正文主题及目录

1.1 我国拱桥发展过程和现状 

在我国公路桥梁系列中，拱桥作为一种古老的桥式以其跨越能力大、承载能力高、可用地方材料、造价经济、养护维修费用少、造型美观等特有的技术优势而成为建筑历史最悠久、竞争力较强。并且常盛不衰，不断发展的桥梁形式。据统计，中国已建单跨100m以上的拱桥115座之多。拱桥仍是我国公路桥梁大跨度桥梁的主要桥型之一。我国公路拱桥的发展，可粗略地分为四个阶段。第一阶段是50年代到60年代中。绝大多数是中小石拱桥，当时也研究过片石混凝土拱桥等，但未能推广。最大跨度拱桥是1961年建成的云南南盘江上的长虹桥(单跨112．5m空胶式石拱桥)。第二阶段是60年代中至70年代，主导桥型是低配筋双曲拱桥。由于双曲拱桥耗用钢材少，施工中能化整为零，需要起重设备少，易于当时搞群众运动，因而得到飞速发展。当时也研究过中小跨径混凝土预制块拱、二铰拱等少筋拱桥。最大跨度是1968年建成的河南嵩县前河大桥(跨度150m，双曲拱桥)。第三阶段是70年代末到80年代，主导桥型是大中跨预制钢筋混凝土箱(肋)型拱桥。采用无支架吊装架设法建成的最大跨度是四川宜宾马鸣溪大桥(1979年建成，跨度150m)，采用支架法建成的最大跨度是四川攀枝花市宝鼎大桥(1982年建成，跨度170m)。在这个时期，国外钢筋混凝土拱桥的最大跨度已达390m(南斯拉夫克尔克I桥KrK I，1980年建成)。第四阶段以1990年建成的四川宜宾南门金沙江大桥为标志。该桥系中承式劲性骨架混凝土肋拱桥，跨度240m。居当时中承式拱桥世界第一。宜宾桥采用劲性骨架成拱，悬挂模板，现浇拱肋混凝土，大大减轻了吊装架设重量，保证了成拱安全度．浇注过程中，采用水箱加载调整应力和变形，大大节省了钢材，应用现代电算技术和电测手段进行旅工仿真计算和施工监控，使拱桥施工决策走向了科学化。所取得的设计施工经验和科研成果，极大地推动了我国超大化拱桥技术进步。在随后的几年中．我国几十座跨度100m 以上的拱桥相继建成。1996年建成的广西邕宁邕江大桥跨度选312m，把中承式劲性骨架混凝土拱桥世界记录提高了72m。该桥采用千斤顶斜拉扣挂悬拼架设法悬拼劲性骨拱桁架、浇注拱肋混凝土、调整施工应力和变形，比水箱法更安全稳妥。四川万江大桥也是劲性骨架混凝土拱桥，该桥跨度420m，把上承式拱桥的世界记录由南斯拉夫KRK I大桥的390m提高了30m。在此期间，1995年贵州省建成了跨度330m的江界河大桥，居预应力桁架拱桥世界第一。1995年广东省建成了跨度200m的南海三山西中承钢管混凝十拱桥、居钢管混凝土拱桥世界第一。1991年湖南风凰县建成跨度120m 的鸟巢河大桥，居石拱桥世界第一这些跨度记录和取得的设计施工经验及科研成果说明，目前，我国拱桥已面跃居世界拱桥先进行列。 

1.2我国拱桥的主要结构型式 

1.2.1石拱桥

石拱桥是我国修建最早，类型有肋拱、板拱等。 

1.2.2钢拱桥

我国在90年代后坍发展为世界最大产钢国以前，钢材相对不多，钢拱桥也修建较少。跨度最大的公路钢拱桥是四川攀枝花市3003桥．跨度为181m。 

1.2.3混凝土拱桥

混凝土类型有箱形拱、桁架拱、板拱、肋拱、刚架拱、桁式组合拱、双曲拱、系杆拱、中承式拱、钢管混凝土拱等。其中不少桥型已居世界先进水平。 

1.3我国拱桥无支架的施工方法

近几年，各地建造了多座系杆拱桥，结构上多为刚性拱刚性系杆，一般采用满堂支架施工方法。该方法技术上比较成熟，操作比较简便，缺点是将在较长时间内妨碍航道的通行。而有些运河大桥桥置段航道交通量大，来往的多为大吨位船只或船队，如采用满堂支架施工将很难达到要求，因此决定采用无支架施工。   施工方法是大跨径拱桥最关键的技术。无支架施工是大跨径拱桥的发展方向。　　　

1.3.1缆索吊装法 

缆索吊装施工方法是我国修建大跨度拱桥的主要方法之一。也就是用塔架、缆索和扣索扣挂悬臂拱段，直至合拢。我国一般采用3～7段悬拼，个别多到11段，而且广泛用于多孔。四川宜宾马鸣溪金沙江大桥，为净跨150m钢筋混凝土箱拱，分5段吊装，块件重达70吨。福建南平玉屏山大桥，净跨l00m肋拱，分5段吊装，块件重达59.1吨。四川万江大桥(L=420m)也采用缆索吊装，分11段，段长40m，吊重50余吨。 

