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索道吊裝技術在懸索橋施工中的應用
2018-05-21 
   一、前言

   索道吊裝技術和纜載吊裝技術是懸索橋主梁安裝過程中主要使用的兩種技術手段,纜載吊裝技術有一定的條件要求,并且相對索道吊裝技術造價較高;索道吊裝技術對施工場地的要求較低,投入的資金也較少,設計比較簡單,是當前應用比較廣泛的吊裝技術。

   二、索道的布設

   江心洲右汊大橋位于南京市建鄴區江心洲,是南京長江隧道工程的重要組成部分,橫跨長江江心洲右側夾江,與江南濱江大道相接。該橋主纜共設兩根,結構為預制平行絲股(PWS),主纜由55根127絲Φ5.2mm的鍍鋅高強度鋼絲組成,主纜抗拉強度標準值為1670MPa,主纜單根長約439m。吊索采用預制平行鋼絲束,外包PE防護,主橋共計66根吊桿,其中24根121φ7吊索,40根85φ7吊索, 2根φ140mm鍍鋅40Cr剛性吊桿。主纜邊跨平行布置,主纜和吊索錨固在橫梁中部;主跨采用逐步展開空間索形布置,主纜和吊索錨固在橫橋向兩端;吊索采用騎跨式,在邊跨位于豎直平面內,錨固于橫梁中部,在主跨為空間布置,錨固于橫梁兩端,吊索順橋向間距10m布置。

   1、主跨

   在進行索道布置時,一般情況下在主塔上設置支點,若索道主跨為Lz,為了在吊裝時吊裝機組能順利的在索道上行走,取矢跨比為fz/lz=1/20~1/30.

   

   圖1 索道布置示意圖

   2、邊跨

   索道主索繞過主塔支點的定滑輪進入邊跨.為了讓在設計溫度下,索道對主塔不產生不平衡力,則必需主、邊跨水平力相等Hz=Hb,主索的軸向力相等Tz= Tb(忽略定滑輪與主索的摩擦力),從而支點左右豎向反力相等Pz= Pb.顯然,在主塔支點處索左右(主跨、邊跨)水平傾角相等.

    3、錨跨

   錨跨相對承受的力較小,對于小跨度的懸索橋可以不考慮邊跨,對于大跨度的懸索橋從邊跨可以直接進入到錨跨,通過連接件接入地基。

   三、施工過程控制分析

   1、懸索橋主要的控制內容就是纜索的掛設與張拉,因此整個FK2-3#橋(見圖2)施工監控工作可以分為如下幾個階段:

   (一)、現場修正階段,本階段首先對各跨實際跨徑、主塔坐標與塔頂標高、各吊桿錨固點坐標及錨面標高進行復測,重新修正計算,得出主纜與吊桿下料長度;

   (二)、索股架設階段本階段,首先確定基準絲,再進行其他索股的架設;架設完畢后安裝索夾、吊桿,對主纜坐標進行通測;

   (三)、張拉吊桿階段,本階段開始按照計算方案進行吊桿張拉;

   (四)、通測及微調階段,吊桿全部張拉完畢,利用千斤頂復測各吊桿力,同時用振動頻率法測量長吊桿頻率。對誤差較大的吊桿進行補拉,保證索力達到設計要求。

   

   圖2 懸索橋設計圖

   2、現場修正階段

   進場后,開始各設計參數現場采集工作,主要工作內容有:主梁、主塔混凝上參數,包括:彈性模量、容重及混凝土材齡等。主塔塔頂主索鞍底座標高、散索鞍底座標高、吊桿各鋪固點標高;主塔張標、主纜錨箱華標、吊桿索導管坐標等。施工監控投入的設備儀器包括:水準儀SDL30(檢定證書號:N112712100);全站儀TPC1102(檢定證書號:N112712099);索力儀INV306U(檢定證書號:111020071016)。現場采集數據,包括主塔坐標、標高及各鋪固點來標數據。

   3、索股架設階段

   索股架設階段主要的任務有:基準索股定位;索股全部架設,索夾放樣;索夾安裝、吊桿安裝。

   4、吊桿張拉階段

   懸索橋吊桿張拉階段,通常分兩個大的輪次。第一輪次以主纜索夾節點位移控制為主,第二輪次以位移與吊桿力雙控。第一輪張拉以位移為主,6號、11號吊桿為位移與索力雙控,一次張拉到位,第二輪控制1號、5號、12號、16號吊桿力,張拉完畢后進行通測微調。

