陳 策,唐 軻

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210098;2.江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,江蘇泰州 225321)

三塔懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工及其技術(shù)創(chuàng)新

陳 策1,2,唐 軻2

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京 210098;2.江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,江蘇泰州 225321)

泰州大橋為世界首座千米級的三塔兩跨懸索橋,與兩塔懸索橋相比,其上部結(jié)構(gòu)施工中存在著眾多技術(shù)難題,論述三塔懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵工序及專用的緊纜機(jī)、纏絲機(jī)、跨纜吊機(jī),重點介紹上部結(jié)構(gòu)施工中的貓道安裝、主纜線形控制、鋼箱梁吊裝順序確定及合龍段施工等,并闡述了上部結(jié)構(gòu)施工中的專利、標(biāo)準(zhǔn)及多項創(chuàng)新技術(shù),為今后的多塔連跨結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)施工提供借鑒。

三塔懸索橋;上部結(jié)構(gòu)施工;貓道安裝;主纜架設(shè);鋼箱梁吊裝;技術(shù)創(chuàng)新

1 概述

泰州大橋北接泰州市,南聯(lián)鎮(zhèn)江市和常州市,主橋為三塔兩跨懸索橋,跨徑布置為(390+1 080+1 080+ 390)m。與傳統(tǒng)兩塔懸索橋相比,三塔懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工中的技術(shù)難點主要有4點[1,7]:一是貓道跨越塔頂?shù)念A(yù)留預(yù)埋受到鋼塔構(gòu)造的制約;二是主纜架設(shè)過程中需3次跨越塔頂,索股更容易產(chǎn)生斷帶、鼓絲、扭轉(zhuǎn)和呼啦圈等,對牽引設(shè)備和放索系統(tǒng)提出了更高的要求;三是中塔受溫度、風(fēng)荷載及不平衡荷載影響,主纜線形控制難度很大;四是鋼箱梁吊裝面臨著全新的技術(shù)問題,三塔懸索橋必須對稱中塔吊裝,合龍段施工、中塔無索區(qū)梁段吊裝的安裝控制等難度較大。

2 施工方案

2.1 施工流程

泰州大橋上部結(jié)構(gòu)施工流程如下。

(1)安裝索鞍。邊塔主索鞍通過塔頂門架懸臂起吊系統(tǒng)在主跨側(cè)起吊。為減輕吊裝、運輸重量,鞍體分為兩半,吊至塔頂后用高強(qiáng)螺栓拼接。中主鞍采用鑄焊結(jié)合型外殼,鞍座不設(shè)預(yù)偏量,不需設(shè)滑動副,鞍體分為兩半制造,吊至塔頂后用高強(qiáng)螺栓拼接。散索鞍通過錨碇門架在支墩后用單臺250 kN卷揚(yáng)機(jī)吊裝。

(2)安裝貓道系統(tǒng)。用輕質(zhì)高強(qiáng)度纖維繩在水面牽引先導(dǎo)索過江,兩主跨先后進(jìn)行,另一跨航道可正常通行。承重索采用托架法架設(shè),不影響通航。以中塔為界,南北上下游共4套獨立單線往復(fù)牽引系統(tǒng),4個工作面同時架設(shè)貓道承重索。

(3)安裝主纜。采用門架拽拉式雙線往復(fù)牽引系統(tǒng)從北岸向南岸進(jìn)行牽引,用相對基準(zhǔn)索法進(jìn)行索股調(diào)整。應(yīng)用被動放索裝置、防扭轉(zhuǎn)魚雷夾、拽拉器、安全握索器、入錨牽引器等多項專利技術(shù)保證長距離索股架設(shè)質(zhì)量。

