7.4.1.1 缆索吊运系统设计
1）整体设计
拱桥缆索吊运系统在整体上分为顺桥向设计和横桥向设计。顺桥向设计只需结合地形地貌、施工安排、结构影响、主索垂度、净空、安装对象分布跨度等因素综合考虑；横桥向设计还必须考虑强健性和经济性等问题，相对顺桥向设计较为复杂。缆索吊运系统常见的顺桥向总体布置形式有无塔单索跨式、单塔双索跨式、双塔三索跨式、三塔四索跨式等几种。其中无塔单索跨适用于跨深谷的桥梁，索鞍为横向限位索鞍，其本身靠主索支承，但同时被锚在主地锚之上，无法横移，不常用；单塔双索跨适用于桥垮一侧较陡峭，而另一侧相对平缓的地形，也不常见；双塔三索跨为最常见的主索布置形式；三塔四索跨适用于总跨径大的多跨连拱大拱桥吊运，如杭州钱塘江四桥。
合江长江一桥缆索吊运系统是主桥上部结构施工的关键设施。根据桥宽、节段长度及重量、拱肋安装高度、地形、气象、施工进度等条件来进行缆索吊运系统的设计。结合合江长江一桥自身特点，该桥采用双塔三索跨布置形式（图7-24）。总体布置为430 m（重庆岸锚跨）＋554 m（工作跨径）＋405 m（宜宾岸锚跨）。
图7-24 合江长江一桥缆索吊机总体布置设计
2）起重和牵引系统设计
起重系统主要由起重滑轮组（跑车、下挂组成）、起重索、起重卷扬机和导向滑车等部件组成。
合江长江一桥吊运系统设置两组承载索，每组承载索由8根φ50密封钢丝绳组成，承载索主跨554 m，吊运能力为2×1 000 kN，横向吊运范围28.6 m，主索可通过索鞍横移系统移动到构件安装位置，其设计最大吊重垂度40 m，最大起重量1 000 kN。用抛物线解析法进行主索计算［6-7］，单组索计算承载能力为1 350 kN（净吊重1 000 kN＋跑车、起重牵引钢丝绳、吊具等重量350 kN）。承载索的安全系数不小于3.0，最大垂度40 m，安装初始垂度为23.6 m。主索采用捆绑方式进行锚固。单组索设有两个间距18 m的吊点，考虑在抬吊拱肋时两个吊点不能均衡受力，单个吊点的起重能力按单组索设计载重能力的2／3设计，即单个吊点设计起重能力为660 kN。单个吊点需两台10 t卷扬机提供起重动力，全桥两组主索共需8台10 t卷扬机。
起重滑轮组位于跑车轮之下，分上下两组，上滑轮组为定滑轮组，与跑车联系在一起，下滑轮组为动滑轮组，与构件吊点千斤绳联系在一起。起重索套绕于起重滑车组后经过导向滑车进入起重卷扬机，作为传送动力的纽带。缆索吊运系统通常都为双跑车双吊重，双跑车起重系统各自独立。
起重绳采用φ24钢丝绳（6×37＋FC，强度等级1 670 MPa），走14线，起重绳最大拉力安全系数大于5.0，接触应力安全系数大于2.0。跑车牵引采用往复式牵引方式，单个跑车牵引动力需两台20 t卷扬机提供，全桥需要8台20 t卷扬机。牵引绳采用φ28钢丝绳（6×37＋FC，强度等级1 670 MPa），走4线，牵引绳的拉力安全系数大于3.5，接触应力安全系数大于2.0。起升和牵引卷扬机分别布置在两地锚处，利用PLC电气集中控制系统实现所有卷扬机的集中控制，两岸采用无线传输控制信号，同时保留原有的继电器控制柜作为备用控制系统。
牵引系统主要由跑车轮、牵引绳及牵引卷扬机等组成，其部件组成及工作原理如图7-25所示。
跑车轮是根据主索数量及规格特制的一组滚轮，可来回在主索上跑动，同时通过与起重滑轮组连接，将起吊物重力均匀传递至主索。跑车轮、牵引绳与起重滑轮组构成跑车。主索上一般都设有两台跑车，间距依吊重物两吊点距离而定，其间用一根短钢丝绳相连。跑车前后设置牵引索，运行时前（后）牵引索牵引，后（前）牵引索放松，双线牵引式两岸均独立设牵引卷扬机，单线封闭回路式只需一岸设牵引卷扬机。
图7-25 缆索吊运原理示意图
3）吊塔与格子梁
