龙门大桥主缆双线往复式牵引系统设计与计算分析

作者：韦苡松 李莘哲 林凯

来源：《西部交通科技》2024年第02期

基金项目：广西科技重大专项项目“超千米级悬索桥缆索体系制造与智能施工装备关键技术研究及产业化”（编号：桂科AA22068066）

作者简介：韦苡松（1997—），助理工程师，研究方向：桥梁施工技术。

摘要：文章以龙门大桥主缆双线往复式牵引系统为例，采用Midas Civil有限元软件对牵引系统构件进行计算分析，通过应力、应变与容许值的比较验证其结构性能及安全性，以选出符合施工要求的牵引索直径及卷扬机组型号，进行双线往复式牵引系统设计，指导后续施工。该方法在施工安全质量得到保障的前提下，提高了施工效率，可为同类悬索桥或缆索吊装施工提供借鉴。

关键词：牵引系统；双线往复式；设计与计算 中图分类号：U445.4 0 引言

悬索桥上部结构施工的一个主要组成部分是牵引系统施工，牵引系统按施工过程分为两个阶段，一是猫道架设阶段的牵引系统，二是主缆索股牵引阶段的牵引系统[1]。本文从牵引能力计算及临时支撑结构计算两方面出发，对龙门大桥主缆双线往复式牵引系统进行设计与计算分析，验证双线往复式牵引系统对主缆索股的牵引能力，并采用Midas Civil有限元软件，对牵引系统中的重要支撑构件进行强度及刚度的计算，判断其是否符合设计要求。 1 工程概况

广西滨海公路龙门大桥是广西在建的最大跨径全漂浮体系悬索桥，主跨1 098 m，主桥长1 198 m，全桥共设两根主缆，索塔主缆中心距为33.8 m，锚碇处主缆中心距为36.2 m。主缆采用预制平行钢丝索股法（PPWS）制作，主缆由127股通长索股组成，边跨增设6股背索，背索锚固于塔顶主索鞍上。每根预制索股由相互平行的127丝、直径5.25 mm的高强钢丝组成，钢丝标准强度为1 860 MPa，外表面用镀锌-铝合金镀层防护。通长索股长度为1 733 m，背索索股长度为305 m，单根通长索股重量为37.39 t，单根背索索股重量为24.3 t。主缆构造如图1所示。

2 主缆索股架设牵引系统设计

在主缆索股架设阶段，牵引系统将主缆索股从放索区放出，并将其牵引经过两岸锚碇及索塔，在两岸锚碇处锚固后完成主缆索股的安装。对于牵引系统，主要是校核牵引索钢丝绳和卷扬机的选型，以满足索股架设的需求。牵引索钢丝绳及卷扬机的选型需确定主缆索股牵引过程的最大牵引力，最大牵引力主要包括牵引索空缆反拉力、放索的反拉力和牵引自由端的拉力三个部分，对这三部分的拉力进行计算。 2.1 牵引索空缆反拉力计算

根据双线往复式牵引系统的特点和放索区布置，牵引索从西岸卷扬机组出绳，由西岸侧向东岸侧运行，再由东岸锚体上回转轮处转向，再返回西岸侧，牵引索线型和猫道承重索线形平行。

根据《公路桥梁施工系列手册：悬索桥》[2]，牵引索保持自身线形运动所需的反拉力为： 式中：k——动力放大系数，取1.2； Lz——中跨水平跨距，取1 098 m； qz——牵引索单位长度质量，取5.25 kg/m； fzmax——牵引索跨中允许垂度，取98.393 m； 由此计算牵引索所需的反拉力为：T1=10.25 t。 2.2 主缆索股牵引反拉力、牵引自由端拉力计算

索股牵引方向為西岸向东岸，从西岸侧放索架开始，经过西岸侧散索鞍、西岸主塔、东岸主塔、东岸散索鞍，到达东岸锚碇位置。此时对索股进行分段计算，确定索股在整个牵引过程中最大的反张力。 索股自由端的重力为： T3=G=qml+g（2）

式中：qm——牵引索单位长度质量，取21.18 kg/m； l——边跨跨径，自由端长度按100 m计算； g——拽拉器总重量，取500 kg；

由此计算自由端的重力为：T3=G=2.618 t。 索股放索反拉力，根据经验按5 t取值，即T2=5 t。 2.3 主缆架设阶段牵引系统牵引能力计算 总牵引力为：