1.3.2转体施工法

1.3.2.1平面转体施工

平面转体可分为有平衡重转体和无衡重转体两种。

(1)有平衡重平面转体施工

有平衡重平面转体施工系统由转动体系、平衡体系和牵引体系组成。其中施工的关键结构是转体装置。目前我过使用的转体装置，有以聚四氟乙烯板为滑道的转盘和混凝土球面铰两种。

(2)无平衡重平面转体施工

无平衡重转体施工，是把平衡重转体施工中的拱圈和索拉力，锚在两岸的岩体中，从而节省了庞大的平衡重材料。

1.3.2.2 竖向转体施工

将桥跨分成两个半拱，分别竖向或靠山仰坡，或水平的在简易支架上制拱。待混凝土硬结后，利用牵引、悬吊系统，使半拱在立面上旋转合拢。我国三峡莲沱公路桥，跨度114M中承式钢管混凝土拱，就是用此法。

1.3.2.3 平竖结合转体施工

   在地面条件受到的情况下，采用平面与竖面相结合的转体施工法架设拱桥，有时会取得很好的效果。三跨连续自锚式钢管混凝土拱桥，也是先竖转施工后平转施工，转体13600KN。桥的施工方法。 

1.3.3悬臂桁架法 

　　 将拱圈、立柱、临时或永久的斜拉杆和上弦杆组成的桁架，悬臂施工直至合拢。我国主要用于组合桁拱，均采用悬拼，不需临时杆件，但要用临时预应力筋。跨径330m 的江界河桥用钢人字桅杆作吊机，最大吊重120吨。 

1.3.4刚性骨架和半刚性骨架法 

　　  用型钢做成拱形骨架，围绕骨架浇注混凝土，形成拱嘲我国很少采用烈性骨架法，主要采用半刚性骨架，一般骨架合拢成拱后，分底、腹、顶板三层，自拱脚向拱顶浇注混凝土，为防止骨架失稳，需在拱顶区段压重，随混凝土浇注至拱顶区段而逐步卸载。万江大桥和邕宁邕江大桥，用半刚性骨架法施工，但其骨架角隅，加直径40cm的钢管，骨架合拢后，管内混凝土．以加大骨架刚度。万江大桥采取了把每层混凝土分成6段，对称并同时浇筑，使骨架下挠均匀，避免了一般自拱脚向拱顶浇筑时反复变形较大、拱顶部位需压重及预拱度呈马鞍形等不利因素，是该法的一次重大改进。 

1.3.5拱架施工法 

　　  我国主要利用贝雷架，在上弦加些小杆件形成贝雷拱架，进行施工。如湖南用单层贝雷拱架，并用斜拉索扣挂加劲，拼装建成跨径133m的缆子湾沅水大桥。综上所述可知：目前我国有许多先进且切实可行的施工方法，况且已形成了一套有自己特色的拱桥无支架施工方法即是以缆索吊装为主，结合转体施工法、半刚性骨架法及悬臂桁架法。当然，还须进一步发展和完善。 

1.4我国拱桥的发展方向 

1.4.1圈的轻拱型化 

拱圈轻型化，可减轻对吊装能力的需求，节省上下部构造工程量，节省造价。我国箱形拱，受吊重的，愎板多而厚，其体积可占主拱圈的20～25％ ，而受力上并不需要。因此拱圈轻型化除减薄板件厚度外，还向宽箱，少箱发展，以减少腹扳体积，出现了双箱加顶、底板形成三室箱的拱圈，也出现了向肋拱发展的趋势，或用箱肋，工用矩形肋甚至工字形肋。拱圈的轻型化，对设计和施工也提出了更严的要求。 

1.4.2施工阶段拱圈的轻型化 

　　 直接影响减少吊装能力的需求。一些大跨径拱桥施工阶段采用钢—混凝土组合杆件，或钢管混凝土，合拢后再浇注拱圈，可大大减轻吊装重量。带有钢管的半刚性骨架很可能成为特大跨径拱桥最有前途的施工方法。施工阶段拱圈轻型化后，施工阶段稳定性是关键性技术问题应对各步骤的实际结构，考虑几何非线性和物理非线性的影响，计算每一步骤的稳定系数，保证施工万无一失。 

1.4.3系杆拱中承拱有较多采用的趋势 

　　 系杆拱由于是无推力结构，对墩台要系杆拱由于是无推力结构，对墩台要求，较低，整个桥型结构简便、轻巧，桥面视野开阔，广泛用于公路桥梁。在城市桥梁和平原地区通航河流上，中承拱往往颇受青睐因为它可降低桥高，矢跨比大，可减少推力；桥面建筑高度小，可缩短桥长；造型美观，为城镇增添景色；造价也较低。目前发展趋势较快。 

1.4.4钢管混凝土拱桥迅速发展 

用钢管、或者钢管桁架，架设成拱在钢管内填充砼而形成的拱桥叫钢管砼拱桥。钢管混凝土作为钢—混凝土组台材料的一种，一方面借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性，另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用。提高了混凝土的抗压强度和延性．将钢材和混凝土有机组合起来；在施工方面．钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量轻，进度快，施工用钢量省。由于在材料和施工方法上的优越性，将这种结构用于以受力为主的拱桥是十分合理的。钢管混凝土的出现解决了拱桥材料和施工的两大难题。所以钢管混凝土拱桥目前在我国的发展势头迅猛。

