池州秋浦河矮塔斜拉橋斜拉索體構(gòu)造及施工

林立軍，陳金水

(1.湖南路橋建設(shè)集團公司，湖南 長沙 410004，2.池州市公路局，安徽 池州 247100 )

1 概述

秋浦河特大橋位于池州市境內(nèi)杏花村農(nóng)貿(mào)市場和梅里開發(fā)區(qū)之間，全長1 068 m，橋?qū)?4.0 m，是濟祁高速池州長江大橋連接線跨越秋浦河的控制性工程，總體布置(圖1)為:(8 ×30 m)+(80 m+140 m+80 m)+(55 m+90 m+55 m)+(10 ×30 m+22 m)，跨江80 m+140 m+80 m 為矮塔斜拉主橋;跨堤55 m+90 m+55 m 為變截面連續(xù)箱梁橋;引橋為30 m 先簡支后連續(xù)組合箱梁。

圖1 池州秋浦河特大橋整體橋型布置圖

秋浦河大橋主橋為雙塔雙索面預應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，跨徑布置為80 m+140 m+80 m=300 m。

主塔橋面以上高23.5 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。斜拉索為雙索面，每個塔均設(shè)有9 對斜拉索，梁上錨固點順橋向間距為5 m，橫橋向間距為1.3 m。采用環(huán)氧鋼絞線斜拉索體系，斜拉索由環(huán)氧鋼絞線單層無粘接筋、HDPE 外套管、拉索錨具、防腐油脂等組成。塔上設(shè)置規(guī)格為43 絲和55 絲的分絲管式轉(zhuǎn)向鞍座，拉索錨具采用可換索式OVM250AT—43/55 群錨體系，單根鋼絞線規(guī)格直徑為15.2 mm，鋼絞線標準強度為1 860 MPa。

2 新型斜拉索體系

2.1 體系組成

本橋采用可換索式OVM250AT —43/55 群錨錨具+多層防護的環(huán)氧樹脂斜拉索體系。

該體系由錨固段+過渡段+自由段+抗滑錨固段+塔柱內(nèi)索鞍段+抗滑錨固段+自由段+過渡段+錨固段構(gòu)成。見圖2，表1。

2.2 體系特點

1)采用環(huán)氧鋼絞線斜拉索體提高斜拉索耐久性。

普通鍍鋅鋼絞線其表面采用電鍍鋅層來保護鋼絞線，其原理是通過犧牲鋅層來保護基材，鋅層是一種消耗性涂層，會在腐蝕環(huán)境中逐漸消耗掉，其對鋼絞線的保護能力會隨著時間的延續(xù)而降低。同時，目前國內(nèi)采用的鍍鋅工藝會降低鋼絞線的極限強度、疲勞強度，增加鋼絞線的氫脆性。

本套體系中采用表面涂抹環(huán)氧樹脂被膜的環(huán)氧樹脂鋼絞線(圖3)替代以往普通的鍍鋅鋼絞線，通過鋼絞線芯線和側(cè)線的外表面均單獨形成隔離涂膜，大大提高鋼絞線在橋梁惡劣室外條件下耐腐蝕能力。其表面涂膜基本不因時間的延續(xù)而發(fā)生損失、老化，從而大幅度提高了鋼絞線的耐久能力。同時，其表面隔離涂膜與鋼絞線親和性好，不損傷鋼絞線基層，對材料的力學性能無任何影響。且因芯線和側(cè)線的外表面均單獨形成被膜，各鋼絲之間不受約束，因而彎曲半徑在鋼絞線直徑的5 倍以上時不發(fā)生龜裂、膨脹、剝落等現(xiàn)象，其彎曲性能相對于普通鋼絞線大大提高，有利于安裝施工。

圖2 橋斜拉索構(gòu)造示意圖

表1 斜拉索分段組成表

圖3 斜拉索鋼絞線構(gòu)造示意圖

2)采用可換索式OVM250AT—43/55 群錨體系提高斜拉索可維修性。

通常，斜拉索在其使用過程中，由于橋梁所處的室外復雜的風、霜、雪、雨、高、低溫的影響。即使在各種防腐措施的保護下，也易于發(fā)生腐蝕。在此情況下，需對橋梁的斜拉索進行更換。通常，腐蝕的斜拉索是整束進行更換的，更換方法一般為先拆除后安裝的方式進行。

