五峰山长江大桥主缆架设施工关键技术

吕大财

(中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部,南京 200142)

引言

主缆是悬索桥主要构件之一，具有承担悬索桥活载和加劲梁恒载等作用。现代悬索桥均使用高强度钢绞线制作而成的主缆作为受力构件，具有受力合理，承载能力强等优点。悬索桥主缆的架设方法主要有早期的空中编缆法(AS法)和目前常用的预制平行索股法(PPWS)[1]。PPWS法[2]源于日本，关门大桥是日本使用预制平行索股法的开端[3]。虎门大桥主缆跨度888 m，2根主缆各由110根索股构成，该桥架设时采用PPWS法，由往复式门架拽拉牵引架设而成[4-5]。江阴大桥主缆跨度1385 m，主缆采用PPWS法架设并设计了一种新的牵引方案[6]。润扬大桥主跨1490 m，两根主缆各含184条预制平行钢丝索股，采用了PPWS法进行架设，并在架设前进行了放索试验以保证主缆架设顺利完成[7]。PPWS法较AS法具有一定的优势，主要体现在PPWS法架设速度快、受场地和天气制约较小，故在我国应用广泛，但也存在放索不顺、索股回窜下垂(俗称“呼啦圈”)、鼓丝、散丝、串丝等问题[8-9]。

目前，国内大跨度悬索桥上部结构施工采取了一系列创新技术。王海城等[10]提出一种新的自锚式悬索桥基准索股线形控制方法，有效分离了基准索线形受基准索自身温差影响和主梁受温差影响而引起的变化量；廖灿等[11]深入介绍了矮寨大桥主缆索股架设及索股调整工艺流程，分析对比了与其他类似悬索桥主缆架设施工的不同做法，验证了矮寨大桥主缆架设施工的方便，经济。刘世忠等[12]针对桥址昼夜温差达到14℃的刘家峡大桥推导出主缆线形的温度修正方程，制定了通过调整索长达到垂度调整的方法，保证了该桥成桥状态的线形。靖振帅等[13]阐述了驸马长江大桥基准索施工测量控制中的主要技术，采用工装布置棱镜减小了外界因素的影响，并采用塔锚联测确定索鞍相关信息，为主缆索股加工长度提供了依据。王睿[14]对高原山区大跨度悬索桥关键施工方案进行了研究。对于场地，交通受限区域应优先采用无人机牵引先导索过江，合理选择循环式或往复式牵引系统，采用智能化控制系统。吉林等[15-16]阐述了三塔两跨悬索桥泰州大桥上部结构施工的关键工序，以及悬索桥主缆防腐处理、先导索水面牵引的放索装置等创新技术。李芳军[17]介绍了鱼嘴长江大桥采用的平面大循环牵引系统实施主缆索股架设，取得了良好的施工效果。

随着悬索桥荷载及跨径的发展，主缆直径不断增大，主缆施工难度越来越高。新建连镇铁路五峰山长江大桥主缆跨径1 092 m，承载4线铁路及8线公路。大桥主缆直径达1.3 m，每根主缆由352根索股构成[18]。该桥主缆架设时采用了PPWS法，高空和大风对主缆架设施工具有较大影响，故针对五峰山长江大桥主缆架设施工关键技术进行研究。

1 大桥主缆概况

五峰山长江大桥是中国首座公铁两用桥悬索桥，是新建连镇铁路线路的重要组成部分，其主桥为(84+84+1 092+84+84) m钢桁梁悬索桥。大桥采用双层桥面，上层为八车道高速公路；下层为四线高速铁路。五峰山长江大桥全桥共设置2根主缆，横向间距为43 m，主缆跨度1 092 m，矢跨比为1/10，两主塔外主缆跨度均为350 m。其主桥及主缆线形如图1所示。

图1 五峰山长江大桥主桥及主缆立面布置(单位：m)