1.5本论文所做的工作

(1)了解我国拱桥的发展过程

(2)确立缆索吊装系统的基本构造组成

(3)对缆索进行理论分析设计

(4)对各索进行拉力验算和内力验算

第2 章 缆索吊装系的构造及缆索设计理论

 缆索吊装系统主要由塔架及风缆、缆索系统、分索装置、跑车、锚固和驱动装置等构成。

2.1缆索吊装系的构造  

2.1.1 塔架

按照所有材料的不同，塔架分为木塔架，钢塔架和钢木混合塔架。最常用的塔架类型有人字型木塔架，桅杆式塔架，和万能杆件塔架等。选择塔架类型的依据是塔架的高度、吊重荷载的大小、材料与设备的供给等。木塔架受材料强度的，一般只适用于塔架高度不超过20m和荷载较小的情况。钢塔架具有强度大，承载能力大，可多次重复使用的优点，所以使用的范围非常广泛。

塔架可以建在桥的两端，也可以直接建立在已经完成的桥梁墩台，塔索顶上。塔架高度应根据施工要求通过计算确定。根据使用特点及要求，两塔架顶部高度标高可以相同，也可以存在高度差，塔架顶部设有支撑并转向承重索的鞍座，塔顶四角用风缆拉紧，以保持塔架稳定，风缆由锚碇装置固定。若塔架较高，应根据其高度加设一层或几层腰缆以增强塔架强度。

塔架施工现场应进行吊装塔的安全稳定性控制：

(1)吊装塔腰部可不设中间层风缆，塔身稳定性满足施工要求

(2)吊装塔承受的最大荷载为塔根部弦杆所受应力，其允许应力不能超过[]

(3)吊装塔顶部会因不平衡水平力作用而产生水平位移；在整个施工过程中，塔顶纵桥向水平位移不允许超过[f]=15cm

(4)吊装塔塔顶水平位移的控制是本桥吊装成功与失败的关键，控制措施是设置塔顶稳定风缆系统。

2.1.2风缆

吊装塔纵向稳定风缆采用钢丝绳对称布置于每岸吊装塔的内外两侧，并用初安装张力进行控制。吊装塔后风缆采用可调是式活动风缆，在缆索吊装系统安装、空载、重载等不同时期可进行风缆调整。

吊装塔横向稳定风缆采用钢丝绳对称布置与吊装塔上下游两侧。

吊装塔内倾横向稳定，利用主索被索兼作保险索，用千斤顶绳搭接锚固在塔顶节部点上。

风缆设置原则是：在吊装塔受竖直力和水平力作用时，塔顶水平位移不得超出吊装塔的强度和刚度索限定的范围，同时，风缆位移产生的水平张力差能平衡塔顶多余的部平衡水平力。

2.1.3承重索

承重索一般由各跨连续布置，中间转点支撑于塔架的索鞍上，两端固定在锚碇装置上。根据布置可以使一跨吊重或两胯吊重，相应的承重索就是三跨或四跨。承重索是跑车的运行轨道，承受全部荷载并通过索鞍传递给塔架。

用作承重索的钢索，必须具备很高的抗拉强度，以承受巨大的张力：并具有抵抗横向压力的良好性能，以承受跑车在载重条件下传来的压力：还必须具有平滑的表面，以减轻跑车车轮的运行阻力和磨损。密封式钢丝绳是最合适用来做承重索的，对于桥梁施工，也常常采用纤维芯钢丝绳。

承重索的直径型号根数应根据其跨度起吊重量设计垂度，计算出所承受的最大拉力而选定。承重索布置成1～2组，有时也采用一组主索和1～2组副索的，每组一般由1～4根钢丝组成。

2.1.４ 起重索

起重索套绕于承重索跑车下联的起重滑车组，供垂直起吊重物之用。起重索一般走数比较多，宜选用柔软耐磨不易产生回捻扭结和自转的钢丝绳。起重索有两种穿绕方法。

第一种穿绕方法是将起重索的一端(死头)与塔架后面的锚碇固定，另一端(活头)穿过跑车滑车组，然后经过导向滑轮引向卷扬机，借助于起重卷筒使吊钩上下移动起吊重物。其优点是允许起吊和运行两个工序联合进行，构件起吊后运行过程中吊高保持不变，其只能给卷扬机持续工作时间短，节省了部分电力。缺点是钢丝绳易于，磨损。但是由于应用简单，常在吊装中采用。

第二种穿绕方法是将起重索死头固定在跑车滑车组上。与前一种穿绕方法相比，其优点是只需在跑车一侧设置分索装置，当跑车运行时，起重索不沿滑轮组的滚轮滚动，因而起重索的磨损和运行阻力比较小。但是跑车运行时，吊物保持在一定高度上，起重卷扬筒和牵引筒必须同步转动，使得驱动设备复杂，操作麻烦。所以，只有在特别要求跑车运行阻力的前提下才考虑使用这种穿绕方法。

