索道施工法在中波重型塔桅杆拉线维护施工中的应用分析

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　　摘   要：本文主要介绍了从具体工程实践中总结出的一套对拉线式中波重型塔桅杆拉线进行维护施工的方法——索道施工法。以工程施工为例详细论述了该方法的使用及使用过程中的注意事项。通过选定高空作业位置点索道和吊篮的受力分析及计算，对该方法在使用过程中的安全性进行分析论证，为从技术角度做好施工安全风险点防控工作提供科学依据。
　　关键词：索道施工法  中波拉线式重型塔桅杆拉线维护施工  索道受力分析及计算
　　中图分类号：TU248                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0056-06
　　1  工程概况
　　工程中对四座1.5m边框，三方拉线式重型中波塔桅杆进行维护大修，每座铁塔的高度为93.175m，两层拉线，其中第一层拉线悬挂高度为41.425m，拉线地锚位置与铁塔基础的距离为38m，由1个2U绝缘架，5个1U绝缘架及钢丝绳等构件组成。第二层拉线悬挂高度为81.625m，拉线地锚位置与铁塔基础的距离为77m，由1个2U绝缘架，7个1U绝缘架及钢丝绳等构件组成。（塔桅杆结构及平面布置如图1所示）施工中要对铁塔进行防腐刷漆，对第一、二层拉线构件进行检查，主要对绝缘架构件进行检查，铁件进行防腐刷漆工作。
　　2  索道施工方法论述
　　2.1 施工工具清单
　　施工工具清单如表1所示。
　　2.2 施工场地布置
　　2.2.1 施工现场索道动力系统（卷扬机）放置位置的选定（见图2）
　　根据现场环境确定索道动力系统（卷扬机）的位置，主要把握以下几点原则。
　　（1）运送便利，周边环境良好，便于放置。
　　（2）通视性好，前方没有障碍物，便于观察高空作业情况。
　　（3）有可靠的锚固点。
　　（4）有有效的电源。
　　2.2.2 施工现场动力绳索路由的选定（见图2）
　　根据施工现场环境确定动力绳索路由的走向，主要把握以下两点原则：一是路由经过处地形结构、周围环境不能太复杂，便于布线及施工过程中安全巡视工作的开展。二是从索道动力系统（卷扬机）到塔桅杆三方第二层拉线地锚和塔桅杆基础的路由尽量取最短路径，避免路由过长增加绳索与地面的摩擦力及导向滑轮的大量使用降低了动力系统的功率损耗。
　　2.3 索道在塔桅杆上的安装
　　（1）串绳：需要施工的铁塔上人，根据铁塔高度安排人员，塔顶二人，其中一人背麻绳（16.0mm），一人带钢丝绳短套（13.0mm）及1t小滑轮，其余人员每间隔30m上一人在指定工作点处提绳。待高空作业人员到达塔顶指定位置后，（第二层拉线上方7～8m处）二人一起使用钢丝绳短套将1t小滑轮安装到指定的铁塔塔柱上，并做好封绑、封钩工作。安装完成后将麻绳端头穿过小滑轮，放至地面。
　　（2）牵引索道和塔顶导向滑轮安装：塔底地面工作人员使用从塔顶放至到地面的麻绳将事先准备好的2.0T滑轮、短钢丝绳套（15.0）及牵引索道吊送至第二层拉线上方4.5m处。高空作业人员将其安全牢靠地安装到指定的铁塔柱脚上并做好封绑、封钩、加装保险套（长度适中的15.0短钢丝绳套）工作。待塔顶安装工作全部完成后通知塔底地面工作人员使用麻绳将钢丝绳端头拉至地面并与吊篮连接。
　　（3）承载索道安装：在距离承载索道安装端头4.0m处并一个短钢丝绳套并使用钢丝绳夹夹紧。使用卸扣将短钢丝绳套与吊篮连接，开动牵引索道动力系统（卷扬机）将吊篮及高空作业人员运送至塔顶指定位置后，高空作业人员使用5.0T的卸扣将承载索道安全牢靠的安装在第二层拉线上方6.0m处的铁塔指定塔柱上。待塔顶高空作业工作全部完成后，地面工作人员将承载索道另一端头拉至并穿过安装在第二层拉线拉杆后方30cm处拉环上的5.0T导向滑轮，随后与安装在承载索道动力绳索上的3.2T动滑轮连接。
　　（4）承载索道安装完成后，待吊篮降至地面的同时将承载索道放入安装在吊篮上方拉耳上的导轮内，并做好封绑、封钩加装保险套工作。
　　2.4 使用索道进行高空作业
