呂大財

(中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部,南京 200142)

引言

主纜是懸索橋主要構(gòu)件之一，具有承擔(dān)懸索橋活載和加勁梁恒載等作用?，F(xiàn)代懸索橋均使用高強度鋼絞線制作而成的主纜作為受力構(gòu)件，具有受力合理，承載能力強等優(yōu)點。懸索橋主纜的架設(shè)方法主要有早期的空中編纜法(AS法)和目前常用的預(yù)制平行索股法(PPWS)[1]。PPWS法[2]源于日本，關(guān)門大橋是日本使用預(yù)制平行索股法的開端[3]?；㈤T大橋主纜跨度888 m，2根主纜各由110根索股構(gòu)成，該橋架設(shè)時采用PPWS法，由往復(fù)式門架拽拉牽引架設(shè)而成[4-5]。江陰大橋主纜跨度1385 m，主纜采用PPWS法架設(shè)并設(shè)計了一種新的牽引方案[6]。潤揚大橋主跨1490 m，兩根主纜各含184條預(yù)制平行鋼絲索股，采用了PPWS法進行架設(shè)，并在架設(shè)前進行了放索試驗以保證主纜架設(shè)順利完成[7]。PPWS法較AS法具有一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在PPWS法架設(shè)速度快、受場地和天氣制約較小，故在我國應(yīng)用廣泛，但也存在放索不順、索股回竄下垂(俗稱“呼啦圈”)、鼓絲、散絲、串絲等問題[8-9]。

目前，國內(nèi)大跨度懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工采取了一系列創(chuàng)新技術(shù)。王海城等[10]提出一種新的自錨式懸索橋基準索股線形控制方法，有效分離了基準索線形受基準索自身溫差影響和主梁受溫差影響而引起的變化量；廖燦等[11]深入介紹了矮寨大橋主纜索股架設(shè)及索股調(diào)整工藝流程，分析對比了與其他類似懸索橋主纜架設(shè)施工的不同做法，驗證了矮寨大橋主纜架設(shè)施工的方便，經(jīng)濟。劉世忠等[12]針對橋址晝夜溫差達到14℃的劉家峽大橋推導(dǎo)出主纜線形的溫度修正方程，制定了通過調(diào)整索長達到垂度調(diào)整的方法，保證了該橋成橋狀態(tài)的線形。靖振帥等[13]闡述了駙馬長江大橋基準索施工測量控制中的主要技術(shù)，采用工裝布置棱鏡減小了外界因素的影響，并采用塔錨聯(lián)測確定索鞍相關(guān)信息，為主纜索股加工長度提供了依據(jù)。王睿[14]對高原山區(qū)大跨度懸索橋關(guān)鍵施工方案進行了研究。對于場地，交通受限區(qū)域應(yīng)優(yōu)先采用無人機牽引先導(dǎo)索過江，合理選擇循環(huán)式或往復(fù)式牽引系統(tǒng)，采用智能化控制系統(tǒng)。吉林等[15-16]闡述了三塔兩跨懸索橋泰州大橋上部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵工序，以及懸索橋主纜防腐處理、先導(dǎo)索水面牽引的放索裝置等創(chuàng)新技術(shù)。李芳軍[17]介紹了魚嘴長江大橋采用的平面大循環(huán)牽引系統(tǒng)實施主纜索股架設(shè)，取得了良好的施工效果。

隨著懸索橋荷載及跨徑的發(fā)展，主纜直徑不斷增大，主纜施工難度越來越高。新建連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋主纜跨徑1 092 m，承載4線鐵路及8線公路。大橋主纜直徑達1.3 m，每根主纜由352根索股構(gòu)成[18]。該橋主纜架設(shè)時采用了PPWS法，高空和大風(fēng)對主纜架設(shè)施工具有較大影響，故針對五峰山長江大橋主纜架設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 大橋主纜概況

五峰山長江大橋是中國首座公鐵兩用橋懸索橋，是新建連鎮(zhèn)鐵路線路的重要組成部分，其主橋為(84+84+1 092+84+84) m鋼桁梁懸索橋。大橋采用雙層橋面，上層為八車道高速公路；下層為四線高速鐵路。五峰山長江大橋全橋共設(shè)置2根主纜，橫向間距為43 m，主纜跨度1 092 m，矢跨比為1/10，兩主塔外主纜跨度均為350 m。其主橋及主纜線形如圖1所示。

圖1 五峰山長江大橋主橋及主纜立面布置(單位：m)