采用這種方式進行更換，在舊的斜拉索拆除后，新斜拉索安裝前，橋梁的承載力大幅度降低。

目前，國內(nèi)橋梁界一般的應(yīng)對方法是:在橋梁更換斜拉索期間要求橋梁封閉交通;同時要求橋梁設(shè)計時，大幅度提高橋梁上構(gòu)的極限承載力，以適應(yīng)橋梁在換索期間不至因為本身自重發(fā)生橋梁破壞。

這種斜拉索整束更換方式不僅使橋梁的建設(shè)成本大幅度提高，而且也大幅度提高了橋梁的維護營運成本，給車輛的交通、人員出行帶來一定的不利。

秋浦河特大橋矮塔斜拉主橋創(chuàng)新地采用可換索式OVM250AT—43/55 群錨體系實現(xiàn)了斜拉索的單根換索。見圖4。

圖4 OVM250AT－43/55 群錨體系構(gòu)造示意圖

①平行鋼絞線索體。

秋浦河特大橋矮塔斜拉主橋斜拉索為平行鋼絞線索體，鋼絞線為環(huán)氧鋼絞線單層無粘接筋，各鋼絞線間相互無約束、粘結(jié)。這為斜拉索鋼絞線的單根換索提供了前提條件。

②無粘結(jié)索鞍分絲管(圖5)。

同時，可換索式OVM250AT －43/55 群錨體系的精巧設(shè)計，實現(xiàn)了可單根換索。

分絲管分別由43/55 根φ 22 ×3 mm 的鋼管焊接成整體，埋設(shè)于混凝土塔內(nèi)。斜拉索鋼絞線通過分絲管中的單根鋼管分別穿過塔身，鋼絞線相互之間、鋼絞線與塔柱混凝土間均不直接接觸，同時，鋼絞線在無其它約束的條件下，可在分絲管的單根鋼管中自由滑移。

圖5 無粘結(jié)索鞍分絲管構(gòu)造

③對稱交錯布置的抗滑鍵。

由于塔柱主、邊跨斜拉索的鋼絞線在塔柱是聯(lián)通的，且在索塔分絲管內(nèi)能左右自由滑移，在矮塔斜拉橋主、邊跨施工、營運期間，由于汽車等移動荷載及其它荷載的不對稱布置，使聯(lián)通斜拉索不均勻受荷，致使斜拉索鋼絞線在塔柱索鞍分絲管內(nèi)發(fā)生滑移，導致其受力狀態(tài)不明確，主梁豎向位移、應(yīng)力增大。為避免這種情況的發(fā)生，在索塔索鞍分絲管兩側(cè)錨墊板外側(cè)的斜拉索鋼絞線上預先設(shè)置抗滑移鍵(圖6)。

斜拉索鋼絞線通過對稱交錯式布置的抗滑鍵錨固在塔身兩側(cè):斜拉索鋼絞線通過預先設(shè)置在其上的抗滑鍵錨固在塔柱中預埋的索鞍分絲管兩側(cè)的錨墊板上，同時，為便于斜拉索的安裝施工，抗滑鍵在斜拉索鋼絞線上為交錯對稱布置，即一根斜拉索鋼絞線的抗滑鍵錨固于塔柱的一側(cè)，其周邊相鄰的鋼絞線就錨固于塔柱的另一側(cè)，單根鋼絞線上僅設(shè)置一個抗滑鍵。

通過抗滑鍵的設(shè)置，有效地確保斜拉索鋼絞線在其橋梁施工、營運期間，主、邊跨斜拉索不發(fā)生相對位移。在斜拉索鋼絞線單根換索期間，在斜拉索鋼絞線塔柱無抗滑鍵側(cè)將鋼絞線切斷，將鋼絞線從另一端退出即可。

圖6 斜拉索鋼絞線抗滑鍵

3 斜拉索安裝施工

3.1 主要的施工方法

根據(jù)池州秋浦河特大橋斜拉主橋斜拉索單根鋼絞線間相互無粘結(jié)的特性，安裝時，采用單根掛索、單根張拉的施工方法。即通過斜拉索組成的鋼絞線的單根掛索實現(xiàn)整束斜拉索的掛索完成;通過斜拉索組成的鋼絞線單根張拉實現(xiàn)整束斜拉索的張拉到位。

