CN201447665U - 一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种桥梁施工技术领域，特别是一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置，它包括支撑架、制动器、索盘卷筒、芯轴、齿轮传动机构、交流力矩电机；支撑架上固定有轴，索盘卷筒通过滚动轴承绕芯轴相对转动，制动器在索盘卷筒一端，索盘卷筒的另一端通过齿轮传动机构与交流力矩电机连接，索盘卷筒端部有制动器，交流力矩电机与索盘卷筒之间设有齿轮传动机构；索盘卷筒上套有先导索。这种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置可降低施工成本、提高效率。

Description

一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置

技术领域

本实用新型涉及桥梁施工技术领域，特别是一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置。

背景技术

大跨度悬索桥通常都建造在大江、海峡间，在悬索桥上部结构安装施工时，首先要把比牵引索直径小、重量轻的先导索牵引过江(渡海)，再通过先导索与牵引索的转换形成牵引系统，进行施工猫道(空中作业通道和场地)架设，之后进行上部结构安装工程的主缆等结构的安装施工。

先导索的施工是拉开整个悬索桥上部结构施工的序幕，其设计方法有水底拽拉法、水面浮子牵引法、直升机(飞艇)空中牵引法、火箭抛送法等方法；几种设计方法的适用范围和优缺点表现在：水底拽拉法应用最为普遍，一般需要大马力拖轮进行先导索牵引，在水流速较大、水深较深、无合适的码头供大马力拖轮停靠的情况下实施起来存在困难；水面浮子牵引法适用于水底情况复杂(沉船、暗礁)，不适合水底拽拉的施工环境，同样需要大马力拖轮，先导索牵引过程中需要间隔安装浮子，牵引到对岸时需要逐个卸除浮子，施工时间比较长，不适合在通航繁忙的水道进行作业；直升机(飞艇)空中牵引法，不影响通航，但施工区域周边需有直升机(飞艇)可供利用的临时停机坪，施工安全要求高，施工组织复杂，施工成本也比较高；火箭抛送法，抛绳准确度不高，适合深山峡谷、跨度较小的悬索桥工程，实施难度、成本也比较高。

综上所述，大跨度悬索桥先导索施工最常用、最方便的设计方法还是水面施工，但传统水面设计方法普遍均存在施工成本高、效率低的现状。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置，它可降低施工成本、并提高效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：设计一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置，其特征是：它包括支撑架、制动器、索盘卷筒、芯轴、齿轮传动机构、交流力矩电机；支撑架上固定有轴，索盘卷筒通过滚动轴承绕芯轴相对转动，制动器在索盘卷筒一端，索盘卷筒的另一端通过齿轮传动机构与交流力矩电机连接，索盘卷筒端部有制动器，交流力矩电机与索盘卷筒之间设有齿轮传动机构；索盘卷筒上套有先导索。

所述的先导索为高分子聚乙烯纤维绳。先导索可以为其他材质，但必须具备强度高、自浮于水面的特性。所述的先导索直径在8～16mm，可满足跨度500m～2000m悬索桥上部安装工程施工需要。

本实用新型的有益效果是：先导索采用轻质高强尼龙绳，强度高、比重小，可自浮于水面高分子聚乙烯纤维绳；先导索线密度、强度分约为同直径钢丝绳的12.5％和150％，减小了水中牵引负荷，可适用小型快速牵引设备，节省了施工成本；采用交通快艇作为先导索过江(渡海)牵引设备，施工速度快，缩短了封航时间；先导索放索装置具有反张功能，与牵引速度自动匹配，并控制先导索牵引过程中的张力，保证了施工安全.所述先导索放索设备，包括支撑架、制动器、索盘卷筒、芯轴、齿轮传动机构、交流力矩电机等构成.所述的轴固定在支撑架上，索盘卷筒通过滚动轴承绕芯轴相对转动，制动器装在索盘卷筒一端，索盘卷筒的另一端通过齿轮传动机构与交流力矩电机连接，交流力矩电机具有在制动和反转状态恒扭矩输出和扭矩与输入电压平方成正比特性，当扭转半径一定和电压一定，因此只需调整输入电压即可调整张力，索盘卷筒端部装有制动器，确保制动安全，力矩电机与索盘卷筒之间设有齿轮传动机构，根据力矩电机和索盘卷筒之间的传动关系，通过控制交流力矩电机的输入电压可以控制索盘卷筒的放索张力和放索速度，在放索张力小于输入电压设定的力矩时，交流力矩电机可自动反转调整使张力达到设定值.从而达先导索牵引设备在水面牵引先导索过程中，先导索放索装置控制放索张力和放索速度的目的.