大橋主纜采用預(yù)制平行高強鋼絲索股結(jié)構(gòu)，兩主纜分別由352股索股構(gòu)成，每股由127根標準強度為1 860 MPa的φ5.5 mm高強度鍍鋅鋁鋼絲組成。主纜擠圓后直徑為1 300 mm。索股采用定型綁扎帶捆扎而成，約束索股斷面形狀使其保持正六邊形[19-20]。索股截面頂面最左側(cè)的鋼絲為標志絲，用來監(jiān)測索股架設(shè)時的扭轉(zhuǎn)情況；頂面最右側(cè)鋼絲為標準絲，索股架設(shè)時用來控制索股長度。鋼絲加工時主跨跨中、邊跨跨中、散索鞍平彎起彎面、距離錨杯端面1 m處、錨杯端面等11個標記點位置噴涂紅色和藍色兩種油漆。索股成型后再在對應(yīng)標記位置將整根索股噴涂紅、藍油漆，各60 mm寬。索股斷面如圖2所示。

圖2 主纜索股示意

主纜索股數(shù)量多，主纜直徑大，大橋高度高，均給主纜架設(shè)施工帶來挑戰(zhàn)。此外，擠圓后主纜直徑達1.3 m，超越現(xiàn)有主纜直徑，需單獨研制相應(yīng)的緊纜機和纏絲機以確保成纜質(zhì)量。

2 基于PPWS法的主纜架設(shè)總體方案

大橋索股采用雙線往復(fù)式牽引系統(tǒng)進行架設(shè)，即利用牽引區(qū)的卷揚機，沿貓道面用循環(huán)牽引索每次從放索區(qū)牽引一根索股。上下游各設(shè)一套牽引系統(tǒng)，索股自索盤拖出后，在適當(dāng)部位捆扎定型綁扎帶使其保持六角形，并防止局部鋼絲出現(xiàn)凸包現(xiàn)象。索股牽引到指定位置后，先將錨頭臨時固定，再將索股進行整形，索股橫移至鞍座槽內(nèi)后，將錨頭裝入錨桿。

主纜架設(shè)過程中索股垂度調(diào)整是其中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，為保證主纜線形達到設(shè)計值起到關(guān)鍵作用。架設(shè)好基準索股后即可對其進行垂度調(diào)整，調(diào)整方法采取絕對高程法。根據(jù)調(diào)整后的基準索股架設(shè)一般索股，基于基準索對一般索股進行調(diào)整。主纜基準索和一般索股垂度調(diào)整完成后，對其進行預(yù)緊纜和正式緊纜施工。首先將排列順暢的散狀高強鋼絲束初步整圓，然后利用纜索緊纜機向主纜中心擠緊。緊纜須按照一定順序進行，先從跨中向主塔塔頂方向逐步擠緊，再從錨碇向主塔塔頂方向逐步擠緊。大橋主纜架設(shè)施工總體流程如圖3所示。

圖3 大橋主纜架設(shè)施工總體流程

3 主纜牽引架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 牽引系統(tǒng)

大橋上下游主纜索股均采用雙線往復(fù)式牽引系統(tǒng)進行架設(shè)，牽引區(qū)和放索區(qū)分別設(shè)置于南、北兩岸。貓道系統(tǒng)安裝調(diào)試后，利用單線往復(fù)式牽引系統(tǒng)將第2根牽引索由北岸牽引至南岸，然后將2根牽引索首尾相連，并繞過北錨碇處的回轉(zhuǎn)支架，將牽引索放入門架導(dǎo)輪。牽引索在南錨碇頂面經(jīng)轉(zhuǎn)向架引至錨碇上游側(cè)地面，將2個繩頭分別與2臺卷揚機連接，即可形成雙線往復(fù)式牽引系統(tǒng)。主纜牽引系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 主纜牽引系統(tǒng)布置示意

雙線往復(fù)對拉牽引系統(tǒng)的雙線拽拉器的安裝部位通過實際試牽引確定，使得當(dāng)上游側(cè)拽拉器由放索區(qū)牽引主纜索股到達南錨碇時，下游拽拉器正好到達放索位置，使主纜架設(shè)施工連貫。實際施工中，先將上游拽拉器安裝好，下游拽拉器先布置在其對角位置，待牽引系統(tǒng)運行一圈后即可確定上游拽拉器位置。啟動主卷揚機，將一根主纜索股由北岸拽拉至南岸，完成單束索股的牽引；然后啟動副卷揚機，用另一個拽拉器將另一根主纜索股由北岸拽拉至南岸。按此循環(huán)，完成主纜索股牽引。