　　开动牵引索道动力系统（2.0T卷扬机）及承载索道动力系统（卷扬机2.0T），使用安装好的索道将吊篮移动至需要作业的位置进行高空作业（见图3）。
　　2.5 索道施工注意事项
　　（1）施工前注意检查各锚固点，是否有腐蚀、变形，是否有裂纹等影响锚固点强度的情况。
　　（2）滑轮的选用一定要符合要求，施工过程中对滑轮的要求应符合下列规定。
　　一是滑轮的选用标准：滑轮直径与钢丝绳直径应匹配，满足D≥（e—1）d。式中：D为滑轮的名义直径，d为钢丝绳直径，e为系数，起重机械中一般e取20～30。二是起重量不得超過额定使用标准。三是滑轮转动灵活，无缺损，变形等达到报废标准的情况。
　　（3）钢丝绳的选用一定要符合要求：一是应按动力系统（卷扬机）铭牌规定要求配套使用（13.0）。二是承载索道钢丝绳规格的选用一定要符合要求（15.0）。
　　（4）铁塔高度在100m以上的应在吊篮上增加适当的配重，防止吊篮失重时在高空失控冲向塔顶造成事故。
　　3  高空作业位置点选定
　　由图1可知塔桅杆有两层拉线，第二层拉线悬挂高度比第一层拉线悬挂高度要高出许多，使用索道对其维护施工过程中的难度要高许多。因此，我们选取第二层拉线作为示例，分析维护施工过程中1#至7#（见图1）高空作业位置点索道和吊篮的受力情况。 　　在现实状况中由于塔桅杆拉线存在自重，因此其悬挂轨迹并不是图纸中绘制的塔桅杆节点与拉线地锚连线。（见图1）而是存在挠度。要分析计算1#至7#作业位置点索道的受力情况，就要先确定1#至7#作业位置点具体位置，要确定其具体位置就要知道塔桅杆第二层拉线真实的悬挂轨迹。故在分析及计算作业位置点索道和吊篮受力情况之前我们先来分析塔桅杆第二层拉线悬挂轨迹并绘制。
　　3.1 拉线单位长度重量计算
　　由图1及表2可知桅杆第二层拉线是由桶型绝缘架1LJ—300kN：7套、桶型绝缘架2LJ—300kN：1套、合金套筒HT—300kN：14套、大花兰螺丝HL—56：1个、连板LB—300kN：2套、连接销钉LX—34：14套、镀锌钢丝6×19+IWS—36—1570：100m等构件组成的。
　　查图纸明细表（见表2）可知各构件单件重量，故可计算出各构件分项总重量：桶型绝缘架1LJ—300kN×7套=166kg/套×7套=1162kg，桶型绝缘架2LJ—300kN×1套=304kg/套×1套=304kg，合金套筒HT—300KN×14套=38kg/套×14套=532kg，大花兰螺丝HL—56×1套=78kg/套×1套=78kg，连板LB—300KN×2套=18.3kg/套×2套=36.6kg，连接销钉LX—34×14套=3.7kg/套×14套=51.8kg，镀锌钢丝6×19+IWS—36—1570×96m=4.94kg/m×100m=494kg。
　　则：拉线总重量=各分项构件总重量之总和
　　=1162kg+304kg+532kg+78kg+36.6kg+51.8kg+494kg=2658.4kg
　　根据图1可计算出第二层拉线总长度为110m，把拉线看成是载荷均布的理想构件。则：每米拉线所受到的均布载荷q=拉线总重量/拉线总长度=2658.4kg/110m=24.16kg/m
　　3.2 拉线挠度计算
　　根据挠度计算公式：fs=q*g*x（l-x）/2*S*cos a
　　已知：q=24.16kg/m，g=9.8m/s， l=77m（查看工程图纸），S=83000N（查看工程图纸），
　　a=46.7°（见图4）
　　g： 重力加速度
　　x： 形变点至绞链端头的距离（见图4）
　　l：两绞链间的水平距离
　　S：拉线端头拉力（拉线初拉力）
　　a：拉线两端点连线与水平面的夹角（见图4）
　　fs：拉线挠度（见图4）
　　可计算出x=5m、10m、15m、20m、25m、30m、、38.5m（中点）、45m、50m、55m、60m、65m、70m、75m处拉线挠度（见表3）。
　　3.3 高空作业位置点确定
　　根据以上计算得出的每个形变点处拉线的挠度值，结合图1可绘制出第二层拉线悬挂轨迹，确定1#至7#高空作业点的具体位置（見图4）。
　　4  选定高空作业位置点索道和吊篮的安全性分析