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型中先导索水中牵引受力分析图。

图2本实用新型中先导索水中漂浮状态受力分析图

图3是实施例先导索与先导索牵引设备连接示意图。

图4是实施例先导索被牵引至悬索桥对岸桥塔底示意图。

图5是实施例牵引卷扬机停止牵引示意图。

图6是实施实例过渡索与先导索后绳头连接示意图。

图7是实施例完成先导索架设示意图。

图8为本实用新型先导索放索装置结构示意图。

图9为本实用新型先导索放索装置的传动原理图。

图中：A、悬索桥锚碇；B、悬索桥起始端桥塔；C、悬索桥对岸桥塔；D、悬索桥对岸锚碇；1、1#卷扬机；2、起始端桥塔塔顶导轮组；3、1#过渡索；4、先导索放索装置5、先导索；6、先导索牵引设备；7、2#过渡索；8、对岸桥塔塔顶导轮组；9、对岸2#牵引卷扬机；10、支撑架；11、制动器；12、索盘卷筒；13、芯轴；14、齿轮传动机构；15、交流力矩电机。

具体实施方式

这种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的设计方法，先导索在水中牵引的受力见图1，假定先导索浮力与重力平衡，先导索仅受水流作用力，其姿态近似于抛物线。因此，采用如下的抛物线计算模型，模型的假设条件如下：

(1)先导索在水中牵引的线形假定为类似于空中的自由悬索线形，线形假定为抛物线方程。

(2)先导索水面牵引过程中在运动空间做平面运动，不考虑此平面运动外的其他因素；

(3)先导索水面牵引过程中做抛物线运动；

(4)先导索牵引抛物线运动，只考虑水流垂直先导索施加均布水压力，不考虑轴向水流摩擦力；

(5)先导索重力与浮力平衡；

(6)水流方向与先导索起始点的连线为垂直关系；

(7)牵引长度范围内水流速假定为不发生变化。

所述先导索抛物线计算模型包括如下方程：

$y=\frac{4f}{L^2}x(x-L)$ 式(1)

$H=\frac{{\mathrm{qL}}^2}{8f}$ 式(2)

$S=L[1+\frac{8}{3}{\left(\frac{f}{L}\right)}^2]$ 式(3)

$T_0=T_A=H\sqrt{1+{\left(\frac{4f}{L}\right)}^2}$ 式(4)

$\mathrm{\ΔS}=\frac{\mathrm{HL}}{\mathrm{EA}}[1+\frac{16}{3}{\left(\frac{f}{L}\right)}^2]$ 式(5)

上述方程组中的符号说明如下：

H——先导索的水平力(N)；

q——先导索沿弧长方向的均布荷载(N/m)；

f——索的矢高，即先导索下漂最大距离(m)；

E——索的弹性模量(Mpa)；

L——索牵引的直线距离(m)；

A——索的有效断面积(m²)；

T₀、T_A——分别为O、A点索的张力(N)；

S——索的线形长度(m)；

ΔS——索的弹性伸长量(m)；

所述先导索水流作用力计算公式：

$F_w={\mathrm{KA}}_W\frac{{\mathrm{\γV}}^2}{2g}$ 式(6)

q＝F_W           (7)

上述方程式中：

Fw——流水压力标准值(N)；

γ——水重力密度(N/m³)；

V——水流速(m/s)；

A_W——阻水面积(m²)；

g——重力加速度，g＝9.81(m/s²)

K——形状系数，圆形取K＝0.8

所述先导索水中阻水面积计算，见图2。

阻水面积按照先导索单位重量与浮力平衡计算，计算公式如下：

F＝G            式(8)

G＝p×g×1      式(9)

A_W＝h×1式      (10)

$F=[\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}-\frac{2}{3}(d-h)\sqrt{{\left(\frac{d}{2}\right)}^2-{(h-\frac{d}{2})}^2-}]\×\mathrm{\γ}\×1$ 式(11)