大桥主缆采用预制平行高强钢丝索股结构，两主缆分别由352股索股构成，每股由127根标准强度为1 860 MPa的φ5.5 mm高强度镀锌铝钢丝组成。主缆挤圆后直径为1 300 mm。索股采用定型绑扎带捆扎而成，约束索股断面形状使其保持正六边形[19-20]。索股截面顶面最左侧的钢丝为标志丝，用来监测索股架设时的扭转情况；顶面最右侧钢丝为标准丝，索股架设时用来控制索股长度。钢丝加工时主跨跨中、边跨跨中、散索鞍平弯起弯面、距离锚杯端面1 m处、锚杯端面等11个标记点位置喷涂红色和蓝色两种油漆。索股成型后再在对应标记位置将整根索股喷涂红、蓝油漆，各60 mm宽。索股断面如图2所示。

图2 主缆索股示意

主缆索股数量多，主缆直径大，大桥高度高，均给主缆架设施工带来挑战。此外，挤圆后主缆直径达1.3 m，超越现有主缆直径，需单独研制相应的紧缆机和缠丝机以确保成缆质量。

2 基于PPWS法的主缆架设总体方案

大桥索股采用双线往复式牵引系统进行架设，即利用牵引区的卷扬机，沿猫道面用循环牵引索每次从放索区牵引一根索股。上下游各设一套牵引系统，索股自索盘拖出后，在适当部位捆扎定型绑扎带使其保持六角形，并防止局部钢丝出现凸包现象。索股牵引到指定位置后，先将锚头临时固定，再将索股进行整形，索股横移至鞍座槽内后，将锚头装入锚杆。

主缆架设过程中索股垂度调整是其中至关重要的一个环节，为保证主缆线形达到设计值起到关键作用。架设好基准索股后即可对其进行垂度调整，调整方法采取绝对高程法。根据调整后的基准索股架设一般索股，基于基准索对一般索股进行调整。主缆基准索和一般索股垂度调整完成后，对其进行预紧缆和正式紧缆施工。首先将排列顺畅的散状高强钢丝束初步整圆，然后利用缆索紧缆机向主缆中心挤紧。紧缆须按照一定顺序进行，先从跨中向主塔塔顶方向逐步挤紧，再从锚碇向主塔塔顶方向逐步挤紧。大桥主缆架设施工总体流程如图3所示。

图3 大桥主缆架设施工总体流程

3 主缆牵引架设关键技术

3.1 牵引系统

大桥上下游主缆索股均采用双线往复式牵引系统进行架设，牵引区和放索区分别设置于南、北两岸。猫道系统安装调试后，利用单线往复式牵引系统将第2根牵引索由北岸牵引至南岸，然后将2根牵引索首尾相连，并绕过北锚碇处的回转支架，将牵引索放入门架导轮。牵引索在南锚碇顶面经转向架引至锚碇上游侧地面，将2个绳头分别与2台卷扬机连接，即可形成双线往复式牵引系统。主缆牵引系统布置如图4所示。

图4 主缆牵引系统布置示意

双线往复对拉牵引系统的双线拽拉器的安装部位通过实际试牵引确定，使得当上游侧拽拉器由放索区牵引主缆索股到达南锚碇时，下游拽拉器正好到达放索位置，使主缆架设施工连贯。实际施工中，先将上游拽拉器安装好，下游拽拉器先布置在其对角位置，待牵引系统运行一圈后即可确定上游拽拉器位置。启动主卷扬机，将一根主缆索股由北岸拽拉至南岸，完成单束索股的牵引；然后启动副卷扬机，用另一个拽拉器将另一根主缆索股由北岸拽拉至南岸。按此循环，完成主缆索股牵引。

3.2 主缆索股架设

进行悬索桥主缆索股架设施工时，先进行基准索股的架设。基准索股架设后，须对其进行垂度精细化调整。再根据基准索股架设一般索股，并对一般索股进行垂度调整。基准索股和一般索股分别采用绝对高程法和相对高程法进行调整。索股架设时，牵引上桥在白天进行。夜间气温波动较小，风速较小时进行调索，有利于调索的精确性。部分索股编号如图5所示。