　　4.1 吊篮受力计算
　　施工中当吊篮移动到拉线绝缘架中心位置时（最佳施工位置），吊篮拉耳上安装的滑轮与承载索道接触点、牵引索道与吊篮连接点与绝缘架中心的距离大概为1.2m左右（这里取1.2m标准）。吊篮停止在作业点位置上受到牵引索的拉力F1、承载索对吊篮的承载力F2、吊篮及吊篮内装载的人及材料重量G=250kg。
　　对吊篮进行受力分析，根据力的正交分解法，（见图4吊篮节点C受力示意图）可知：
　　F1（X）=F2（X）， F1（X）= F1*cosb， F2（X）= F2*cosc
　　得：F1= F2*cosc/cosb                                 （1）
　　F1（Y）+F2（Y）=G， F1（Y）=F1*sinb， F2（Y）=F2*sinc
　　得：F1*sinb+ F2*sinc=G                               （2）
　　由（1）（2）得：F2=G*cosb/ （cosc*sinb+sinc*cosb ）     （3）
　　F1（X）：牵引索拉力F1在X轴上的分力
　　F2（X）：承载索对吊篮承载力F2在X轴上的分力
　　F1（Y）：牵引索拉力F1在Y轴上的分力
　　F2（Y）：承载索对吊篮承载力F2在Y轴上的分力
　　b：牵引索拉力F1与X轴的夹角
　　c： 承载索对吊篮承载力F2与X轴的夹角
　　由于牵引索自身具有的较大张力，牵引索（BC区间）因自重产生的悬索曲线和锚固端B（牵引索与铁塔的连接点）与连接点C（牵引索与吊篮的连接点）的连线基本吻合。因此通过作图（CAD制图）可知夹角b。当吊篮施工过程中静止在承载索道上时，承载索道在C点（承载索道与吊篮滑轮接触点）（牵引索与吊篮的连接点同承载索道与吊篮滑轮接触点重合）处受到的拉力，大小相等且方向相反。因此我们可以判断承载索道对吊篮的承载力方向位于C点处承载索两拉力夹角的平均线上，通过作图（CAD制图）可知吊篮在拉线1#至7#作业点位置的夹角c（见表4）。使用公式（1）（3）可计算出吊篮在1#至7#作业点位置处所受牵引索拉力F1、承载索对吊篮承载力F2。（见表4）。 　　由表9可查的13.0的钢丝绳安全重载了为2.45t（2450kg）大于表4中1#至7#作业点位置的牵引索对吊篮牵引力。故可得出牵引索安全的结论。
　　4.2  承载索张力计算
　　根据吊篮节点C受力示意图可知C点处索道上段所受拉力F拉=F0   （4）
　　根据力的平行四边形法则（见图4吊篮节点C受力示意图）
　　可知：F拉=F2/[2*cos（d/2） ]                                  （5）
　　d：索道C點处两拉力的夹角
　　F0：承载索张力
　　由公式（4）、（5）可得：F0=F2/[2*cos（d/2）]              （6）
　　由于承载索自身也具有较大的张力，可以看作承载索（AC、CD区间）因自重产生的悬索曲线和锚固端A（承载索与铁塔连接点）、锚固端D（承载索与地锚连接点）与滑轮接触点C的连线基本吻合。因此通过作图（CAD绘图）可知吊篮在拉线1#至7#作业点位置索道C点处两拉力的夹角d（见表5）。使用公式（6）可计算出吊篮在1#至7#作业点位置时承载索道所受张力F0（见表5）。
　　由表9可查的15.0的钢丝绳安全重载了为3.34t（3340kg）大于表5中1#至7#作业点位置的承载索张力。故可得出承载索安全的结论。
　　4.3 承载索对铁塔（锚固端A）拉力计算
　　承载索是使用卸扣直接与塔柱连接，因此承载索对铁塔（锚固端A）拉力F4=F0+M1                                    （7）
　　M1：锚固端A至滑轮节点C（AC区间）之间承载索的重量。
　　由于承载索自身具有较大的张力，可以看作承载索（AC区间）因自重产生的悬索曲线和锚固端A（承载索与铁塔连接点）与滑轮节点C的连线基本吻合。因此通过作图（CAD绘图）可知吊篮在拉线1#至7#作业点位置时承载索的长度L1（AC区间）（见表6）。