2.1.5 牵引索

牵引索为跑车前后做水平移动的拉索，宜选用柔软且具有圆形截面和平滑表面的钢丝绳。穿绕方式也有两种。

第一种穿绕方式是往复式牵引，即每岸各设一个卷扬机，一台前进用，一台后退用。牵引索一端固定在跑车上，另一端穿绕在卷扬机上。操作时应该先适当放松后退端钢丝绳，然后才能牵引起吊构件前进。这种方式可以提供较大的牵引力，但是需用两台卷扬机。

第二种方式为循环牵引，又可以分两种布置：一是无平衡中方式，这种方式是先将牵引索一端固定在跑车车架的一侧，通过导向滑轮引向同侧支架和卷扬机。在卷扬机上缠绕4—5圈后，再经导向滑轮引向跑车的另一侧，并与该侧车架固定在一起，形成一个循环无端索，它借助牵引卷扬机卷筒使跑车左右运行。另外一种是在上面的基础上增设平衡重，目的是保持牵引索中的张力不变。

2.1.6结索

结索的作用是支承分索器件。为减少钢丝绳的规格，结索应尽可能选用与起重索或牵引索相同的规格尺寸。结索一端固定在一端塔架上，然后穿过分索器绕过另一端的支架上的导向滑轮及平衡重滑轮，然后穿过分索器而固定在同一侧的塔架上，形成上下两结索。结索的设置与否由分索装置决定。

2.1.7跑车

跑车是在承重索上运行和起吊重物的装置，可用定型滑车制作，也可以根据吊重的情况的情况自行加工。跑车的构造与承重索的根数设计起重的大小及有无分索装置等因素有关。一般情况跑车主由走行轮、车架、起重滑轮组三部分组成。跑车的横向轮数决定于承重索的根数，纵向排数通常为1～4排。排数越多，轮压越小，承重索磨损越小；跑车轮径越大，承重索磨损也越小。跑车横向轮距由承重索间距决定，纵向应该尽可能地靠近并按等间距布置。跑车车轮多为铸钢件，并装设滚动轴承。跑车车架结构形式很多，但一般都是由连接板、槽钢及角钢焊接或栓接而成。跑车车架上还要设置固定牵引索的拉环。若一组承重索上设两个跑车，其间可用一段钢丝绳连接。

其中滑轮组分上下两组。上滑轮为定滑轮组，与跑车连接在一起，下滑轮组又称为动滑轮组，与构件吊点千斤顶联系在一起。

2.1.8锚固装置

在缆索吊装中，锚固装置的牢固可靠程度，对安全施工具有十分重要的意义。锚碇装置的作用是固定承重索、风缆、卷扬机等。

地垄的特点是将锚固装置埋在土石中，利用土抗力来抵抗钢丝拉力。地垄因埋置的土壤的不同可分为土壤地垄和岩石地垄。土壤地垄因埋设方法的不同又可分为立式地垄和卧式地垄两种。卧式地垄的承载能力大；立式地垄的承载能力较小，常作为绞车、卷扬机的锚固装置。锚碇种类按照形式可分为立式地垄、卧式地垄、抛石地垄和混凝土地垄等，应根据具体的条件合理选折。

2.2 缆索系统的基本计算理论

2.2.1 主索

目前，缆索吊装施工采用的计算理论一般为挠度理论，即认为主索(承重索)在恒载(主索自重几吊具重)作用下取得平衡的几何形状，因活载的介入而改变，且主索因活载产生的拉伸量也应在计算之中考虑。

通常，我们在计算时要加入以下两个基本假设： 

(1)索是理想柔性的，不能受压，也不能受弯；

(2)索的材料符合虎克定律。

索的曲线方程由以下方程确定： 

                            H+q=0                                    (2-1)

式中，H ——索张力水平分量：

       y ——索曲线方程；

       x——坐标；

q——单位长度竖向荷载。

竖向荷载q沿跨度均匀分布则有索曲线方程：

                            y=                                    (2-2)

式中，l——跨长；

c——索两支座高差；

q——单位长度竖向荷载。

若无高差，则有：

                 y=                               (2-3)

               H=                                     (2-4)

式中， f——曲线在跨中垂度。

集中荷载P存在的情况下，有

H=                        (2-5)

   实上，竖向荷载q沿索长均布，索曲线方程与上式不同，但两种方法得出的结果差别很小，特别当f/l＜0.1的时候，两者的最大差值为d/f ＜0.04％，对于实际吊状系统，一般f/l≤0.1，所以将实际荷载分布看作水平均步，误差较小。

2.2.2缆风索

 缆风索，顾名思义就是用来保持吊装索塔的稳定，防止塔顶过大位移而导致吊装系统发生故障的临时结构物。

设计时，一般由塔顶部最大位移，由张力方程计算缆风索张力差，比较此张力差和外荷载的大小，考虑一定的安全系数，检验是否满足要求。不满足，需要调整张力及索根数并重新计算检验，直至满足。

2.2.3牵引和起吊系统

    牵引、起吊系统实际上是卷扬机驱动的滑轮组结构的组合，通过跑车和主缆联系在一起。由于滑轮与索鞍的存在，必须分别校核钢索弯曲作用应力和接触应力。

考虑钢索弯曲作用应力后的牵引索力按下式计算：

                    σ=+                     (2-6)