Tmax=（T1fa+T2+T3）fb（3）

式中：f——定滑轮的总阻尼系数，对于滚动轴取1.02； a——拽拉起至副卷扬机组之间的定滑轮数，取4； b——拽拉起至主卷扬机组之间的定滑轮数，取4； T1——牵引索所需的反拉力，取10.25 t； T2——索股放索的反拉力，取5 t； T3——牵引自由端的拉力，取2.618 t。 由此计算总牵引力为：Tmax=20.25 t。

由计算结果可知，主缆索股架设阶段主卷扬机组选用额定牵引为25 t的卷扬机组，满足主缆索股牵引的要求。

选择采用的牵引索钢丝绳直径为36 mm，标准强度≥1 770 MPa，纤维芯钢丝绳最小破断力为75.7 t，安全系数达到3.74，满足使用及规范要求。

对于主缆索股架设阶段牵引系统，选择直径为36 mm、标准强度≥1 770 MPa的纤维芯钢丝绳作为牵引索，选择25 t的卷扬机组作为牵引主卷扬机，即可满足索股架设阶段施工的要求。

2.4 主缆架设阶段牵引系统总体设计

在确定了牵引系统钢丝绳和卷扬机组后，需对牵引系统进行总体设计。目前国内悬索桥对于PPWS法架设主缆的牵引系统主要有单线往复式和双线往复式两种类型。对于单线往复式牵引系统，需要在大桥两岸锚碇均布置卷扬机组及放索区，若仅在一侧锚碇设置放索区，就会出现牵引系统带着拽拉器空载返回的情况；对于双线往复牵引系统，仅需在大桥一侧进行卷扬机组及放索区的布置，另一侧设置回转装置实现牵引系统回转功能，共设置两个拽拉器，实现在大桥一侧放索时，一个拽拉器进行主缆索股牵引，一个拽拉器空载返回，极大提升了施工效率。

龙门大桥项目由于场地限制，东岸锚碇所处位置为半海半岛区域，施工场地为堆填筑岛而成，故施工场地较为狭窄。采用双线往复式牵引系统，将卷扬机组场地及放索场地布置于桥位西岸锚碇后方，利用东岸锚碇上的回转导轮组使牵引系统完成回转，无须在东岸锚碇区布置卷扬机组，便于进行现场施工的总体组织。主缆索股架设牵引系统由猫道架设阶段的三段牵引单线往复式系统改为双线往复式牵引系统，牵引方向为西岸至东岸。

单个索股牵引系统主要由2台牵引卷扬机组、西岸索股存索区、放索区、西岸上锚块放索支架、散索鞍门架导轮组、塔顶门架导轮组、猫道门架导轮组、猫道面层托辊、牵引索、拽拉器、东岸上锚块转向轮支架等组成[3]。为保证牵引索从锚碇门架牵出后顺利通过后锚块，在西锚后锚块设置两处限位支架及上索支架。同時为保证双线往复式牵引系统的形成，需在东锚锚后设置回转轮支架、后锚块限位门架和锚后回转轮支架。牵引系统锚碇区域总体布置如图2、图3所示。

牵引系统的主牵引索沿牵引方向依次通过主卷扬机组→西锚碇门架→西塔塔顶门架→东塔塔顶门架→东锚碇门架→东锚碇回转导轮组→东锚碇门架→东塔塔顶门架→西塔塔顶门架→主卷扬机组，形成一套从西岸至东岸，再从东岸返回西岸的双线往复式牵引系统。牵引系统布置如图4、图5所示。

主桥左右幅各建立一套双线往复式牵引系统，两套牵引系统独立架设、独立运行。配置两个拽拉器，在牵引系统静止时，于两岸后锚块各设置一个拽拉器。牵引系统工作时，一个拽拉器进行牵引拽拉，另一个拽拉器空载返回，以实现双线牵引系统能连续完成从西岸至东岸的主缆索股牵引工作，以增加主缆索股架设的工作效率。 3 牵引系统主要临时构件模拟计算

牵引系统在运行过程中，对涉及转向、限位、支承的临时结构有着相应的承载要求，故采用Midas Civil有限元软件，对后锚块限位门架、锚后回转轮支架、前锚面操作平台托架、西锚碇锚后上索支架等4项牵引系统重要构件进行强度及刚度的计算，判断其是否符合设计及使用要求。

（1）锚后上索支架：西岸锚碇后方设置上索支架，主要用于主缆索股牵引时锚碇后方的牵引滑道。主要由型钢支架、导向滑轮及防护栏杆组成。型钢支架立柱钢管采用426 mm×8 mm钢管，平联采用[20a槽钢，钢管桩顶布置Ⅰ45a工字钢承重梁，承重梁与水平面的夹角与后锚面的倾斜角度一致。承重梁顶面布置Ⅰ25a分配梁及1 cm厚钢面板，于钢面板上设置在牵引索投影面以下的导向滑轮。