3.2 工藝流程

施工準備HDPE→圓管安裝→單根掛索→單根張拉→索箍、減振裝置安裝→錨具防護。

3.2.1 技術(shù)要點

1)HDPE 套管安裝(圖7)。

HDPE 分段運輸至工地后，根據(jù)其安裝長度，采用專用設(shè)備進行加熱焊接，焊接溫度為170 ℃ ±10 ℃，采用加壓焊接。

HDPE 套管焊接完成后，塔吊、卷揚機、手拉葫蘆將其兩端分別安裝固定與塔柱相應(yīng)索鞍分絲管錨墊板附近及梁端相應(yīng)索導管梁面入口附近。

在HDPE 套管內(nèi)安裝第一根鋼絞線，預張拉，減小HDPE 套管在空中垂度，便于后續(xù)索鋼絞線的安裝。

2)斜拉索鋼絞線的安裝。

斜拉索鋼絞線的安裝采用單根穿索的方式進行。

圖7 HDPE 套管安裝示意圖

在其安裝前，按設(shè)計要求，在鋼絞線的穿索路線上安裝好錨杯、護套等其它附屬構(gòu)件，以便鋼絞線的一次性穿索完成。

預先在工廠內(nèi)按設(shè)計長度+工作長度完成鋼絞線的下料，下料時，應(yīng)注意鋼絞線上抗滑鍵的位置是否與設(shè)計位置相符合。然后將鋼絞線的一端由塔柱一側(cè)的梁面HDPE 套管底口穿入，順著HDPE 套管向上穿索，通過塔柱內(nèi)預埋分絲管鋼管至塔柱的另一面，穿入塔柱另一側(cè)的HDPE 套管直至塔柱另一側(cè)梁面的索導管口。再利用該側(cè)索導管內(nèi)預留的牽引繩，將鋼絞線端頭牽引入索導管并伸出索道管的錨點板、錨杯并留有足夠工作長度。

穿索開始側(cè)同樣利用索導管內(nèi)預留的牽引繩，將鋼絞線端頭牽引入索導管并伸出索道管的錨點板、錨杯并留有足夠工作長度。

在斜拉索鋼絞線的穿索過程中，應(yīng)注意鋼絞線抗滑鍵的布設(shè)。穿索完成后，應(yīng)確保鋼絞線的抗滑鍵是頂緊在索鞍分絲管錨墊板上的。

由于斜拉索相鄰鋼絞線的抗滑鍵是交錯對稱布置的，在一根鋼絞線安裝完成后，應(yīng)從該根鋼絞線開始安裝側(cè)的另一側(cè)開始相鄰鋼絞線的安裝。

按以上方法，完成一束斜拉索所有鋼絞線的安裝。

在斜拉索的安裝過程中，應(yīng)對斜拉索進行一定程度的預緊，防止其垂度過大。同時亦應(yīng)防止其打絞。

3)斜拉索鋼絞線的張拉。

斜拉索的張拉采用鋼絞線單根張拉的方法完成整束張拉。

①鋼絞線張拉方法。

由于斜拉索多根鋼絞線分先后依次進行單根張拉，每一根張拉的鋼絞線會使梁端上抬，致使前面張拉的鋼絞線縮短，產(chǎn)生應(yīng)力損失，導致鋼絞線應(yīng)力不滿足設(shè)計要求且受力不均勻。

施工時采用等張拉法可有效地解決這一問題。

等張拉力法原理:當前絞線控制張拉力=前一絞線張拉力－前兩根絞線放張后傳感器讀數(shù)的差值。

②鋼絞線張拉過程。

a)依次安裝單根張拉支座和YLSDl60 —150 千斤頂。

b)按單根初始張拉力依次張拉1#、2#鋼絞線，并在3#絞線上安裝傳感器，3#鋼絞線放張錨固后傳感器顯示讀數(shù)N3。

c)按計算的單根初始張拉力張拉4#絞線，4#絞線放張錨固后傳感器顯示讀數(shù)N4。

d)5#絞線的張拉力=4#絞線張拉力－(N3 －N4)，即:當前絞線張拉力=前一絞線張拉力－前兩根絞線放張后傳感器讀數(shù)的差值。

e)依此類推，一直張拉完43#絞線，再返回頭按相同方法依次張拉1#、2#、3#鋼絞線，張拉3#絞線前先將安裝在其上的傳感器取出，再按相同方法計算好的張拉力來張拉3#絞線，到此，一對斜拉索張拉結(jié)束。