   由于現場200噸千斤頂不足,大部分吊桿張拉由150噸千斤頂完成。如果直接張拉5號吊桿與6號吊桿,張拉力將超過150噸,因此在張拉過程中,采取了交替張拉的方案。即5號、6號與7號吊桿交替張拉,利用了張拉吊桿力強相干性原理,張拉完成后,達到了目標張拉力,且各自張拉控制力又不超過千斤頂張拉極限。在張拉吊桿同時測量吊桿頻率,控制程序為:給出各根吊桿張拉力,施工單位計算出標定過的千斤頂張拉油壓表值,張拉到位。利用頻率振動法實測吊桿頻率,根據經驗公式推算出吊桿計算長度。采用頻率振動法測索力,根據實測效果,其計算索長經驗公式為

   其中,W為單位索長的重力,g為重力加速度,T為索的張力,為索第n階自振頻率,L為計算索長,n為索的振動階數。目前只對索長較長,至少應在9米以上才比較準確。因此在張拉過程中內力的測量5、12號吊桿采用頻率振動法測索力,其余吊桿的張拉內力由千斤頂油表讀數獲得。

   四、索股架設

   大跨徑懸索橋的主纜一旦形成,施工過程中不可能靠施工階段的跟蹤調整來實現設計的主纜線形,即無法對主纜線形進行調整。因此在架設每根主纜索股時,其垂度的調整精度至關重要,將直接影響主纜的結構線形。懸索橋設計時,總是先確定成橋時主纜各控制點的位置和中跨矢跨比等,因此,主纜線形計算只能從成橋狀態出發,而主纜的無應力長度是聯系其成橋狀態與各施工狀態的重要參數,在各施工階段主纜節段的無應力長度都應保持不變,在施工控制中,大跨懸索橋很難通過測量主纜索股的設計無應力長度來控制施工。

   五、索夾定位

   懸索橋的橋梁荷載是通過吊索、索夾傳遞到主纜的,索夾的位置就是主纜的受力點,所以索夾的施工放樣在懸索橋施工中是相當重要的一環。索夾的位置準確與否,將關系到結構受力狀態,索夾位置不準確將直接導致吊索兩端(索夾端、梁吊耳端)不在一豎直面內,導致懸索橋線形不滿足要求。因此在施工過程中必須精確測量放樣索夾位置,以確保索夾最大限度地接近設計位置。索夾的放樣要以正確的計算位置為基礎,正確的計算位置要以實際施工情況測出的主纜線形、主散索鞍間的實際里程及跨徑為初始數據。狀態下的坐標,需根據實測的主纜空纜線形計算得出。天頂線交點到索夾兩端的距離,不同位置的索夾其數值不同,且同型號的索夾其數值也有差別,見圖3。圖3 不同位置數值

   六、主纜架設、索夾及吊索安裝

   本橋主纜架設前要先將主索鞍頂推反力架、塔頂起重結構、施工平臺、貓道及牽引系統、索鞍及散索套支座等安裝就位。

   1、主纜索股安裝

   索股安裝含索盤吊裝就位、放索、牽引、提升、橫移及整形入鞍等工作。首先通過牽引索攜持主纜索股,從放束場出發向另一側行進,牽引速度以15m/min左右為宜,牽引最初幾根索時,要降低牽引速度。在牽引過程中設專人隨索股錨頭前進,全程跟蹤,隨時用承重索上的手拉葫蘆停止錨頭的高度,防止錨頭與貓道觸碰,注意臨時承重繩在受力后出現下撓,以及扭轉、磨損及鋼絲鼓絲等現象出現。然后每個塔頂設專人負責錨頭的交替轉換,在這里輔以2t葫蘆協助攜持裝置及錨頭翻過塔頂。前錨頭牽引到達前端橫梁錨管口,解除錨頭與承重索上的手拉葫蘆的連接。檢查整根索股的扭轉情況,從前端錨頭開始往后端錨頭方向用人工將索股扭正,保證有紅色絲的平面平行朝上,且紅色絲位于六邊形的右上角。

    2、緊纜

   主纜架設完了后即使垂度調整好了的索股群,如果索股之間產生溫度差,索股的排列就會產生微妙的變化。因此夜間溫度均勻,排列整齊的索股,到了白天,受日照的影響也會產生起伏、扭曲等紊亂現象。在夜間溫度條件好的情況下,主纜表面溫度趨于一致(索股的溫度穩定)時,拆除掉主纜形狀保持器后馬上進行預緊纜作業。緊纜順序采用跳躍方式,均由邊跨、中跨自跨中、四分點、八分點位置向兩邊緊纜。完成初緊纜后,預緊纜作業完成后,使用主纜緊纜機將主纜截面緊固為圓形,并達到設定的空隙率。每隔lm左右緊固一次。當緊纜機緊固到預緊纜時所捆扎的軟鋼帶的位置時,要將其拆除掉,以免影響緊固效果。