式中，Tmax——钢索最大张力；

      An——钢截面面积；

      P——钢索受到的垂直作用；

      N——索鞍或滑轮数量；

      E——钢索弹性摸量。

 考虑钢索接触作用应力后的牵引索索力按下式计算：              

                    σ=+EK                                           (2-7)

 式中， d——组成承重索的钢丝直径；

        D——滑轮直径；

        Ce——钢索弹性模量折减系数；(见表2-1)

        E——的弹性模量EK=CeE，

表2-1 常用多股钢丝绳的折减系数和弹性模量

2.2.4扣索

    拱圈合拢前，不能承受自重荷载，必须利用扣索作为拱肋临时稳定及调整措施，扣索的受力特点与斜拉索相仿，一般可选取钢丝绳，平行钢丝或者钢绞线体系作为扣索。在拱肋的线性控制中，扣索索力是重要的观测指标。

    扣索布置应遵循以下原则：满足设计与规范要求；在两岸塔架跨度内沿主拱跨中对称；每岸塔架两侧原则上对称；沿桥轴线横向对称；与地形和施工条件相结合；与钢管混凝土主拱肋安装合拢工艺相结合。

    扣索安装长度计算

扣索下料长度应满足安装长度的需要，扣索在设计温度时无应力下料长度按下式计算：

      L=L0+L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7-L1-L2                           (2-8)

式中：L——钢铰线下料长度(m)

      L0——每根钢铰线的长度基数，是扣锚穿索孔道孔口至转向轮与扣索切点的空间距离

      L1——扣锚穿索孔道长度

      L2——张拉千斤顶支撑架长度

      L3————YCW250千斤顶长度+1/2缸的工作行程(10cm)

      L4——张拉端锚具修正

      L5——工具锚板厚+扣索安全长度(15cm)+张拉调索预留长度；

      L6——扣点长度修正

      L7——P锚板厚(5cm)+扣点加劲梁宽+挤压套长度

    L1——初拉力(安装牵引力)作用下扣索弹性伸长修正；

    L2——扣索垂度修正。

L、L按下式计算：

L1=                          (2-9)

L2=                  (2-10)

式中，T——扣索的安装初拉力(N)；

E——扣索的弹性模量(MPa)；

A——扣索钢铰线的截面面积(m)；

L——L的水平投影长(m)；

——扣索的单位长度重(kN/m)。

第3章 缆索系统设计

3.1承重设计

3.1.1 计算理论选择

关于悬挂索的计算分析，有悬链线理论和抛物线理论两种。抛物线理论实际上是精确悬链线理论的近似。大量的计算表明，当相对垂度1/10时，采用抛物线理式计算的结果与悬链线理论比较，误差在5％之内。所有一般是以垂跨比=1/10作为大小垂度架空缆索的分界，即当相对垂度1/10时时，被称为小垂度缆索，可以采用抛物线理论近似计算方法；当相对垂度>1/10时，被称为大垂度缆索，应该采用精确的悬链线理论计算。

3.1.2 主要设计步骤

(1)垂度选择

承重索的承载能力与其垂度相关。承重索的垂度愈小。张力愈大，承载能力就愈低；反之，增大承重主索垂度，就能提高其承载能力。但垂度过大，将增加塔架高度，而且加大跑车的牵引索力，从而增加动力小消耗，以及施工困难。所以缆索吊车主索的工作垂度一般在l/14~l/20范围内比较合适。

(2)荷载计算

承重索承受的均布荷载除自重外，在有分索装置时，还应将分索装置的有关重量以及工作跨度范围内的起重索、牵引索和结索的重量近似的看作作用于承重索的均布荷载来计算。而且一般假设承重索所受的均布荷载沿弦线分布，所以在两支撑点等高的情况下，均不荷载是水平分布的，即为前面公式中的；在两支撑点不等高时，假设弦线的水平角为，则沿水平跨距分布的换算均布荷载为，即注意应该将这个换算均布荷载代入有关公式计算。

承重索承受的集中荷载应该包括吊重、吊钩、滑轮组以及部分工作索等重量。集中荷载随跑车沿着承重索运动，承重索将受到动力作用。这种动力作用的影响因素极其复杂，很难准确计算，所以一般采用类似于桥梁设计所用的冲击系数法，在工作垂度介于l/14~l/20时，冲击系数0.2~0.3，所以实际用于计算的集中荷载应为。

(3)内力计算

根据作用的集中荷载和均布荷载,按照相应的计算公式,计算主索的水平张力和主索最大张力。

(4)承重索破断拉力验算

安全系数　　　　　                                     (3-1)式中，——承重索钢丝绳的破断拉力，其值等于承重钢丝绳破断拉力总和与捻绕效率的乘积，

                                                            (3-2)

其中0.80~0.90 为捻绕效率系数，

σb为钢丝公称抗拉强度，有5种：分别为1440、1550、1700

1850、2000MPa；为全部钢丝段面积。

(5)承重索应力验算

安全系数                                                        (3-3)