(4)緊纜。按先主跨后邊跨順序緊纜,主跨從跨中向塔方向進(jìn)行,邊跨從錨碇向塔方向進(jìn)行。

(5)安裝索夾。采用跨纜吊機(jī)從低往高安裝索夾,施工中分3次補(bǔ)足索夾緊固螺栓軸力。

(6)安裝吊索。在索夾位置垂直起吊吊索。

(7)安裝鋼箱梁。采用全液壓跨纜吊機(jī)小節(jié)段吊裝方案,全橋共136個吊裝梁段,安裝順序是從兩主跨跨中對稱向索塔方向進(jìn)行,索塔附近各設(shè)1個合龍段,按先中塔后邊塔的順序合龍。邊塔淺灘區(qū)和中塔區(qū)部分梁段,采用支架和蕩移方式安裝。

(8)主纜纏絲防護(hù)。主纜按照自上而下纏絲,先從塔頂往錨碇處進(jìn)行邊跨纏絲,上下游同時進(jìn)行。邊跨纏絲完成后,進(jìn)行主跨纏絲,上下游同時進(jìn)行。纏絲完成后進(jìn)行涂裝防護(hù)。

2.2 主要施工設(shè)備

2.2.1 ZJ620型緊纜機(jī)

中交二公局研制了智能化控制主纜緊纜機(jī)(圖1),能適用700～1 000mm的主纜直徑,緊固能力為6× 2 000 kN,由緊固裝置、移動裝置、液壓系統(tǒng)等組成,采用模塊化設(shè)計和制造,單件質(zhì)量輕,便于制造、運輸與拼裝,緊纜機(jī)在緊纜施工前、后的安裝與拆卸均可由塔吊和纜索吊來完成,液壓管路布設(shè)在箱形機(jī)體外壁,便于維修和液壓管路的拆除,改進(jìn)的緊固蹄在緊纜時更有利于主纜成形以及保護(hù)主纜表面鋼絲,液壓系統(tǒng)采用二級變量超高壓泵站,可自動調(diào)節(jié)高、低壓泵工作壓力,加大了千斤頂頂伸速度調(diào)節(jié)范圍,可實現(xiàn)消除壓力沖擊,平穩(wěn)換向。智能化控制系統(tǒng)可直觀顯示纜徑、空隙率等數(shù)據(jù)。

圖1 緊纜機(jī)

2.2.2 纏絲機(jī)

中交二公局研制了CSJ950型主纜纏絲機(jī)(圖2),在潤揚(yáng)大橋和舟山西堠門大橋已成功應(yīng)用。該纏絲機(jī)適用于纏繞圓形鋼絲和“S”形鋼絲,具有可上坡或下坡以及連續(xù)纏絲作業(yè)功能。纏絲機(jī)最大張力為3 kN,最大傾角為30°,纏絲速度為11.25～225.6 mm/min,適用纜徑為700～950mm。

2.2.3 跨纜吊機(jī)

跨纜吊機(jī)(圖3)提升能力3 700 kN,提升速度36m/h,由主橫梁、主纜行走模塊、提升索股千斤頂、液壓驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、鋼箱梁吊具、中央控制系統(tǒng)、動力模塊、吊機(jī)移動索股千斤頂?shù)炔糠纸M成。中央自動控制系統(tǒng)可控制整個設(shè)備吊裝、行走等全部作業(yè);采用模塊化設(shè)計使得吊機(jī)僅需更換少量的部件就可以適應(yīng)不同跨徑、不同纜徑懸索橋鋼箱梁的吊裝工作。該吊機(jī)在塔頂和跨中均可以進(jìn)行安裝和拆卸,有利于縮短施工工期,減小施工干擾。

圖2 纏絲機(jī)

圖3 跨纜吊機(jī)