f)在單根張拉完每一根絞線后，應(yīng)嚴格控制工作夾片的跟進平整度。

g)在單根張拉過程中，兩側(cè)應(yīng)同時均衡進行加載。

h)拉索從錨具的上一排到下一排，從左至右依次掛設(shè)張拉。

③鋼絞線第一級初張力的確定。

一般在普通預應(yīng)力鋼絞線的張拉施工過程中，采用兩級張拉，利用第一級初張拉消除其它非彈性變形。

斜拉索鋼絞線相對于普通預應(yīng)力鋼絞線在預應(yīng)力張拉過程中非彈性變形有很大的不同:斜拉索鋼絞線在空中一般成懸鏈線分布(圖8)。在不同的張拉力T 下，其垂度fm不同，導致斜拉索鋼絞線在固定的錨點間的自然長度S 亦不同。當張拉力增大時，鋼絞線的垂度fm變小，鋼絞線在固定的錨點間的自然長度S 亦變小，產(chǎn)生一個因垂度變化而導致的非彈性伸長。致使斜拉索鋼絞線張拉時，其伸長量大于按普通預應(yīng)力束計算的伸長量值。

圖8 斜拉索鋼絞線空間線型分布圖

同時，鋼絞線在固定的錨點間的自然長度S 變化幅度與張拉力T 的大小成反比。因此，在施工時必須考慮斜拉索鋼絞線在張拉過程中，逐漸增大拉力T 作用下，其因空間垂度變化fm導致固定的錨點間的自然長度S 減小而產(chǎn)生的非彈性伸長值對施工影響。

同時，根據(jù)斜拉索鋼絞線兩級張拉施工特性及其在固定的錨點間的自然長度S 變化幅度與張拉力T 的大小成反比的特性，通過控制第一級初張力的大小，有效控制斜拉索鋼絞線因空間垂度變化fm導致固定的錨點間的自然長度S 減小而產(chǎn)生的非彈性伸長值對施工影響。

為便于計算，在施工時，將斜拉索鋼絞線的空間線型由懸鏈線簡化為拋物線型，按以拋物線的公式分別計算出斜拉索鋼絞線在固定錨點間，在不同的拉力作用下，固定的錨點間的自然長度S。并通過其與設(shè)計張拉力作用下，固定的錨點間的自然長度S 值差值(即非彈性伸長值)的對比，得出合適的第一級初張力。

如圖9所示，q 為斜拉索自重集度，fm為斜拉索跨中的徑向撓度。因索不承擔彎矩，根據(jù)索處彎矩為0 的條件，得到:

根據(jù)拋物線長度的計算公式:

得:

式中:S 為鋼絞線在T 張拉力下的空間長度;q 為斜拉索自重集度;l 為斜拉索鋼絞線兩端錨點間直線距離;T 為斜拉索鋼絞線張拉力;α 為斜拉索空間傾角;Sn%T為第一級初張力下的 S 值;S100%T為100%張拉力T 下的S 值。

圖9 計算簡圖

根據(jù)以上公式計算出秋浦河特大橋斜拉主橋N1～N9 斜拉索單根鋼絞線在5%、10%、20%設(shè)計張拉力下的S 值與100%設(shè)計張拉力的差值及偏差百分比。

通過計算，在5%設(shè)計張拉力T 下，最大偏差為13%;10% 設(shè)計張拉力 T 下，最大偏差為3.1%;20%設(shè)計張拉力T 下，最大偏差為0.008%。由此可看出20%設(shè)計張拉力T 下，最大偏差遠小于施工規(guī)范規(guī)定的6%的偏差限值，幾乎可忽略不計。

因此，秋浦河大橋斜拉主橋斜拉索鋼絞線施工時，第一級初張力選擇為20%的設(shè)計張拉力。

4)緊索、梁端減震器、管口索夾、塔端減振器、索箍及連接裝置等其它附屬構(gòu)件的安裝。

斜拉索鋼絞線全部張拉結(jié)束后，立即進行緊索、梁端減震器、管口索夾、塔端減振器、索箍及連接裝置等其它附屬構(gòu)件等工作。

5)防護。

在斜拉索張拉端錨具的外露部分涂抹10 mm厚度的防腐油脂并安裝保護罩;梁端錨具密封筒內(nèi)灌注防腐油脂進行防護。

4 結(jié)束語

矮塔斜拉橋為我國橋梁界日漸推廣應(yīng)用的一種橋型。其中斜拉索為該種橋型的主要組成構(gòu)件。

可換索式OVM250AT －43/55 群錨錨具+多層防護的環(huán)氧樹脂斜拉索體系及其施工安裝方法在池州秋浦河特大橋斜拉主橋上的成功應(yīng)用，為矮塔斜拉橋推廣應(yīng)用積累了成功的經(jīng)驗，為同類型橋梁的建設(shè)提供了可供借鑒的范例。