合江长江一桥重庆岸吊塔和宜宾岸吊塔对称，承重主索与工作主索用同一个吊塔，吊塔立于扣塔塔顶，吊塔与扣塔的连接形式为铰接。吊塔采用M 形万能杆件组拼成双柱门式索塔，其布置如图7-26所示。格子梁位于扣塔顶端，全桥共有四个格子梁。每个格子梁共设两根主横梁、一根次横梁和三根纵梁，纵梁之间通过横肋连接，与主次横梁连接形成整体，如图7-27、图7-28所示。扣塔顶部八根主钢管与主横梁槽钢焊接，横肋上铺面板，面板与周围梁的翼缘板通过焊接格子梁上顶面，吊塔与格子梁通过铰与下部的扣塔形成扣吊系统。
塔架系统采用“吊扣合一”的方式，即将吊塔置于扣塔顶部，吊塔与扣塔通过铰座连接，吊塔为万能杆件拼制。吊塔高29.6 m，采用加强万能杆件搭设，拱肋起吊位置的加强立杆为双4N1铁，用特殊节点板将2个4支N1铁连接在一起。根据两岸地形、地质条件，重庆岸地锚采用钢筋混凝土桩式地锚，宜宾岸地锚采用重力式地锚。缆索重庆岸地锚桩基共有6根，直径1.5 m，桩间距2 m，桩长7 m，混凝土为C30混凝土。
图7-26 吊塔布置图示(www.xing528.com)
图7-27 格子梁位置立面图
图7-28 格子梁构造
7.4.1.2 强健性设计
1）强健性设计概念
强健性是评定结构抵抗连续破坏能力的一个重要指标，指结构在火灾、爆炸、冲击以及各种人为错误或破坏等突发事件作用下，不发生与初始破坏不成比例的大范围倒塌的能力，体现了结构对局部破坏的不敏感性。在目前规范中普遍缺乏对强健性设计的相关规定，其主要依赖于设计工程师对强健性重要性的认识、对结构体系受力概念的理解与掌握和对构造措施的把握以及社会责任感，强调结构的强健性设计是非常必要的。
2）缆索吊运系统强健性设计方法
缆索吊运系统施工环节众多、管理难度大、高空作业时间长、风险较大。传统的缆索吊运系统设计缺乏容错性，强健性不强。当起重钢丝绳从一岸的卷扬机绕过跑车、下挂滑车组，再进入另一岸的卷扬机时，若此钢丝绳因某种原因发生破断，其中一个吊点就会整体下落，造成吊重全部转移到另一个吊点，可能会导致吊运构件坠落，引起吊运系统的巨大破坏，造成重大损失。另外，破断的钢丝绳顺桥方向扫荡而过，可能造成大量人员伤亡和重大经济损失。图7-29是国内某知名企业修建某著名特大桥所用缆索吊运系统，显然，其强健性不强。
图7-29 某建设桥梁的缆索吊运系统
目前已有文献针对钢管混凝土拱桥悬吊桥面过程中的强健性研究开展得较多，而忽略了其钢拱肋吊运过程中的强健性问题。事实上，500米级超大跨度钢管混凝土拱桥缆索吊运系统的吊重通常接近甚至超过2 000 kN，吊重大、主索多，对其强健性的要求较中小跨径拱桥更高。如何增强其缆索吊运系统的强健性和容错性是超大跨度钢管混凝土拱桥缆索吊运系统设计研究的主要任务之一。
基于对超大跨钢管混凝土拱桥缆索吊运系统设计的归纳总结，结合丰富的钢管混凝土拱桥施工现场工作经验，提出采用主索分组和扁担梁抬吊构件的起吊方法，以增强缆索吊运系统的强健性。为同时提高其经济合理性，主索设计为可横移式。主索横移通过塔顶索鞍横移系统实现，即安装上游拱肋时将主索全部移至上游，安装下游拱肋时将主索移至下游；安装横联时将主索移至中间；安装桥面格子梁时将主索分开至拱肋两侧，如图7-30所示。可横移式主索吊运系统较常规缆索吊运系统可减少一半的主索和卷扬机等设备，大幅度降低项目成本和一次性投入。
图7-30 主索横向工作状态及主索横向分组示意图
为提高缆索吊运系统的强健性，合江长江一桥缆索吊运系统采用了上述改进设计方法，该桥主索和工作索均可实现横移，施工中对主索进行分组，利用扁担梁抬吊构件。大桥原吊运系统设计一组主索，该桥在实际施工中将一组主索和起重拖拉系统各分为两组，通过扁担梁抬吊构件，如图7-31所示。
采用该法的优点之一在于，即使一组起重索或者拖拉系统出现问题，还可依靠另一组。而且通过分组可减小起重绳和拖拉钢丝绳的直径，使其工作性能更易保证。此改进设计方法实现该桥钢拱肋吊运过程安全有序地进行，该套技术可应用于类似工程。
图7-31 合江长江一桥缆索吊运系统
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