上述方程式中：

F单位长度先导索在水中的浮力(N)；

G单位长度先导索的重量(N)；

P单位长度先导索的质量(kg)

g——重力加速度，g＝9.81(m/s²)；

A_W——阻水面积(m²)；

h——先导索吃水深度(m)；

d——先导索直径(m)；

γ——水重力密度(N/m³)；

上述的先导索水中牵引抛物线计算模型可根据不同的牵引距离、水流速要求，合理选择先导索直径、牵引力(快艇拖力)、放索装置反张力等系统参量之间的最佳匹配关系，对大跨度悬索桥施工中的纤维绳先导索水面牵引的施工技术提供了理论基础，具有现实指导意义。

本实用新型实施实例中，先导索为高分子聚乙烯纤维绳(俗称迪尼玛缆绳)，具体参数见表1。

悬索桥先导索该材质先导索关键特性是线密度、强度分别约为同直径钢丝绳的12.5％和150％，满足作为悬索桥先导索的强度要求，并且可自浮于水面。

表1实施实例先导索参数表

本实用新型实施实例中，先导索过江水面宽度L≈1000m，水流速V＝1.5m/s。

本实用新型实施实例中，先导索下漂控制距离150m，计划过江时间10分钟。

将本实用新型实施实例中的基本参数带入公式(1)～(11)中计算得到：先导索吃水深度h＝7mm，先导索阻水面积A_w＝1×0.007＝0.007m²/m，先导索受到水压力F_w＝0.0063kN/m。经计算先导索由流水压力产生的张力T_max＝6.223kN。

本实用新型实施实例中，根据拖轮的每马力拖力比一般为12.5～12.8kgf/马力的关系，估算先导索过江牵引船功率不小于51马力。考虑足够安全储备，先导索牵引施工选择300马力的交通艇。

本实用新型实施实例中，为了控制先导索过江牵引过程中张力、并与牵引交通艇速度匹配，研制的力矩电机被动放索装置。设计张力0～8.0kN，放索速度0～180m/min，先导索容绳量1800m。放索装置在放索过程中，力矩电机施于先导索一个与放索旋转方向相反的张力，即利用力矩电机具有的制动恒功率特性。力矩电机控制器的工作电压从0～365V之间连续可调，实现了放索时平稳调整反张力和调速需要。

本实用新型专利，在宽约280m，水流速0.65m/s的河道进行的放索试验，先导索采用φ13mm高分子聚乙烯纤维绳(见表1)，牵引交通艇以约90m/min的速度直线驶向对岸的情况下，实测见表2。

表2先导索模拟试验检测结果

由表数据分析，在先导索牵引初期，实测牵引力远小于理论计算牵引力，特别是在下漂控制距离较大的情况下更为明显，原因：在模型假定中，水流作用力按照先导索线形长度加载，而不是线形投影的直线距离，导致水流作用力计算值过大，在牵出约中段距离以后，理论计算与实测结果比较接近，说明本实用新型专利的计算理论假定是具有实际应用价值的。

实施例，结合图1到图5的先导索牵引过程示意图具体说明先导索牵引的

这种先导索水面牵引设计方法的具体施工步骤为a、先将放索装置固定在作为起始点的桥梁一端承台或临时码头；b、将先导索绳头与先导索牵引设备连接；c、调整放索装置，控制先导索的张力，使先导索牵引过程中水流方向漂浮距离控制在目标距离之内；d、当先导索牵引设备到达桥梁的另一端临时码头时，解除先导索与先导索牵引设备的连接；e、将先导索前绳头与终点端的(2#)过渡索连接；f、启动对岸(2#)牵引卷扬机牵拉先导索，直至先导索在先导索放索装置中剩余十圈左右时，停止(2#)牵引卷扬机牵引，先导索后绳头由放索装置放出；g、先导索后绳头与起始端(1#)过渡索连接；f、(1#)卷扬机、对岸(2#)牵引卷扬机分别经(1#)过渡索和(2#)过渡索牵引先导索，i、将先导索提离水面，满足通航净空需要，即完成先导索架设。