3.2 主纜索股架設(shè)

進行懸索橋主纜索股架設(shè)施工時，先進行基準索股的架設(shè)?；鶞仕鞴杉茉O(shè)后，須對其進行垂度精細化調(diào)整。再根據(jù)基準索股架設(shè)一般索股，并對一般索股進行垂度調(diào)整?；鶞仕鞴珊鸵话闼鞴煞謩e采用絕對高程法和相對高程法進行調(diào)整。索股架設(shè)時，牽引上橋在白天進行。夜間氣溫波動較小，風(fēng)速較小時進行調(diào)索，有利于調(diào)索的精確性。部分索股編號如圖5所示。

圖5 主纜部分索股編號

進行基準索股垂度調(diào)整時，通過調(diào)整索股在主索鞍上的位置將主纜的線形調(diào)整到設(shè)計位置，然后把兩邊跨的線形調(diào)整到位。錨跨的調(diào)整不能采用與主跨邊跨相同的方法，而是通過將其張力調(diào)節(jié)到理論值的方式完成調(diào)整，此后進行3d的穩(wěn)定觀測?；鶞仕鞴删€形達標后，即根據(jù)基準索股架設(shè)一般索股。牽引架設(shè)順序按從下往上、分層的原則進行。

進行索股牽引時，利用門吊將索盤裝入放索器。將索盤的外側(cè)錨頭吊起并牽引至北岸回轉(zhuǎn)支架前端，并與牽引系統(tǒng)拽拉器連接。然后啟動主牽引卷揚機進行索股牽引，當(dāng)后端錨頭從索盤中脫出后，將錨頭安裝在簡易的拽拉器上，繼續(xù)牽引索股。當(dāng)前錨頭到達指定部位后，取消索股前錨頭與拽拉器的連接，并將兩端錨頭在錨桿位置進行反拉。索股牽引完成后，錨頭先進行臨時錨固。首先將索股提起，解除索股與拽拉器之間的連接，然后在索股上安裝握索器。鋼絲繩由散索鞍門架頂卷揚機引出后，與握索器連接，收緊鋼絲繩對主纜索股進行反拉，形成臨時錨固狀態(tài)。主纜索股臨時錨固施工安裝如圖6所示。

圖6 索股錨頭臨時錨固安裝示意

牽引完成的索股離主纜中心線一定距離，因此，需對索股進行豎向及橫向調(diào)整。安裝并連接握索器后，組成提升橫移系統(tǒng)。開啟各卷揚機，將索股提離托滾，橫移索股至設(shè)計位置。

索股橫移入鞍前須整方，以便將六角形斷面索股移入矩形鞍座槽路。索股提升橫移過程中主索鞍和散索鞍頂部索股呈無應(yīng)力狀態(tài)，在此無應(yīng)力狀態(tài)下進行索股整形并放入對應(yīng)鞍槽內(nèi)。兩岸錨頭臨時錨固后，南岸散索鞍處主纜先入鞍，待兩岸錨頭與錨桿正式連接錨固后，北岸散索鞍和主索鞍再同時入鞍。

3.3 索股垂度調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)

初步架設(shè)就位的索股與設(shè)計線形存在一定偏差，需對其進行索股線形調(diào)整以達到設(shè)計要求。索股垂度調(diào)整須在一定溫度條件下進行，該穩(wěn)定條件設(shè)定為：索股長度方向的溫差ΔT≤2 ℃，斷面方向索股的溫差ΔT≤1 ℃。主纜索股調(diào)整按照基準索股、一般索股分別進行垂度調(diào)整。

(1)基準索股的垂度調(diào)整。為調(diào)整基準索股線形至設(shè)計線形，需對基準索股主跨、邊跨跨中高程進行測量，并與對應(yīng)工況下的理論計算垂度值對比控制和調(diào)整基準索股線形。對基準索股垂度進行測量，與設(shè)計值進行比較，得出索股需移動的距離。對外界氣溫、索股溫度進行測量，根據(jù)其結(jié)果修正索股垂度。應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳遞給主塔的壓力、主塔長期徐變等因素計算主塔壓縮等變形量。

