泉州至三明高速公路QA13标段(YK91+825~YK96+900)下岸特大桥，左线大桥桥长548.9 m，右线大桥桥长558.9 m，全桥共64个桥墩，最高墩高63 m，属全线重点工程。常规缆索很难满足全桥吊装，且投资大，施工困难。由于要避开现有房屋和现运营公路，以及特定的地形地质条件所限，本索道设计以1号和15号墩的连线为中轴线，2个吊装区各由1条Ⅲ13型索道索系承吊，每条承载索均满足左右横向移动距离30 m的吊装区(横向单侧移动最大距离15 m)，创造性采用可移动式承载索，能照顾到所有桥墩。索道的横向移动，一端沿吊索的鞍座移动，另一端由2条松紧式锚索调整实现; 索道的锚固全部采用钢筋混凝土桩式结构，施工时应严格控制各锚桩的高程。索道设计计算按2条承载索在跨中同时负载的最不利条件进行，从而使整个索道达到安全、可靠和经济合理的目的。

1 索道选线

综合考虑泉三高速公路下岸特大桥地形地质、特定的装卸场地、运输距离最短、作业安全和集散方便等因素，确定选线方案:索道承载索上支点位于高程596.00 m处，下支点定于高程575.08 m处，水平跨距l₀=800 m，弦倾角α₁=1.5°; 确定鞍座吊索上支点位于高程610.00 m处，下支点定于高程586.00 m处，水平跨距l₀=410 m，弦倾角α₁=3.35°。

2 设计资料

该地区风力8级; 风压强度500 Pa; 安装温度25℃; 无地震。依据《林业架空索道设计规范》(LY 1056-1991)、《货运架空索道安全规范》(GB 12141-1989)和《一般用途钢丝绳》(GBT 20118-2006)，选用承载索38 6×19 NFC 1870 B ZZ，破断拉力T_P=829 kN; 起重索12 18×7 NFC 1870 B ZS，破断拉力T_PQ=88.3 kN; 循环牵引索12 6×19 NFC 1870 B ZS，破断拉力T_Pq=82.7 kN; 鞍座吊索44^# 6×19 NFC 1870 B ZS，破断拉力T_PD=1 110 kN; 钢丝绳的弹性模量E=90 000 MPa; 2个K₁跑车; 2台JS₃-3绞盘机; 钢筋混凝土桩式锚锭(主桩+副桩)。

3 总体布置

结合地形条件，上下两支点高差不大，跑车需要往复牵引，采用Ⅲ13型索道索系，鞍座吊索采用Ⅱ02型索道索系。索道纵断面，见图 1; 索道平面和鞍座吊索纵断面，分别见图 2, 3。

承载索跨距l₀=800 m，倾角α₁=1.5°，α₂=11°，无荷中挠系数S₀=0.04。为了减少起重索下垂，在索道上支点100 m处、下支点60 m处设托索轮; 为了减少锚锭工程量及改善其受力条件，各锚桩后10 m左右设一副桩; 索道下支点的横向移动由鞍座横移，上支点Y型张紧索的松紧配合实现，可借助2台绞盘机或5 t手拉葫芦作业，横移前适度放松承载索。

索道放样基准线为1号和15号墩的连线，各锚桩定位点根据地形条件允许±0.20 m误差; 锚锭采用钢筋混凝土立式双联桩锚，后桩布置一律在主桩后方10 m左右; 绞盘机布置朝向上支点，能通视全桥，绞盘机房相互距离20 m左右; 1~14号均为HD30转向滑轮，1, 2, 11, 12, 13, 14依桩悬挂，3~10固定在承载索上，其中3, 4距上支点约160 m，5, 6距鞍座100 m，边跨靠鞍座30 m处承载索上悬挂滑轮9, 10，通过起重索，边跨靠鞍座1 m处的承载索上悬挂滑轮7, 8，通过牵引索; 索鞍由2个托索轮对接而成一个整体，上托索轮可沿吊索行走，下托索轮承托承载索。

