塔向跨中方向进行对称施工，采用梁段整体吊装或各组件分别吊装，当一段加劲梁梁段运输到施工位置并进行安装后，桥面吊机继续向前移动，循环施工。目前，悬索桥加劲梁吊装采用桥面吊装法的有贵州坝陵河大桥[16-17]、日本的关门大桥、大鸣门桥和明石海峡大桥等。但桥面吊机自身起吊重量不大，且运梁方式受到施工条件的限制，对于山区大跨径悬索桥，会影响施工进度，造成施工效率低，所以桥面吊机不适合山区大跨径悬索桥加劲梁的吊装，更多的用于斜拉桥加劲梁施工。
（3）轨索移梁法
轨索移梁法是利用悬索桥主缆和吊索作为其承载索和支承构件，并把吊索与轨索用吊索鞍相连，提升设备垂直提升加劲梁后，采用运梁小车运输悬索桥加劲梁沿着轨索移动安装。轨索移梁法的优点很多，既可以垂直提升加劲梁也可以进行水平运输，且不受地形限制，在不满足水路和陆路运输条件的山区峡谷地形，也能进行悬索桥加劲梁吊装施工。我国修建的大跨径矮寨特特大悬索桥就是采用了轨索移梁法，不需要驳船运输加劲梁，解决了矮寨特大桥跨峡谷地形难以进行加劲梁吊装的难题[18]。但轨索移梁法使用时间短，仅在矮寨特大桥使用，技术是尚不成熟，我国还在继续完善其技术。所以，考虑安全性，轨索移梁法并不能广泛应用于山区大跨径悬索桥加劲梁的吊装施工。
（4）缆索吊装法
缆索吊装法是利用缆索结构，主要包括承载索、起重索和牵引索，在悬索桥本身结构上进行布置，可以进行带载水平牵引和垂直起吊的的加劲梁安装方法。缆索吊装法是一个较为全面的悬索桥加劲梁吊装方法，其起吊高度高、吊装重量大、施工速度快，且不受水路和陆路运输条件影响。我国悬索桥加劲梁缆索吊装技术已经较为成熟，有许多大跨度悬索桥已经采用了缆索吊机法来吊装加劲梁，有四渡河特大桥、龙江大桥和清水河大桥等山区大跨径悬索桥。所以缆索吊装法适用于我国山区大跨度悬索桥加劲梁的吊装施工[19-21]。
（5）顶推法
顶推法实质上就是以千斤顶为动力，对悬索桥加劲梁进行推进，到达其安装位置进行安装的方法。顶推法常用于斜拉桥和拱桥加劲梁架设，应用悬索桥加劲梁吊装施工较少。
（6）浮吊法
浮吊法就是直接使用浮吊作为起升设备的吊装方法。浮吊法有自身结构简单、起吊能力大且施工速度快的优点，常用于跨江跨海等悬索桥和斜拉桥加劲梁的吊装施工。但浮吊法缺点也比较集中，其成本较高、起吊高度的限制等缺点大大限制了浮吊法在山区大跨度悬索桥的应用。
1.4 缆索吊机发展及应用现状
在古代，人们经常利用竹藤编制成绳索，并装备滑轮设备，从而跨越峡谷、河流，这就是最早缆索技术的雏形。但由于这种绳索强度极低，容易损坏，安全性能极差，所以这种绳索使用并不广泛，不能利用它进行生产建设，仅作为临时工具使用。直到 19 世纪，钢铁冶炼技术的出现诞生了钢索，人们利用钢索架设来形成运输轨道或进行简单的起重和牵引，这是缆索技术真正开始应用到生产建设当中。随后国外专家开始研究缆索起重技术，设计了关于缆索起重的理论和结构[22-26]。
到了 20 世纪以来，国外缆索起重机技术日渐完善，许多概念和理论被提出，缆索起重机的结构和设计已初步形成，过后的五十年，苏联的缆索起重机制造厂家开始大量生产缆索起重机，并投放到生产建设当中，其他各国也开始接触缆索起重机，并自行研制缆索起重机。同时期我国也对缆索起重机进行了研发，但由于成果较少、进展缓慢，而且吊装起重重量较小，起重小车运行速度较慢，未能真正应用于实际建设当中。直到 21 世纪初，随着我国对公路交通的大力发展，修建了大量的公路、桥梁、水电站，加快了我国的缆索起重机的研发。我国在苏联编写的缆索起重机书籍的基础上，加上已积累的经验，开始自行对缆索起重机进行设计和开发。在之前的工程修建当中，更多的是利用缆索起重机来进行起吊一些材料，比如水电站工程利用缆索起重机吊运混凝土。在经过重庆菜园坝长江大桥施工采用缆索起重机来吊装混凝土构件后，我国从各方面对缆索吊机提出了更高的要求[27-28]。