基準索股垂度調(diào)整過程中，選取北岸主塔頂索股為固定端。測量索股跨中垂度，計算出索股需移動的距離，并根據(jù)跨度及溫度對該值進行修正。按修正后的調(diào)整值調(diào)整南岸待調(diào)索股在鞍槽中的位置，從而完成垂度調(diào)整。兩邊跨跨中垂度調(diào)整方法與中跨基本一致，邊跨跨中垂度滿足設(shè)計要求后將索股固定。主跨和邊跨索股垂度調(diào)整完成后，通過控制錨跨索股索力來完成對錨跨的調(diào)整。索力調(diào)整至設(shè)計要求范圍內(nèi)后，在錨頭與錨桿之間填塞墊板進行錨固。在對主纜索股絕對垂度進行調(diào)整的過程中，上游和下游2根基準索股相對垂度同步進行調(diào)節(jié)?；鶞仕鞴傻拇苟日{(diào)整完成后，連續(xù)觀測3個晚上，確定線形符合控制要求后，將多次觀測平均線形作為基準索股的最終線形。

(2)一般索股垂度調(diào)整。采用相對基準法對一般索股進行垂度調(diào)整。一般索股的調(diào)整方法與順序和基準索股類似。首先將北主塔頂索股位置標志與鞍座中心標志重合并固定，然后分別采用相對基準法進行調(diào)整。對于大跨徑懸索橋，主纜直徑大，索股數(shù)量多，在一般索股架設(shè)過程中，內(nèi)外層索股之間存在溫差和擠壓，導(dǎo)致基準索股不能繼續(xù)作為基準來進行后續(xù)索股的調(diào)整。因此，采用相對基準索調(diào)整法，即采用多根一般索股作為相對基準索股以完成主纜線形調(diào)整。

對基準索股與待調(diào)整索股高差進行測定時，上一層索股的測量方法如圖7所示，高差為

Δh=h1-d0/2-d1/2

(1)

式中，Δh，h1，d0，d1如圖7所示，同層索股的測量方法與上一層索股測量方法類似。測得相對垂度值后，對其進行溫度修正，如下式

圖7 上一層索股測量方法

Δh′=Δh-(T0-T1)×(Δf/ΔT)

(2)

式中，Δh′為溫度修正后基準索股與待調(diào)整索股高差，mm；T0為基準索股溫度，℃；T1為待調(diào)整索股溫度，℃。計算待調(diào)整索股與目標位置垂度差

Δa=Δh′-ΔH

(3)

最終可得垂度調(diào)整量

Δc=Δa/(Δf/ΔL)

(4)

式中，Δf/ΔL為對于跨度的影響系數(shù)；當(dāng)Δc為正時放出，Δc為負時收回。

(3)索股架設(shè)階段注意事項。進行索股架設(shè)時，為避免索股損傷以及鋼絲束扭轉(zhuǎn)、包扎帶斷裂、鋼絲鼓出等現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)控制主纜牽引速度。索股入鞍時，主跨和邊跨跨中設(shè)置預(yù)抬高，以免上層索股擠壓下層索股。

在索股牽引架設(shè)過程中，應(yīng)防止局部鋼絲拖掛，以避免鋼絲鼓絲。進行索股調(diào)整時，敲打需要調(diào)整部位并將索股向上提升適當(dāng)距離，以避免鞍槽摩擦對絲股線形的影響。在錨跨，若發(fā)現(xiàn)鼓絲應(yīng)將其趕至邊跨側(cè)并遠離散索鞍，以便后期消除鼓絲。索股整形入鞍時，須采取相應(yīng)措施保護索股鍍鋅層，以免索股表面鍍鋅層出現(xiàn)損傷，對已損傷的鍍鋅層涂抹環(huán)氧富鋅漆修復(fù)保護。

3.4 主纜緊纜

索股架設(shè)完成后，由于索股、鋼絲間存在空隙，主纜直徑比設(shè)計要求的直徑偏大。需將主纜截面緊固為圓形，以便進行索夾安裝及纏絲工作，形成鋼絲密匝排列的承力結(jié)構(gòu)。主纜緊纜施工主要分為預(yù)緊纜和正式緊纜兩步，施工工藝流程如圖8所示。