式中，——单根承重索钢丝绳的最大张力；

　　　　——承重索钢丝绳的最大计算应力，分两种情况计算。

1弯曲应力的影响

承重索除承受拉应力，还由于跑车走行轮和支座索鞍等局部作用承受着弯曲应力，考虑弯曲应力效应的最大应力计算公式为

                +                        (3-4)式中，    ——单根承重索钢丝绳的最大张力；

——单根承重索钢丝绳中全部钢丝的断面积；

          ——根承重索上的行车轮数；

          ——根承重索在吊点处承受的总集中荷载;

          ——承重索钢丝绳的弹性模量;

②考虑承重索钢丝绳与跑车滑轮接触应力的验算

                               (3-5)

    式中，——组成承重主索的钢丝绳直径；

          ——跑车平滚最小直径。

其余符号含义同前。

(6)由相应的张力状态方程计算承重索安装张力，然后计算安装垂度有空载安装和带小车安装两种。

3.2 牵引索设计

3.2.1牵引索的最大张力

跑车在主索上运行是依靠牵引索的牵引。跑车靠近塔架时，升角最大，牵引力也最大。当起重索一端固定在塔架上时，牵引索承受的最大张力等于跑车运行时的坡度阻力和摩擦阻力、后牵引索的自然张力与滑轮滚轮的转动阻力之和：

                       (3-6)

若其重索一端固定在跑车或滑车组上，牵引索的最大张力还应该包括起重索运行阻力                                          

Tmax=t0+t1+t2+t3+t4                    (3-7)

(1) 运行的坡度阻力

                               (3-8)

式中，——承重索的荷载，包括吊重、跑车、吊钩、滑轮组以及相应长度的起重索和牵引索重量；

       ——跑车沿承重索运行时的最大升角。

(2) 跑车走行轮与承重索间的摩擦阻力

                            (3-9)

式中，、，含义同上。

　　  ——跑车与承重索钢丝绳的运行阻力系数，可用下式计算：

                       (3-10)

式中，——跑车行走轮轴承摩擦系数：

——跑车行走轮半径(mm);

——跑车行走轮轴承半径；

——跑车行走轮与承重钢丝绳间的滚动摩擦系数，封闭式钢丝绳取0.3~0.4，敞露式取0.5~0.6。

(3) 后牵引索自然张力

                                               (3-11)

式中，——牵引索单位长度重量；

——后牵引索的跨度，在有分索装置时，为相临分索装置间距；

——后牵引索的垂度。

(4)滑轮滚轮的转动阻力W3

                     (3-12)

式中，——滑轮的总阻力系数；

——跑车运行时，在牵引索中转动的导向滑轮数目；

——跑车运行时，在其重索中转动的导向滑轮数目。

(5) 起重索运行阻力

                           (3-13)

式中，——起重索的拉力，见下式；

——起重索穿过滑车的效率，滚珠轴承滑车取0.98，青铜衬套滑车取0.96，无衬套滑车取0.94；

——起重索穿过跑车上的定滑车和下面动滑车的数量。

3.2.2牵引索验算

(1)牵引索破断拉力验算

安全系数

                           (3-14)

式中，TP——牵引钢丝绳的破断拉力；

          tmax——牵引索的最大张力，由前面的公式可求得。

(2)牵引索应力验算

                                       (3-15)

安全系数：  

式中，、——牵引索的弹性摸量、截面面积；

——牵引索的钢丝直径；

——牵引索绕过的滑轮直径；

——牵引索的破断应力。其余符号同上。

3.3 起重索设计

起重索是用来起吊重物做垂直升降运动的。在选用起重索钢丝绳时，必须计算起重索通往卷扬机的单头拉力。同时也是选择卷扬机的依据。

3.3.1起重索绕过卷扬机端的张力

(1)单点起吊

或                      (3-16)

(2)两点起吊

λ                                    (3-17)

式中，——起吊总重；

——滑轮组上起重索工作线数；

——滑轮组效率，取0.96；

——转向滑轮效率，取0.96；

——滑轮组轮数；

——转向滑轮论数；

——受力不均匀系数，可取2/3；

——具有不同转轮数的轮轴工作系数。

3.3.2 起重索验算

(1)破断拉力验算

安全系数：                                (3-18)

式中， _起重索的破断拉力。

(2) 起重索与滑轮接触应力验算

                              (3-19)

安全系数：                    (3-20)

   式中，，——起重索的弹性摸量，截面面积；

         ——起重索的钢丝直径；

         ——起重索绕过的滑轮直径；

         ——起重索的破断应力。

   其余符号同上。

第4章 缆索系统设计及内力验算

4.1缆索系统的总体布置

各单拱肋节段重量是缆索系统设计的主要依据，单节段重量见表4-1。

  表4-1 拱肋各节段吊装重量表

         拱段编号        1#      2#      3#     4#      5#

         重量/kN       163.46   162.09  153.23  75.03     75

         长度/m        16.407   21.692  20.506  10.04     10.04

由表4-1可知，最大吊重节段为一号段，由它控制主索的最大吊重的设计。根据工程经验，在表4-2中给出了缆索系统中各部分的规格尺寸：

表4-2 缆索系统各部分规格表

名称        主索        起重索        牵引索       缆风        扣索 

钢丝绳型号     6×37+1       6×37+1        6×37+1      6×37+1  

采用

ASTMA 416-1860级低松弛钢绞线

右交         右交           右交        右交

    钢丝绳直径/mm    47.5         21.5           21.5         21.5

钢丝直径/mm     2.2           1              1            1

单位长度重      792.9        163.8          163.8        163.8

/(kg/100m)