4 主要技术参数 4.1 承载索计算

应用悬链线理论(周新年，1987; 1992; 1996; 2008; 周新年等，1999; 2003a; 2003b; 2004; 2007; 罗桂生等，1999)，编制计算机辅助设计系统，输出设计计算结果。无荷中挠系数:S₀=0.04;双线设计荷重(N):P＝38 035;无荷悬索长度(m):L₀=803.67;有荷水平张力(N):H_P＝247 615;承载索有荷最大拉力(N):T_M=251 695;承载索的耐久性验算:C=26.47;承载索的实际安全系数:N₁=3.29。

4.2 鞍座吊索设计计算

货运索道，当跨距中出现跑车数b＜3时，b=2，则载荷分布系数Z_Z(周新年，1996; 2008)为：

化为集中载荷系数为1.854。

承载索下支点方向角θ_B为:

鞍座吊索设计荷重P_d(N)为：

应用悬链线理论(周新年，1987; 1992; 1996; 2008; 周新年等，1999; 2003a; 2003b; 2004; 2007; 罗桂生等，1999)，编制计算机辅助设计系统，输出设计计算结果。无荷中挠系数:S₀=0.045;无荷悬索长度(m):L₀=412.88;鞍座吊索有荷最大拉力(N):T′_M=552 505;鞍座吊索的耐久性验算:C=13.85;鞍座吊索的实际安全系数:N₁=2.01。

4.3 工作索的计算 4.3.1 起重索计算

1) 提升货物时起重索张力T₂(N)：

(1)

式中: T_Q为货物质量产生的拉力(N)，T_Q = ，Q=25 100 N(货物质量+载物钩质量)，取起重索拉力包角θ=150°，代入算得:T_Q=12 993 N。T_q为起重索自重附加在跑车上的分力，T_q=±q_Qh; 由于绞盘机低于承货点，则承货点到绞盘机位置高度差h=－29 m，起重索单位长度重力q_Q=5.62 N·m^-1，代入算得:T_q=－163 N。T_R为综合阻力，绕过滑轮、贴地运行等产生的摩擦阻力，T_R=(T_Q+W)f₀, 起重索自重W=q_QL₀=5.62×803.67=4 517 N; 由于滑轮数多，吊运距较长，取综合摩擦系数f₀=0.16，代入算得:T_R=2 802 N。T_a为惯性力，将货物视为匀速上升，T_a=0。

代入(1)式算得:T₂=15 632 N，JS₃-3绞盘机起重卷筒额定牵引力为30 000 N，故起重力足够。

2) 起重索安全系数N₂的校核：

(2)

式中:T_PQ为起重索的破断拉力(N)，T_PQ=88 300 N。，故所选起重索符合规范要求。

4.3.2 循环牵引索计算

1) 跑车运行时牵引索的拉力T₃(N)。由于α=1.5°＜10°(缓坡)，所以求T₃：

(3)

式中:T_a为运行惯性力，，Q′=货物质量+跑车质量=25000+2000=27000 N，牵引索附加于跑车上的自重，重力加速度g=9.81 m·s^-2，紧急制动，取加速度a=0.75 m·s^-2。代入得:。T_q为牵引索自重附加在跑车上分力, T_q=±q_Qh; 由于绞盘机低于承货点，则承货点到绞盘机位置高度差h=－29 m，牵引索单位长度重力q_Q=5.05 N·m^-1，代入算得:T_q=－146 N。T′_Q为克服摩擦力时线路坡度及重车荷重产生的拉力，T′_Q=Q′sinγ－fQ′cosγ，取跑车运行阻力系数f=0.01，γ为跑车升角，求牵引索最大拉力时，跑车运动到上支点，由，算得:γ =10.39°，代入得:T′_Q=27 000(sin10.39°－0.01cos10.39°)=4 604 N。T′_R为重车的综合阻力，T′_R=(T′_Q+W)f₀，牵引索自重W=q_QL₀=5.05×803.67=4 059 N。代入算得:T′_R=(4 604+4 059)×0.16=1 386 N。代入(3)式算得:T₃=2727+1132－157+2231=5933(4 064+1 386-146+2 222)=7 526 N，JS₃-3绞盘机的摩擦卷筒额定牵引力为20 000N，故牵引力足够。

2) 牵引索安全系数N₃的校核：

(4)

式中:T_Pq为牵引索的破断拉力(N)，T_Pq=82 700N。，故所选牵引索符合规范要求。

4.3.3 绞盘机功率N_X的校核

(5)