（2）后锚块限位门架结构：限位门架由型钢结构焊接而成，对牵引索起限位作用。限位门架立柱、立柱承重梁、滑轮组承重梁、横向连系梁均采用双拼Ⅰ56a工字钢。从上至下为收分结构，立柱间设置平联Ⅰ22a工字钢剪刀撑联系。

（3）东锚锚后回转轮支架：东锚锚后回转轮支架固结于东锚锚背上，主要用于牵引索的回转。回转轮支架立柱承重梁、连系梁均采用Ⅰ56a工字钢，斜撑采用Ⅰ22a工字钢。

（4）前锚面操作平台托架：东、西岸前锚面均设置操作平台，主要用于索股锚头安装以及索股调整张拉。该操作平台为型钢结构焊接而成，操作平台托架采用Ⅰ22a工字钢，分配梁采用[20a槽钢，平联剪刀撑均采用[8a槽钢。 3.1 设计材料参数

牵引系统支架用钢材质均为Q235a，采用极限应力法，按《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）取值。即[σ]=215 MPa；[τ]=125 MPa；允许挠度：L/400。 3.2 计算荷载、工况

（1）自重荷载：在有限元模型中自行导入。

（2）牵引索荷载：根据施工现场牵引系统的布置和使用情况，在双线往复式牵引系统架设主缆的过程中，其限位支架和转向轮支架受力最大，限位门架按牵引力为20 t进行计算，回转轮支架按卷扬机组额定起重量25 t计算。

（3）风荷载：设计基本风速采用桥址处100年重现其10 m高度的10 min平均年最大风速38.2 m/s，根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）11.0.1节规定计算得：最大设计风速下结构所受基本风压w0=0.91 kPa。

因此后锚块及锚后支架的风荷载标准值计算如下：

后锚块限位门架：最大设计风速下风荷载标准值：wk=μsμzw0=1.3×1.8×0.91=2.1 kPa。 锚后回转轮支架：最大设计风速下风荷载标准值：wk=μsμzw0=1.3×1.732×0.91=2 kPa。 （4）荷载组合：承载能力验算组合为1.3×自重荷载+1.5×牵引索荷载+1.5×0.9×风荷载。 刚度验算组合为1.0×自重荷载+1.0×牵引索荷载+1.0×风荷载。有限元模型如图6所示。 3.3 有限元计算结果及分析

对后锚块限位门架、锚后回转轮支架、前锚面操作平台托架、西锚碇锚后上索支架，分别计算其变形值、应力值和剪应力值，将其与极限值进行比较，以验证相关指标是否符合规范要求，保证结构的安全可靠，为后续施工提供指导，具体计算结果见后页表1。

由表1可知，上述4项结构的应力和剪应力的计算值均小于规定的极限值，结构强度达到了施工及使用的强度要求，且具有一定的强度储备。结构变形小于极限值，说明了结构具有稳定性好、不易发生失稳破坏的优点。有限元模型计算得出的结果充分表明了临时结构的承载能

力和安全可靠性，为施工做出了有效指导，使双线往复式牵引系统的施工可以稳步进行，充分体现了双线往复式牵引系统设计的合理性。 4结语

（1）本文对主缆索股架设阶段牵引系统的牵引力进行计算，选择了满足施工要求的卷扬机组及牵引索。根据项目现场实际情况，进行双线往复式牵引系统的布置，在施工安全质量得到保障的前提下，提高了施工效率。

（2）对后锚块限位门架、锚后回转轮支架、前锚面操作平台托架、西锚碇锚后上索支架进行了强度和刚度的计算，保障牵引系统运行的稳定性。

（3）龙门大桥主缆索股架设阶段牵引系统现场实际施工均采用本文所述方法实施，施工过程未发生任何质量、安全事故，证明了该主缆双线往复式牵引系统设计的合理性与可行性。此外，在主缆索股架设施工期间，龙门大桥主缆可实现最快14根/d的架设速度，最终仅约50 d就完成全部索股架设，施工效率高。 参考文献

[1]刘安金，廖金贵，彭先振，等.悬索桥牵引系统设计及施工技术应用[J].工程质量，2023，41（7）：99-102.

[2]中交第二公路工程局有限公司.公路桥梁施工系列手册：悬索桥[M]北京：人民交通出版社，2014.

[3]高庚元.武汉阳逻长江公路大桥主缆架设牵引系统设计与安装[J].中国水运（理论版），2007，5（4）：51-52. 收稿日期：2023-11-10