钢丝总断面积/mm2   843.47       174.27         174.27       174.27

公称强度/Mpa      1813         1666           1666        1666

整绳破断拉力/kN  1253.245      237.825         237.4        237.4

应力安全系数        2            2              2            2

拉力安全系数        3            3              3            3

容许拉力/kN       358.07        67.95           47.48        47.48

钢丝绳

弹性模量/Mpa      75600        75600           75600        75600

基本数据

①缆索跨度：净跨280m；

②设计垂度：按18m考虑，垂跨比为/14.4，满足1/201/14；

③塔高：两侧塔高均取为40m；

④主索：锚固端距离塔左右分别为30m和30m，左右倾角均为30°；

主索布置见图4-1所示。

B

A

    30    280    30

图4-1 主索布置示意图(单位/m)

考虑到现场实际地形，缆索吊跨度为280m，缆索吊设计最大承重35t；主索按两组设计，每组主索采用6根承重索，2组主索中心间距14m，以保证主索中心间距大于最外侧拱肋间间距；最大工作垂度18m，垂跨比1/14.4；两岸主塔高度均为40m，每组主索设两副跑车，每索的一副跑车与另一主索的对应跑车吊一横梁，共设两副横梁用于拱肋的吊装，主缆共设12根，每6根一组，走行小车直径采用31.7cm，共设12个车轮，两组主索中心间距为14m，起重小车下设两个长为15m的63a工字钢，吊重按163.46kN计，其示意图如图4-4所示：

图4-2 天车布置示意

4.2 缆索内力验算

根据以上所给各索具的规格，结合本工程的实际，下面对系统进行计算。

(1) 集中荷载计算：

吊钩、滑轮、起重索：考虑4t；

工字钢121.69.8152=3.575t

吊重16.346t

则总体集中荷载为2×4+2×3.575+16.346 = 31.496t

(2) 均布荷载计算：

①主索重力： 6×79.29N/m = 475.74kN/m

②起重索重力： 2×16.38N/m = 32.76N/m

③牵引索重力： 2×16.38N/m = 32.76N/m

④支索器：20m考虑一个。重量为60N，共14×6×60=5040N，换算均补荷载为18N/m

则总的均布荷载为475.74+32.76×2+18 = 559.26N/m

总重为559.26×280 = 156592.8N

4.2.1 主索计算

(1)计算依据：主索采用6根φ47.5的钢丝绳，计算简图见图4-3。

q

P

图4-3  计算简图

(2)主索的最大张力和相应的垂度

当跑车吊重位于跨中时，主索张力最大。由于两塔架高度相等，β=0，则水平力为

             (4-1)

式中,

、、——集中荷载位于跨中主索在跨中、A塔和B塔处最大水平张力；

——主索受的集中荷载；

——主索的单位重量；

——主索的最大垂度；

——主索跨度。

将314960N， 559.26N/m， 18m， 280m代入得

(559.26×2802)/(8×18)+(3.1496×105×280)/(4×18) = 1.5293304×106N

竖直力公式为(假设A塔不低于B塔)：

               (4-2)

式中，Va、Vb —集中荷载位于跨中时，主索在A塔和B塔处最大垂直力；

其他符号同上。

于是有

(559.26×280)/2+301496×105/2 = 235776.4N

主索的最大张力为

1547398.456N

每根主索拉力为

2579.7 N                 (4-3)

而考虑安全系数后时，1253245/2579.7=4.86>3 满足要求；

当考虑冲击系数时，1253245/102×T单=4.05>3，满足要求。

(3)主索安装计算

假设安装时温度为20℃，工作温度为15℃，故Δ-5℃, 0, 30。

=， =

===34.m

= =280m

安装方程：

               (4-4)

垂度方程：

               (4-5)

式中， 

换算弹性模量：

温差影响：

式中，——单根主索受集中荷载(52493N)

——单根主索截面积(843.47mm2)

——主索弹性模量(7.56×104MPa)

单根主索总重： (559.26×280)/6 = 26098.8N

单根主索水平张力： 

式中，——主索吊构件重量

——工作时均布荷载总重

—主索跨度及第一、二、三跨的跨度；

—主索弧长及第一、二、三跨的弧长；

=30×79.29/cos30°= 2746.61N

下面分情况讨论：

① 主索空索安装时索力计算

显然有

则安装方程为：

解得：

和

在安装温度下：    

在工作温度下：    

② 当小车在跨中时的主索垂度计算(安装支索器)

张力方程为：

解得：

在安装温度下：

在工作温度下：

③当小车走到跨中时的索力计算(安装支索器、牵引索、起重索)