如今，我国的缆索吊机，在经过各种考验以及我国缆索吊机研究专家的努力下，不论是技术还是起重能力方面，都已走到世界缆索吊机技术的前端。在悬索桥加劲梁施工上，我国是首例采用缆索吊机对其进行吊装施工的国家。我国最早将缆索吊机运用在现代悬索桥加劲梁安装施工中的工程实例是重庆丰都长江大桥和重庆鹅公岩大桥，之后陆续使用缆索吊机施工的悬索桥有重庆忠县长江大桥、重庆万州长江二桥、贵州北盘江大桥[29-30]、湖北四渡河大桥、普利特大桥[31-32]、龙江大桥以及清水河大桥。以下列举其中几例具有技术代表性的悬索桥并分析其施工缆索吊机特点[33]。
（1）鹅公岩大桥[34-35]
重庆长江鹅公岩大桥位于重庆市城市快速路的东西干道的大桥，处于主干道的关键节点上，自成渝高速公路的终点陈家坪起，经大公馆、谢家湾，过鹅公岩大桥后与南岸 4km 于川黔路相连。鹅公岩大桥是主桥主跨为 600m 三跨连续钢箱加劲梁悬索桥，两侧锚碇分别为隧道锚和重力锚。大桥加劲钢箱梁重量较大，最重梁段达到了 174m，所以必须采用能吊装大吨位加劲梁的主梁吊装设备。
由于在大桥主跨跨度范围内，水域的范围不足 600m，未能给驳船提供运输条件，主跨钢箱梁梁段不能通过水路运输到主跨安装位置；大桥两边跨地形险峻，没有基本道路设施条件，故不能通过公路来运输边跨的加劲钢箱梁。经过分析和比较，考虑了缆载吊机方法和缆索吊机方法，由于缆载吊机对水路和陆路运输要求较高，造价成本高，最终鹅公岩大桥选定了缆索吊机作为加劲钢箱梁的吊装施工方法。鹅公岩大桥缆索吊机任意跨都可进行水平运输和起吊，且不需要考虑水路和陆路地形条件影响，解决了缆载吊机的弊端。
图 1-1 鹅公岩大桥
（2）四渡河特大桥[36-37]
四渡河特大桥，位于湖北沪蓉西，其塔顶至谷底高差达 650m，是主跨为 900m单跨双铰钢桁加劲梁悬索桥。四渡河特大桥地质条件复杂、地形险峻且桥体在峡谷之中，是世界上第一座跨度达到 900m 的山区特大悬索桥。结合工程实际，四渡河特大桥的加劲钢桁梁吊装设备采用了缆索吊机设备。四度河特大桥缆索吊装系统采用900m 跨径，设计吊重为 160t，主要由塔架、跑车、缆索系统、起吊系统和锚碇组成。
四渡河特大桥钢桁梁梁段一般是在生产地预先完成加工，再由小车运输到塔架下方组装平台进行拼装。
图 1-2 四渡河特大桥缆索吊机布置图
（3）清水河大桥[38-39]
清水河大桥位于贵州省贵阳市的清水河大峡谷上，大桥连通了瓮安与贵阳。大桥是一座主跨为 1130m 的双塔单跨钢桁梁悬索桥，主缆采用公称抗拉强度 1770MPa的高强度镀锌钢丝，吊索采用公称强度 1770MPa 的钢丝绳吊索，中跨矢跨比为 1/10，两根主缆中心间距为 27m。
清水河大桥下方跨越清水河，两侧为峡谷地形，同时大桥钢桁梁梁段重量达180t，且大桥跨径较大，针对这些问题，进行分析和模拟，最终采用了缆索吊装系统来吊装清水河大桥钢桁梁。清水河大桥缆索吊机最大的特点就是其结构可以和悬索桥本身的结构相结合，缆索吊机塔架采用了悬索桥的主塔，缆索吊机锚固在悬索桥自身的锚碇上，这样大大简化了施工工序，降低了施工难度，并且优化了大桥施工成本。