3 三塔懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 貓道施工

三塔懸索橋貓道有“4跨連續(xù)”、“2跨連續(xù)”、“4跨分離”3種構(gòu)造形式,通過對3種形式貓道線形、貓道承重索張力、塔頂水平力差的計算分析以及與塔頂連接的構(gòu)造處理等的綜合比較,選擇不設(shè)抗風(fēng)纜4跨連續(xù)構(gòu)造[8]。其優(yōu)點如下:(1)中塔塔壁上不設(shè)貓道錨固構(gòu)造,可保護(hù)中塔;(2)不產(chǎn)生不平衡力,施工中可以將貓道對永久結(jié)構(gòu)的附加影響控制到最小程度,降低調(diào)索難度及提高安裝精度;(3)貓道在端部區(qū)更接近平行于主纜,豎向距離較為均勻,方便作業(yè); (4)不設(shè)抗風(fēng)纜,對航道影響最小。貓道主跨設(shè)置橫向通道7道,間距135m,邊跨設(shè)置橫向通道2道,間距約130m,貓道主要由承重索、扶手索、面層、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、橫向通道、制振結(jié)構(gòu)、錨固體系等組成。貓道施工主要包括牽引系統(tǒng)施工、承重索施工、面層系統(tǒng)施工等。

為提高貓道承重索架設(shè)速度,貓道承重索在中塔變位架處分為2段,以中塔為界,南北貓道承重索由2套(上下游共4套)獨立單線往復(fù)牽引系統(tǒng)架設(shè)。牽引系統(tǒng)布置見圖4。2段貓道承重索,在南北錨碇前面牽引,前錨頭經(jīng)邊塔導(dǎo)向輪至中塔連接,后錨頭通過錨碇門架上的卷揚(yáng)機(jī)滑車組牽引反拉至錨固處錨固,形成4跨連續(xù)的貓道承重索。

主跨貓道承重索采用空中托架法間接架設(shè)。托架間距100m,貓道承重索邊塔自重提供反張力,可使架設(shè)時托架間貓道承重索的最大垂度維持在最小通航凈空以上,不影響通航。承重索架設(shè)完成并精確調(diào)整垂度后,安裝中塔變位梁及邊塔變位下拉系統(tǒng)。貓道面層和貓道橫向通道采用下滑鋪設(shè)法,主、邊跨同時對稱鋪設(shè)。之后安裝貓道制振系統(tǒng)及門架拽拉式牽引系統(tǒng)。

3.2 主纜架設(shè)

主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股,每根主纜由169根索股組成,每股由91根φ5.2mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成,單根索股無應(yīng)力長約3 100m,重約475 kN。架設(shè)順序按索股編號從1號～169號依次進(jìn)行。索股架設(shè)主要包括索股牽引、橫移、整形、入鞍、入錨等工序。

索股前端錨頭與拽拉器連接,啟動卷揚(yáng)機(jī)牽引索股,2臺卷揚(yáng)機(jī)同速收、放,這種被動放索機(jī)構(gòu),可以保持索股放索與牽引速度一致,使索股始終保持一定的反拉力,避免索盤轉(zhuǎn)動慣性引起“呼啦圈”以及散絲。每隔一定距離安裝一個魚雷夾具,牽引過程中索股前錨頭、每個魚雷夾具安排工人跟蹤監(jiān)控,及時糾正索股扭轉(zhuǎn)、彎曲及松散變形等問題。索股后錨頭從索盤上放出后,用塔吊提起放至錨跨。在索股中點標(biāo)記與中塔主索鞍中點標(biāo)記基本重合時,停止索股牽引,索股整形、入鞍,完成后將索股錨頭與對應(yīng)的錨固系統(tǒng)進(jìn)行臨時錨固。上、下游索股對稱同步架設(shè),架設(shè)時觀測塔身扭轉(zhuǎn)和位移。索股牽引施工流程見圖4。

圖4 索股牽引流程

入鞍前將索股斷面整形為矩形斷面,主、散索鞍處索股全部整形完畢后,將索股置入相應(yīng)鞍槽內(nèi)。為防止上層索股擠壓下層索股,入鞍時適當(dāng)抬高索股垂度,主跨跨中預(yù)抬高300～400 mm,邊跨跨中預(yù)抬高100～200mm。索股入鞍后,用錨室內(nèi)的卷揚(yáng)機(jī)反拉索股錨頭,將索股兩端錨頭與對應(yīng)的錨固系統(tǒng)通過拉桿臨時錨固。垂度調(diào)整順序是先主跨后邊跨,調(diào)整分為基準(zhǔn)索股垂度調(diào)整和一般索股垂度調(diào)整?；鶞?zhǔn)索股垂度調(diào)整方法是絕對高程法,一般索股垂度調(diào)整方法是相對基準(zhǔn)索股進(jìn)行垂度調(diào)整。索股垂度調(diào)整好后,采用千斤頂調(diào)整松緊拉桿螺母使錨跨索股張力達(dá)到設(shè)計要求。