   3、索夾安裝

   索夾的施工放樣在懸索橋施工中是相當重要的一環。索夾的位置準確與否,關系到結構受力狀況,根據實測線形,按照每個索夾至主塔中心的設計距離,計算索夾位置,用全站儀在主纜的相應位置上放出天頂線及索夾位置線。在索夾放樣完成后,對所放點位進行檢查,通常采用距離法。所謂距離法,就是檢驗相鄰兩索夾的吊桿中心線與天頂線的交點之間的距離是否與計算值相符。索夾安裝順序:中跨是從跨中向塔頂進行,邊跨是從散索位置向塔頂進行。索夾安裝的關鍵是螺栓的緊固。一般按三個荷載階段(即索夾安裝時、吊桿索張拉過程中、橋面鋪裝后)對索夾螺栓進行緊固,補充。同一索夾相對應兩側的螺栓應同步緊固,保證螺栓受力均勻。要隨時監控、檢查,發現軸力下降值過大,應及時張拉螺栓,使軸力達到圖紙規定值,確保施工安全。

   七、懸索橋上部施工過程中的索塔

   1、懸索橋的施工過程

   懸索橋的施工內容,基本順序是:先修錨碇和橋塔,次架主纜,再掛吊桿,后架設加勁梁及橋面系。其中,懸索橋施工的關鍵環節是主纜和加勁梁的架設。因為在主纜和加勁梁的架設過程中,索塔和主纜上的荷載在不斷的變化著,纜索的線形也隨之變化。為了確保懸索橋建成后與設計理論值接近,需要對整個施工過程進行嚴格的檢測和控制。

   2、索塔的受力特點

   懸索橋索塔在上部結構施工過程中除了受自身重力作用外,還受到來自貓道,主纜、加勁梁及橋面荷載的自重通過主索鞍傳遞到索塔的作用。除此之外,索塔還承受溫變荷載、風荷載和地震荷載等的作用。如圖4所示,索塔受邊跨主纜的拉力T'、中跨主纜的拉力T、主索鞍重量及本身自重的作用。主纜、加勁梁及橋面荷載的重量可看作是通過主纜拉力水平方向和豎直方向的分力的方式施加給橋塔的。 圖4 索塔載荷

   中、邊跨主纜水平分力的不同及主纜豎向分力的偏心導致索塔發生偏位△,△的變化又引起主纜的拉力及索鞍中心(即主纜拉力豎向分力作用點)發生變化,導致索塔的變位、控制截面的受力并非線性關系。

   3、索鞍頂推及其控制原則

   現代懸索橋一般都采用第二種主索鞍預偏設置法。在懸索橋上部施工過程中,當索塔塔頂水平偏位達到或接近容許偏位值時,就需要進行主鞍頂推施工。此時,如圖5所示,放開鞍座上的臨時約束,上下游處塔頂的千斤頂應該同時工作,步調一致,然后緩慢頂推主鞍至預定位置,之后再次使主索鞍臨時固結以進行下一階段的上部施工。在橋面鋪裝完成即要成橋時,此時主索鞍已經完成了所有預偏量的頂推,鞍座滑移到了設計的位置,就可以將索鞍鞍座與底板進行永久性固結。 圖5 主索鞍結構

   在進行頂推時,因為主纜的水平抗推剛度比橋塔的水平抗推剛度大得多的多,因此主纜與主鞍的絕對坐標在主鞍頂推時并沒有發生改變,但橋塔中心的絕對坐標發生改變。從表面上來看,好像是主索鞍在被千斤頂推向中跨滑移,但從實際結果來說,實際頂推的是橋塔。主索鞍就如一個固定點,在千斤頂推力的作用下,橋塔被從彎曲狀態頂正為垂直狀態。大跨徑懸索橋的預偏量一般較大,如南溪長江大橋的預偏量就達到了約83cm。因此,在加勁梁吊裝及后面的施工過程當中,需對各個階段進行計算以控制主索鞍的頂推量和頂推時機,然后才能逐步頂推主索鞍。主索鞍分階段頂推的控制原則為:

   1、按照實際施工步驟劃分階段,假設主索鞍在塔頂是自由滑移的,在計入預定施工臨時荷載的情況下,確定主索鞍在各施工階段的滑移歷程曲線。

   2、根據索塔設計承載能力及其施工過程中對索塔塔身控制截面應力的設計要求,計算得出索塔塔頂在順橋向的容許水平偏位值。

   3、以塔頂容許水平偏位值的0.7倍為控制值,依據主鞍滑移歷程曲線確定主鞍的頂推階段和頂推量。主鞍預偏量在成橋之前應留有一定的余量,待成橋后進行頂推用來調整成橋狀態的索塔受力。

   結束語

   索道吊裝技術在懸索橋的施工中有著十分廣泛的應用,在應用的過程中要注意各種力的計算和分析,提高其施工質量。

   參考文獻:

   [1]向中富.橋梁施工控制技術[M].人民交通出版社,2001.

   [2]王國華.自錨式懸索橋主纜鋼絞線穿索施工技術[J].城市道橋與防洪,2012
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