某大跨度悬索桥索股牵引系统线型复核及设备简介
2018-03-12
1 概述
目前，对于大跨度悬索桥索股的牵引均采用门架式双线往复牵引系统，本文以国内一悬索桥为例，对该桥索股牵引系统的线型、牵引设备及施工中的问题作简要介绍。
该桥主桥为超千米级跨径的三跨悬索桥，设有两根主缆，单根长约2643米，每根主缆含有通长索股135根，从牵引第一根主缆起，工期定为两个月。
在上下游各布置一套相同牵引系统，分别牵引两根主缆上的索股，下面介绍的是一侧的牵引系统。
2 牵引系统牵引能力校核
索股牵引力的计算主要用于确定整个牵引系统的卷扬机设备能力，以及研究索股牵引过程中设备的动力变化。索股与滚轮（滚轮为尼龙材料制成）间的摩擦系数为0.035，本次计算中从安全考虑取0.05。
可以求出每处卷扬机拉力随拽拉器运行变化的曲线图。
图2.1 卷扬机拉力变化曲线图
经过以上计算，牵引索股时卷扬机所需提供的最大拉力为220.25 kN，考虑0.1倍的富余，，所以250 kN的卷扬机满足要求。
3、牵引索线型复核及托轮布置间距设计
考虑到牵引索在自重和集中荷载下有一定的垂度，其净高按以下两个原则控制：
a、拽拉器在正常行进过程中，应保证索头架不与下面其它结构发生摩擦，并留有一定富余（0.6m），与所以高度不能过低；
为方便索头与拽拉器安装、拆卸的方便，南北锚处高度不能过高，其它处高度不限制，计算如下：
计算公式：
f：主索某处垂度； ： 主索弦倾角；
g：主索单位长度重量）；Q：集中荷载；
HF：主索水平拉力； H：主索拉力；
l：主索跨度；x： 主索某处离端点的距离；
下面以北锚碇处的计算为例说明，计算示意图及计算结果如下：
图3.1北锚碇牵引索净高校核示意图
表3.1北锚处牵引索净高计算结果
3.1猫道上托轮布置间距
托轮高度确定原则：托轮是用来支撑索股的，在索股牵引过程中，每隔一定间距应配有施工人员，其配有仿鱼雷夹具夹着索股和索股一起行进，这就需要托轮有一定的高度方便施工人员操作，所以托轮高度定位1.0m。对于塔顶处应适当调节托轮的高度以保证索股能平缓顺利通过。
托轮间距布置原则：1、索股在被牵引过程中，索股会下垂，应保证下垂后的索股与猫道面层不发生干涉，并留有0.5m的余量。
2、在塔顶处由于索股弧度较大，托轮的布置原则主要是匹配索股的线型，并保证索股不与其它构件发生干涉。
4、牵引设备及机构的设计
4.1250kN双摩擦式卷扬机
牵引系统选用250kN双摩擦式卷扬机（容绳量3000m）。
此类卷扬机的钢丝绳缠绕在双摩擦卷筒的环形槽上，利用钢丝绳与环形槽之间的摩擦力把卷筒的驱动力传给钢丝绳。其优点是：摩擦卷筒的宽度和高度与起升高度和牵引距离无关；只需增减摩擦卷筒的环形槽数，就可以满足牵引吨位的要求，钢丝绳和环形槽之间的相对滑动还可以起过载保护作用。
该机应具有无级变频调速、智能化测速、测长、张力显示等功能，可对牵引系统的速度、位置和张力进行全程跟踪显示和自动控制。
牵引系统选用250kN双摩擦式卷扬机，配用钢丝绳直径36mm，选型如下。
钢丝绳型号：
最小破断拉力：817kN；
安全系数：>3.0。
说明：在拽拉器经过南塔塔顶的时候，牵引索拉力最大，其它大部分时间牵引索拉力小于200 kN。