式中：F为缠绕在绞盘机主卷筒中层上的工作索的最大牵引力(N)，由于T₂＞T₃，所以选T₂作为F; V为缠绕在绞盘机主卷筒中层上的工作索的牵引速度(m·s^-1)，取V＝1.5; η₁为绞盘机从发动机输出轴至卷筒轴之间的总传动效率，取η₁=0.65; η₂为内燃机高山功率降，取η₂＝0.9。代入(5)式算得:N_X=40.08 kW＜51.5 kW，JS₃-3绞盘机额定功率为51.5 kW，故满足要求。

4.4 锚桩验算

采用钢筋混凝土立式双联桩锚，其受力分析见图 4。在整个吊装索道中，鞍座吊索的锚桩受力最大，故取鞍座吊索的下支点锚桩进行验算。双联桩锚的后桩受力占1/3~1/2，前桩已知数据:T=553×2/3=369 kN; α=4°; d=1.0 m; L₁=5.0 m; L₂=0.8 m; a=2.0 m; b=2.0 m; c=0.3 m; h_上=4.0 m; h_下=1.0 m。

4.4.1 锚桩直径d

锚桩设计为钢筋混凝土立桩，但这类结构的立桩目前无成熟的计算公式，故先以相同直径的松木验算进行比较。

(6)

式中：M_max为截面弯距。M_max=T·; l为锚绳至上档木中心(即P_上作用点)的距离，l=a+c=2.3 m; γ为土壤密度，取20 kN·m^-3; h为上档木高度，h= h_上=1.0 m; λ_π为被动土压力系数，为4.58; λ_δ为主动土压力系数，为0.22。

代入算得：

查松木许可弯曲应力[σ_W]=10 780 kN·m^-2(段良策，1988)，则。

本设计为钢筋混凝土立桩d=100cm。钢筋砼圆形截面受弯构件的破坏，最终表现为受压区混凝土压碎。所以，只要校核受压区混凝土的强度即可。

式中的C30混凝土轴心抗压设计强度[σ]=17.5 MPa。

4.4.2 锚桩的上拔力(垂直向上分力)

锚桩自重:G=πd²/4×(L₁+L₂)×γ=π×1.0²/4×(5.0+0.8)×24=109 kN；垂直向上分力:V=Tsinα=369×sin4°=26 kN。

本设计无论承载索或鞍座吊索，倾角均很小(最大为11°)，上拔力都小于锚桩自重，故安全。

4.4.3 锚桩入土深度h

(7)

式中：h₁为档木高度，本设计为4.0 m。代入算得:，故安全。

4.4.4 土壤压应力(周新年等，2003a; 2003b; 洪毓康，2000)

(8)

式中：h为档板高度，h_上=4m，h_下=1m; l为档板长度，为4.0 m; η为土压力不均匀系数，上档板为就地浇筑混凝土时η=0.9，为木头时η=0.33; [σ_H]为H深度土壤容许压应力，[σ_H]=K₁Hγ，其中K₁为土壤被动压力系数，当内擦角φ=35°时，K₁=3.961; H为受压土深度; P为上档处总反力。

1) 计算上档板处土压应力    H = 2.0 m时，[σ_H]=158 kN·m^-2; η[σ_H]=0.33×158=52 kN·m^-2，故上档木处土压应力足够。

2) 计算下档板处土压应力    H = 4.5 m时，[σ_H]=356 kN·m^-2; ，故下档木处土压应力足够。

锚桩验算结论:钢筋混凝土锚桩直径的抗弯强度、垂直上拔力、土壤压应力和锚桩入土深度满足要求。因为T_M=552 505 N是鞍索S₀=0.045时的受力，当承载索中部桥墩少量的顶部施工，需要张紧承载索或鞍座吊索S₀≤0.03时，为确保安全，只允许1台绞盘机作业。

索道吊装施工方法具有结构简单、拆装方便、操作灵活和起吊高度大的特点，不受复杂地形的限制，可节省大量的临时支撑，缩短工期，提高经济效益。泉三高速公路下岸特大桥吊装索道的设计，是在特定地形地质条件下，进行有效合理的布局，以及主要技术参数的选择，并进行校核。该工程已竣工，实践证明:该吊装索道在特大桥施工中安全、适用、高效，能满足吊装作业和高强度工作量的要求，取得了很好的经济效益与社会效益。