圖8 主纜緊纜施工工藝流程

進行主纜緊纜施工時，首先進行預(yù)緊纜。預(yù)緊纜可初步對主纜進行整形與綁扎，使主纜索股沿全橋分布均勻、避免鋼筋松弛集中于一處。預(yù)緊纜時，首先將預(yù)緊點附近外層綁扎帶解除，以木錘敲擊主纜四周，并收緊手拉葫蘆，使主纜大致成為圓形。最后將主纜扎緊，使主纜截面近似于圓形。之后，進行正式緊纜，用緊纜機把主纜擠壓成圓形。具體實施中，首先啟動緊纜機千斤頂，并與其他設(shè)備一起聯(lián)動加壓，保持相同的油壓擠壓主纜。當(dāng)主纜直徑符合要求后，用鋼帶繞在主纜上捆扎并固定，使緊固后的主纜截面形狀保持近似圓形。捆扎完成后，卸載千斤頂，將緊纜機移向下一個緊固位置。主纜緊纜完成后拆除緊纜機。

4 主纜架設(shè)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

4.1 主纜線形控制方案

為使主纜線形滿足設(shè)計要求，索股架設(shè)過程中需嚴密監(jiān)測，嚴控基準索股線形。垂度調(diào)整完畢后再實施穩(wěn)定觀測，觀測持續(xù)至少3 d。進行垂度監(jiān)測時使用高精度測量器材。在錨碇、邊跨跨中、塔頂、主跨跨中位置共布置9個溫度測點，每個測點測量主纜四面溫度，取溫度的平均值作為測量斷面溫度。進行纜索垂度監(jiān)測時，對塔身偏位進行測量，確認跨徑變化情況，對索股或主纜的垂度進行修正。主纜索股架設(shè)控制標準如表1所示。

表1 主纜索股架設(shè)控制標準 mm

4.2 主纜線形控制結(jié)果與分析

(1)基準索誤差測試分析

基準索垂度調(diào)整完成后，分別在上下游邊跨跨中，中跨L/4，L/2，3L/4處布置高程測點，并進行了4次連續(xù)觀測。其中，北邊跨上游高程誤差在-16.0～19.9 mm，下游誤差17.0～37.2 mm；中跨跨中上游高程誤差在-20.3～-7.0 mm，下游誤差-16.4～9.1 mm；南邊跨上游高程誤差在-13.0～22.6 mm，下游誤差-9.7～5.5 mm。將4次連續(xù)觀測結(jié)果誤差取平均值后，上下游統(tǒng)計如表2所示。將多次測試結(jié)果與理論的誤差取均值后，滿足中跨54.6 mm，邊跨109.2 mm的限值要求。

表2 中跨跨中點誤差均值統(tǒng)計 mm

為保證中跨基準索跨中上下游的高差，用同一臺全站儀對中跨跨中點上下游同時進行測試，剔除了測試系統(tǒng)誤差。上游中跨跨中高程介于100.819 3～100.912 4 m；下游中跨跨中高程介于100.822 0～100.917 8 m；上下游高差介于-9.2～0.6 mm。誤差取均值后上下游高差約4.5 mm，能夠滿足10 mm的限值要求。

(2)空纜誤差分析

主纜索股全部架設(shè)完成后，對主纜進行連續(xù)4 d的空纜狀態(tài)線形測量，將各測點4次測試的誤差取平均值后，上下游統(tǒng)計如表3所示，上游主纜誤差均值介于-86～13 mm，下游主纜誤差均值介于-95～-22 mm，精度良好。

表3 主纜上下游誤差均值統(tǒng)計 mm

5 結(jié)論

針對五峰山長江特大橋主纜絲股多至352股、直徑大至1.3 m的特點，采用了預(yù)制平行高強鋼絲索股結(jié)構(gòu)(PPWS)。索股采用雙線往復(fù)式牽引系統(tǒng)進行架設(shè)，避免了拽拉器空載回程，顯著提高了施工速度。主纜架設(shè)中進行了索股線形監(jiān)控，采用絕對高程法對架設(shè)好的基準索股進行垂度調(diào)整，并根據(jù)調(diào)整后的基準索股以相對高程法架設(shè)一般索股。對比索股幾何位置的實測值與設(shè)計值，得出索股需調(diào)整的距離并對該調(diào)整值進行修正，完成索股調(diào)整。主纜架設(shè)監(jiān)測結(jié)果表明，邊跨基準索誤差實測最大值為37.2 mm，在誤差允許的109.2 mm范圍內(nèi)；中跨跨中基準索誤差實測最大值為20.3 mm，在誤差允許的54.6 mm范圍內(nèi)。中跨跨中上下游高差實測最大值為9.2 mm，誤差均值約4.5 mm，在誤差允許的10 mm范圍內(nèi)。上游主纜誤差均值介于-86～13 mm，下游主纜誤差均值介于-95～-22 mm，精度良好。