根据以往悬索桥架设经验，主缆索股架设以每工作日架设3~4根为宜，每根索股平均架设时间在3~6小时，牵引速度定为8m~25m/min，现场指挥人员应根据实际使用情况随时作出调整。
4.2 拽拉器的设计
拽拉器是牵引系统的关键部件，它是连接牵引索并与索股锚头连接，用以在猫道架设阶段牵引猫道承重索和在主缆架设阶段牵引主缆索股的构件。施工中将拽拉器与猫道索锚头或索股锚头相连，牵引索的拉力转移至索股的锚头，连续顺畅的牵拉猫道索或主缆索股前行。在牵引系统形成、猫道架设和主缆牵引过程中，要求其重量轻、强度大、结构合理。
拽拉器结构：拽拉器是采用楔形连接板固定钢丝绳构造形式，主要部分由大楔形接头、小楔形接头、三角架等组成。Φ36mm的牵引索经半圆楔型接头和半圆座直接在大楔型接头上固定，为了使拽拉器保持正确的位置，减少索股在牵引过程中发生扭转和牵引索掉索现象，在拽拉器一侧设有平衡重。
另外，还设计了一种背索索股拽拉器。根据布置位置的不同，悬索桥的索股分为两种类型：通长索股和背索索股，通长索股只需在索头有拽拉器牵引即可（如前文所述），而在牵引背索索股时，索股尾部还需安装有一背索尾端拽拉器。两拽拉器安装时的区别在于，前者是连接两根牵引索，而后者是安装在一根连续的牵引索上。背索索尾拽拉器作为悬索桥背索尾端索股索头牵引的使用，其主要由三角型杆件组、梭筒、平衡结构、索头架四部分组成，其结构与通长索股拽拉器类似，此处不再赘述。
4.3 导轮组的设计
导轮组包括塔顶门架导轮组、猫道门架导轮组、锚碇支墩门架导轮组及锚碇后锚块导轮组等，其作用一是支撑牵引绳，二是改构类似，本文以南北塔塔顶导轮组设计为例进行说明和计算。
借鉴架空索道的托压轮组，南北塔主索鞍门架处导轮组设计成能自动适应牵引绳折射角不断变化的导轮组。导轮组由以下几个主要部分组成：导轮架、吊板、导轮、压绳缓冲装置。
在牵索过程中，由于牵引绳张力变化较大，导轮组采用较大的曲率半径，这样当拽拉器通过时冲击小，并且轮压均匀，同时配备有压绳缓冲装置可以起到夹持拽拉器并且减少拽拉器和导轮组的冲击，同时也防止绳索脱槽。
5、施工中出现的问题
由于索股牵引从北至南，运行距离长，牵涉机构较多，与猫道、门架结构等密切相关， 施工中难免出现一些问题，以下是该桥索股牵引出现的一些问题和解决方法，供以后类似情况的参考。
5.1拽拉器的改进
如图，由于实际线型与理论线型的差异，拽拉器平衡轴与导轮组的净空富余也不多，所以两者之间发生了干涉，为了一劳永逸的解决该问题，临时对拽拉器进行了改进，增加了三脚架的外形尺寸，留足了富余（加长约20cm），保证了拽拉器的顺畅穿行。
5.2索头架的改进
原设计是参考传统索股头的箱型结构，索头固定在一箱体内，由于箱型结构太重，索头行进时始终保持“低头走”，这样头部索股会发生弯折，对索股不利。为了避免该现象，施工方对索头架进行了改进，结构更简化，并且保持了索头朝上。
5.3塔顶托轮布置的改进
原设计是利用主索鞍，在主索鞍上布置了一些托轮，这虽然省去了托轮支架，但对索股过导轮组的线型不利，开始牵引时出现了索股捆扎带断丝现象，后来在主索鞍旁边做了一些托轮支架，并抬高了塔顶附近猫道托轮的高度，这样增大了塔顶索股托轮组的弧度，这样保证了索股安全的穿过塔顶。