张力方程为：

解得：

相应的垂度为

在安装温度下：

在工作温度下：

④当小车吊物后在跨中时的索力计算

12×52493×(52493+26098.82)=4.9506232×1010

 2129761.75×(2488757.479+26098.82) = 1.455982×1015

==1.344853×1012

1402×2.78154008×1016

张力方程为

解得：

254871N和255753N

相应的垂度为，在安装温度下：

在工作温度下：

+=+=17.94MPa

⑤塔顶位移对主索的影响

当跑车吊重位于跨中时，允许两塔顶向索跨内位移(1/400~1/1600)塔高，取

=0.0875，计算主索的张力和垂度

张力方程为

解得：

98338N

相应的垂度为：

+=+=46.66MPa

(4)主索应力检查

1考虑钢索弯曲作用应力后的主索力按照下式计算：

=                   (4-6)

式中，n——同一缆绳中跑车的车轮数；

其他符号意义同前。

由于843.47mm2， 7.56×10MPa

3.1496×105/6=52493N

=+  MPa

主索安全应力系数：

安全满足设计要求。

2考虑纲索接触作用应力后的主索力按下式计算：

                                        (4-7)

 式中，——主索钢丝直径， = 2.0mm

      ——索鞍平滚的最小直径，选用= 350mm

=+=+  MPa

主索应力安全系数：

安全满足设计要求。

③主索的最大弯曲应力

y

q                       q

                                                                                                         y

图4-4 主索内力计算图式

跑车吊重后，位于塔架前时主索的弯曲最厉害，一般在这种情况下(见图4-5)，考虑主索区作用的应力为最大，应进行验算。

最重要的截段在边跨第一段，1#截段，截段自重163.46kN，1#截段中心到主塔的水平距离为=69.1335m

=  =26098.8N

=

   =12×52493×(52493+26098.82)=4.9506232×1010

   = ( +)=2129761.75×(2488757.479+26098.82)= 1.455982×1015

===1.344853052×1012

       +69.13352×=7.883627577×1015

张力方程为

= 0

解得： 

= 154965N

   =22.02

主索升角：

4.2.2 起吊系统设计

缆索系统共设6t起重卷扬机4台，其中两个设在北岸，两个设在南岸。初步拟订起重索为型钢丝绳。

起重索采用“走6”布置，起重和转向滑轮均采用滚珠轴承滑轮，滑轮系数为。在起重索各段上的拉力值如图4-5所示。

       图4-5 起重索穿绕方式

起重卷扬机收紧拉力：

                                      (4-8)

式中，为考虑拱肋两点起吊的不均匀受力和起吊时的冲击影响，取冲击系数为： =1.5

所以起重卷扬机收紧拉力：

满足工程要求。

这里可以选用6吨的卷扬机作为起重动力。                                                        

(1)起重索的安全系数为： 

(2)应力安全系数

 选用起重滑轮和转向滑轮的直径

 起重索接触应力为：

固端锚固力为：

计算表明，选用φ21.5的钢丝绳作为起重索是满足安全要求的。

4.2.3 牵引系统设计

(1)牵引力

 牵引索的总牵引力由三部分组成

1跑车的运行阻力 

                         (4-9)

式中，——跑车所负载重，即集中力= 314.96kN

      ——跑车运行阻力系数，取= 0.01

——主索升角，r=7.31。

= 314.96×(0.01×0.9919+0.1272)

2起重索运行阻力

   2(1-7)                        (4-10)

式中，               

=5.5937

则

2(1-7) =2×(1-0.987) =7.4254kN

③ 后索引索的松弛张力

                        (4-11)

式中,——跑车后方的第1个分索器离跑车的距离,设为= 20m

——牵引索在上述区2间里的自然垂度,设为= 0.4m

 4.095kN

所以总牵引力为:

54.7074 kN

(2)牵引卷扬机的选择

牵引卷扬机与吊点之间有两个转向滑轮,故收紧拉力与总牵引拉力之间的关系为：

其中滑轮系数为： 

故选用两台9t的牵引卷扬机,并且都设在北岸,南岸固定牵引索.布置如图4-6：

图4-6 牵引索布置图

(3)牵引索安全系数

3拉力安全系数

4考虑接触应力的安全系数为:

                                              (4-12)

式中,—牵引索的总横截面积;

—牵引索采用的钢丝绳的钢丝直径;

计算表明,选用的钢丝绳作为牵引索是满足安全要求的。

第5章 结论

经过两个月的努力完成了本论文，通过本次毕业论文我学到了很多的知识。同时也发现了自己的很多的不足。

本次论文主要针对拉西瓦大桥无支架缆索吊装的施工工艺进行研究，在研究过程中，我懂得了很多东西：

(1)了解了国内无支架施工工艺的现状；

(2)明白了无支架缆索吊装施工工艺的设计方法和步骤；

(3)掌握了主塔与扣塔合在一起的施工技术；

(4)养成了对科学研究严谨的工作作风；

(5)熟悉操作word以及CAD等操作软件；

(6)由于时间仓促，个人水平有限，难免有不足之处，敬请批评指正。

参考文献

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[8] 蔡绍怀.光管混凝土结构的计算与应力[M]北京：中国建筑工业出版社.19.

[9] 陈明清.钢管混凝土拱桥结构动力特性计算与分析[S].西南交通大学硕士学位论文.1999.

致 谢

感谢在本设计中帮助过我们的所有老师，特别是石家庄铁道学院导师向敏老师的精心指导。感谢学校给予我们的关怀及对我们毕业设计的支持。向机房工作人员表示感谢。