3.3 鋼箱梁安裝

鋼箱梁除跨中2對吊索對應(yīng)梁段(梁段長32 m)整體作為1個吊裝梁段外,其余采用小節(jié)段吊裝方案,每個制造梁段為1個吊裝節(jié)段,全橋共134個吊裝節(jié)段,標(biāo)準(zhǔn)吊裝節(jié)段長16m。鋼箱梁安裝的總體吊裝順序是從南北兩主跨跨中33、34號吊索梁段開始,同時向索塔方向分4個工作面對稱進(jìn)行吊裝施工,在中塔兩側(cè)和邊塔附近各設(shè)1個合龍段,全橋共設(shè)4個合龍段。合龍段選擇在靠近索塔位置且滿足從運梁船上垂直起吊安裝的3號、62號吊索對應(yīng)梁段。合龍段采用預(yù)偏合龍方案安裝,先安裝中塔附近合龍段,后安裝邊塔附近合龍段。

全橋鋼箱梁總體安裝流程見圖5所示。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 專利

泰州大橋上部結(jié)構(gòu)施工中已獲得3項專利,簡介如下。

圖5 鋼箱梁總體安裝流程

發(fā)明專利《一種懸索橋主纜的防腐處理方法》[9]:在主纜護(hù)套層的排氣管上設(shè)置1排氣閥,使進(jìn)氣部與排氣部之間的空氣壓力可調(diào);主纜與保護(hù)套間隙內(nèi)的空氣壓力大于纜索外的空氣壓力。干燥空氣由送氣部送至主纜內(nèi)鋼絲的間隙,然后由排氣部排出,使主纜內(nèi)部形成干燥環(huán)境,防止鋼絲腐蝕。在主纜潮濕初期除濕階段,排氣閥全開,大流量的干燥空氣送入進(jìn)行快速除濕;在主纜干燥后期維護(hù)階段,排氣閥全關(guān)或部分關(guān)閉,只需小流量的干燥空氣就可使得主纜內(nèi)保持微正壓,防止外界潮氣從主纜密封護(hù)套層上的縫隙進(jìn)入,保證了內(nèi)部干燥的要求,節(jié)省了除濕送氣系統(tǒng)電耗,延長了除濕送氣系統(tǒng)的壽命[10-11]。

實用新型專利《一種大跨度懸索橋施工中的先導(dǎo)索水面牽引的放索裝置》[12]:它包括支撐架、制動器、索盤卷筒、芯軸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、交流力矩電機(jī);支撐架上固定有軸,索盤卷筒通過滾動軸承繞芯軸相對轉(zhuǎn)動,制動器在索盤卷筒一端,索盤卷筒的另一端通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)與交流力矩電機(jī)連接,索盤卷筒端部有制動器,交流力矩電機(jī)與索盤卷筒之間設(shè)有齒輪傳動機(jī)構(gòu);索盤卷筒上套有先導(dǎo)索。這種大跨度懸索橋施工中的先導(dǎo)索水面牽引的放索裝置可降低施工成本、提高效率。

實用新型專利《一種懸索橋主纜防腐用節(jié)能除濕裝置》[13]:包括轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)和高壓送風(fēng)機(jī),轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的干空氣出口與高壓送風(fēng)機(jī)的進(jìn)口相連,高壓送風(fēng)機(jī)的出風(fēng)管道上設(shè)有叉流換熱器,高壓送風(fēng)機(jī)出口連接主纜送氣管道,轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的再生空氣進(jìn)口與叉流換熱器的風(fēng)道出口相連,該風(fēng)道進(jìn)口與室外大氣相連。高壓送風(fēng)機(jī)出口的灼熱空氣通過叉流換熱器,預(yù)熱轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的再生進(jìn)口空氣,大大節(jié)省了再生電加熱器功耗,節(jié)省了除濕系統(tǒng)運行能耗,實現(xiàn)了送氣廢熱回收利用[14]。