具体工作步骤的操作，1#过渡索3由1#卷扬机1牵出，人工塔吊辅助1#过渡索3穿越悬索桥起始端桥塔B上的起始端桥塔塔顶导轮组2，临时锚固于塔底；同样，2#过渡索7由对岸2#牵引卷扬机9牵出，人工塔吊辅助2#过渡索7穿越悬索桥对岸桥塔C上的对岸桥塔塔顶导轮组8，临时锚固于塔底；先导索5由先导索放索装置4放出，与先导索牵引设备6连接，见图3；先导索牵引设备6牵引先导索5驶向悬索桥对岸桥塔C，牵引过程中先导索放索装置4调整放索反张力，确保先导索5在水流作用下下漂距离控制在目标值(先导索在水流作用下控制下漂距离为50m～200m)以内，直至先导索5被牵引至悬索桥对岸桥塔C塔底，见图4；解除先导索5与先导索牵引设备6的连接，先导索5与2#过渡索7连接，对岸2#牵引卷扬机9经2#过渡索7牵引先导索5，直至先导索5在先导索放索装置4中剩余十圈左右，对岸2#牵引卷扬机9停止牵引，见图5；人工将先导索放索装置4中的先导索5放出，1#过渡索3与先导索5后绳头连接，见图6；1#卷扬机1、对岸2#牵引卷扬机9分别经1#过渡索3和2#过渡索7牵引先导索5，先导索5逐渐提离水面，到达设计通航高度以上，即完成先导索5架设，见图7.

先导索5选用高强、轻质纤维绳，该材质先导索关键特性是线密度、强度分别约为同直径钢丝绳的12.5％和150％，满足作为悬索桥先导索的强度要求，并且可自浮于水面。本实例选用直径为13mm的高强尼龙绳作为先导索5。

本实用新型所需设备主要包括卷扬机、导轮组、过渡索、先导索放索装置、先导索、先导索牵引设备，包括支撑架、制动器、索盘卷筒、芯轴、齿轮传动机构、交流力矩电机构成。

先导索牵引设备6可选用交通船或快艇；

悬索桥锚碇A、悬索桥起始端桥塔B、悬索桥对岸桥塔C、悬索桥对岸锚碇D、是不可移动建筑物，本发明为在两桥塔间水中施工架设先导索。

放索设备包括支撑架10、制动器11、索盘卷筒12、芯轴13、齿轮传动机构14、交流力矩电机15构成如图8所示。所述的芯轴13固定在支撑架10上，索盘卷筒12通过滚动轴承绕芯轴13相对转动，制动器11装在索盘卷筒12一端，所述索盘卷筒12的另一端通过齿轮传动机构14与交流力矩电机15连接如图9所示，所述交流力矩电机15具有在制动和反转状态恒扭矩输出和扭矩与输入电压平方成正比特性，当扭转半径一定和电压一定，因此只需调整输入电压即可调整张力，索盘卷筒12端部装有制动器11，确保制动安全，交流力矩电机15与索盘卷筒12之间设有齿轮传动机构14，根据交流力矩电机15和索盘卷筒12之间的传动关系，通过控制交流力矩电机15的输入电压可以控制索盘卷筒12的放索张力和放索速度；索盘卷筒上套有先导索。先导索牵引设备6出发以及到达阶段速度为变值，需控制交流力矩电机15的输入电压以控制放索张力和放索速度，先导索牵引设备6在牵引途中可将交流力矩电机15的输入电压设置为定值，在放索张力小于输入电压设定的力矩时，交流力矩电机可自动反转调整使张力达到设定值。从而达到先导索牵引设备6在水面牵引先导索5过程中，先导索放索装置4控制放索张力和放索速度的目的。

Claims (2)

1.一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置，其特征是：它包括支撑架、制动器、索盘卷筒、芯轴、齿轮传动机构、交流力矩电机；支撑架上固定有轴，索盘卷筒通过滚动轴承绕芯轴相对转动，制动器在索盘卷筒一端，索盘卷筒的另一端通过齿轮传动机构与交流力矩电机连接，索盘卷筒端部有制动器，交流力矩电机与索盘卷筒之间设有齿轮传动机构；索盘卷筒上套有先导索。

2.根据权利要求1所述一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置，其特征是：所述的先导索为高分子聚乙烯纤维绳。

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