　　根据M1=m1*L1    （8）  可计算出承载索的重量。
　　m1：承载索单位重量（15.0钢丝绳）查表9。
　　使用公式（7）（8）可计算出吊篮在1#至7#作业点位置时承载索对铁塔（锚固端A）拉力（见表6）。
　　查看塔桅杆设计图纸可知其第二层拉线设计初拉力为8.3t（8300kg）远大于表6中承载索对铁塔（锚固端A）拉力，故可得出安全的结论。
　　4.4 牵引索对铁塔（锚固端B）拉力计算
　　牵引索是通过安装在塔顶的导向滑轮与塔柱连接（见图4牵引索对铁塔（锚固端B）拉力示意图），因此根据力的平行四边形法则可知：牵引索对铁塔（锚固端B）拉力
　　F3=2*（F1+M2）*cos （g/2）   （9）
　　M2：锚固端B至吊篮连接点C（BC区间）之间牵引索重量
　　g：  牵引索两端在塔顶导向滑轮处的夹角g
　　由于牵引索自身具有的较大张力，牵引索（BC区间）因自重产生的悬索曲线和锚固端B（牵引索与铁塔的连接点）与连接点C（牵引索与吊篮的连接点）的连线基本吻合。因此通过作图（CAD绘图）可知吊篮在拉线1#至7#作业点位置时牵引索的长度L2（BC区间）及牵引索两端在塔顶导向滑轮处的夹角g 。（见表7）
　　根据M2=m2*L2   （10）  可计算出牵引索的重量
　　m2：牵引索单位重量（13.0钢丝绳）查表9
　　使用公式（9）（10）可计算出吊篮在1#至7#作业点位置时牵引索对铁塔（锚固端B）拉力。（见表7）
　　查看塔桅杆设计图纸可知其第二层拉线设计初拉力为8.3t（8300kg）吨远大于表7中牵引索对铁塔（锚固端B）拉力，故可得出安全的结论。
　　4.5 地锚环（锚固端D）受力计算
　　（1）承载索是通过5T的导向滑轮与地锚环（锚固端D）连接（见图4地锚拉环D受力示意图），因此根据力的平行四边形法则可知：承载索对地锚环（锚固端D）拉力F5=2*（F0-M3）*cos（f/2）   （11）  f：承载索两端在地锚环（锚固端D）导向滑轮处的夹角;M3：吊篮节点C至地锚环（锚固端D）（CD区间）承载索重量
　　由于承载索自身也具有较大的张力，可以看作承载索（CD区间）因自重产生的悬索曲线和锚固端D（承载索与地锚连接点）的连线基本吻合。因此通过作图（CAD绘图）可知吊篮在拉线1#至7#作业点位置时承载索两端在地锚环（锚固端D）导向滑轮处的夹角f及吊篮节点C至地锚环（锚固端D）（CD区间）承载索长度L3（见表8）。
　　根据M3=m3*L3   （12）  可计算出承载索的重量
　　m3：承载索单位重量（15.0钢丝绳）查表9。
　　使用公式（11）（12）可计算出吊篮在每个作业点位置时承载索对地锚环（锚固端D）拉力F5（见表8）。
　　（2）地锚环（锚固端D）最大重载剪切力计算。
　　已知：地锚环（锚固端D）圆钢的直径为Φ22mm，材料为Q235碳钢，其许用剪切应力[σ]=98MPa
　　根据剪切力公式：F剪=2*S*[σ];
　　F剪： 圆钢最大剪切力;
　　S： 圆钢横截面积
　　[σ]：  Q235碳钢许用剪切应力
　　可计算出F剪=2*S*[σ]=лR2[σ]=2*[3.14*（22/2）*0.01]cm2*98*10.3323kg/cm2=7694kg
　　承载索是通过5T的导向滑轮与地锚环（锚固端D）连接，其对地锚环作用力表现为对地锚环的剪切力。根据计算可知地锚环（锚固端D）最大重载剪切力为7694kg大于表8中承载索对地锚环（锚固端D）拉力。故可得出安全的结论。
　　5  结语
　　使用索道施工技术要求较高，风险系数较大，特别是施工过程中承载索道对地锚拉环的拉力较大。因此要做好地锚拉环施工前的检查及施工中的监测工作，做好安全风险防控措施。同时在对7#工作点作业时可适当降低吊篮高度或对绝缘架分段施工以减小地锚拉环受力，从而降低施工风险系数。
　　参考文献
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　　[2] 沈韶华.工程力学[M].北京：经济科学出版社，2010.
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