4.2 創(chuàng)新技術(shù)

首次完成三塔多跨連續(xù)貓道的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù),適合三塔懸索橋結(jié)構(gòu)行為要求。

提出并應(yīng)用了高強(qiáng)度輕質(zhì)纖維繩先導(dǎo)索水面過江施工技術(shù)。

應(yīng)用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的主纜除濕系統(tǒng),對國產(chǎn)密封材料、涂裝材料等施工對比試驗研究,形成了國產(chǎn)化除濕系統(tǒng)完整的產(chǎn)業(yè)鏈,提升了我國懸索橋的主纜除濕防護(hù)技術(shù)水平。

雙楔形接頭連接式構(gòu)造的拽拉器,與通常采用冷擠壓萬向接頭構(gòu)造形式的拽拉器相比,結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、質(zhì)量輕、成本低,安裝使用更加方便。

新型索股形狀保持器,可以保證索股按正六邊形排列,防止索股相互擠壓串位,加強(qiáng)了側(cè)向限位能力,形狀保持效果比較好。

索股支撐滾筒改進(jìn)設(shè)計,塔頂通過增加托滾數(shù)量,特制托滾支架,降低支撐高度,增大豎向支撐彎曲半徑,與貓道滾筒間設(shè)置平滑過渡,使得主纜經(jīng)過的豎向曲線更加平滑,減少了索股斷帶和散絲,提高了索股架設(shè)質(zhì)量。

索股上錨通道和后錨頭上錨系統(tǒng),上錨通道設(shè)置為角度27°的平緩?fù)ǖ?減少斷帶發(fā)生幾率。后錨頭上錨系統(tǒng)設(shè)計為軌道小車式,減少長滾筒式設(shè)計的施工成本,避免架空索道式設(shè)計不能連續(xù)通過錨塊小門架的弊端。該設(shè)計既減低了施工投入,又提高了施工效率。

5 結(jié)語

泰州大橋是世界上首座千米級的三塔兩跨懸索橋,它的成功建成將大大促進(jìn)跨江越海工程的發(fā)展。泰州大橋的上部結(jié)構(gòu)施工中,采用了多項世界領(lǐng)先的技術(shù),形成了大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果,有力地保障了大橋的順利施工,促進(jìn)了我國橋梁施工的技術(shù)進(jìn)步。

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[14]陳策.我國懸索橋主纜除濕系統(tǒng)研究的最新進(jìn)展[J].中國工程科學(xué),2010(4):95 -99.

Construction and Technological Innovation on Superstructure of Three-tower Two-span Suspension Bridge

CHEN Ce1,2,TANG Ke2
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Jiangsu Provincial Yangtze Highway Bridge Construction Commanding Department,Taizhou 225321,China)

Taizhou Bridge is the first suspension bridge of kilometer level in the world,with three towers and two spans.Comparing with two towers suspension bridge,its superstructure construction is much more difficult.This paper describes themain construction process and the specialmachines such as cable tightmachine,cable winding machine and loop wheel machine.And then it discusses especially the construction of catwalk system,main cable geometric pattern controlling,steel box girder hoisting sequence and closure section construction.It also mentions the patents,standards,and a number of innovative technologies in the construction of the superstructure,which will provide a reference for the future superstructure construction ofmulti-tower suspension bridge.

three-tower suspension bridge;superstructure construction;catwalk system construction; main cable installment;steel box girders lifting;technical innovation

U448.25

A

1004 -2954(2012)10 -0034 -04

2012-02-16

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG15B02),交通運輸部2008年度部省聯(lián)合攻關(guān)項目(2008-353-332-170),江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”專項資助項目

陳 策(1975—),男,高級工程師,1998年畢業(yè)于東南大學(xué)交通土建專業(yè),博士研究生,E-mail:cc808cc@163.com。