图5 主缆部分索股编号

进行基准索股垂度调整时，通过调整索股在主索鞍上的位置将主缆的线形调整到设计位置，然后把两边跨的线形调整到位。锚跨的调整不能采用与主跨边跨相同的方法，而是通过将其张力调节到理论值的方式完成调整，此后进行3d的稳定观测。基准索股线形达标后，即根据基准索股架设一般索股。牵引架设顺序按从下往上、分层的原则进行。

进行索股牵引时，利用门吊将索盘装入放索器。将索盘的外侧锚头吊起并牵引至北岸回转支架前端，并与牵引系统拽拉器连接。然后启动主牵引卷扬机进行索股牵引，当后端锚头从索盘中脱出后，将锚头安装在简易的拽拉器上，继续牵引索股。当前锚头到达指定部位后，取消索股前锚头与拽拉器的连接，并将两端锚头在锚杆位置进行反拉。索股牵引完成后，锚头先进行临时锚固。首先将索股提起，解除索股与拽拉器之间的连接，然后在索股上安装握索器。钢丝绳由散索鞍门架顶卷扬机引出后，与握索器连接，收紧钢丝绳对主缆索股进行反拉，形成临时锚固状态。主缆索股临时锚固施工安装如图6所示。

图6 索股锚头临时锚固安装示意

牵引完成的索股离主缆中心线一定距离，因此，需对索股进行竖向及横向调整。安装并连接握索器后，组成提升横移系统。开启各卷扬机，将索股提离托滚，横移索股至设计位置。

索股横移入鞍前须整方，以便将六角形断面索股移入矩形鞍座槽路。索股提升横移过程中主索鞍和散索鞍顶部索股呈无应力状态，在此无应力状态下进行索股整形并放入对应鞍槽内。两岸锚头临时锚固后，南岸散索鞍处主缆先入鞍，待两岸锚头与锚杆正式连接锚固后，北岸散索鞍和主索鞍再同时入鞍。

3.3 索股垂度调整关键技术

初步架设就位的索股与设计线形存在一定偏差，需对其进行索股线形调整以达到设计要求。索股垂度调整须在一定温度条件下进行，该稳定条件设定为：索股长度方向的温差ΔT≤2 ℃，断面方向索股的温差ΔT≤1 ℃。主缆索股调整按照基准索股、一般索股分别进行垂度调整。

(1)基准索股的垂度调整。为调整基准索股线形至设计线形，需对基准索股主跨、边跨跨中高程进行测量，并与对应工况下的理论计算垂度值对比控制和调整基准索股线形。对基准索股垂度进行测量，与设计值进行比较，得出索股需移动的距离。对外界气温、索股温度进行测量，根据其结果修正索股垂度。应根据上部结构传递给主塔的压力、主塔长期徐变等因素计算主塔压缩等变形量。

基准索股垂度调整过程中，选取北岸主塔顶索股为固定端。测量索股跨中垂度，计算出索股需移动的距离，并根据跨度及温度对该值进行修正。按修正后的调整值调整南岸待调索股在鞍槽中的位置，从而完成垂度调整。两边跨跨中垂度调整方法与中跨基本一致，边跨跨中垂度满足设计要求后将索股固定。主跨和边跨索股垂度调整完成后，通过控制锚跨索股索力来完成对锚跨的调整。索力调整至设计要求范围内后，在锚头与锚杆之间填塞垫板进行锚固。在对主缆索股绝对垂度进行调整的过程中，上游和下游2根基准索股相对垂度同步进行调节。基准索股的垂度调整完成后，连续观测3个晚上，确定线形符合控制要求后，将多次观测平均线形作为基准索股的最终线形。

(2)一般索股垂度调整。采用相对基准法对一般索股进行垂度调整。一般索股的调整方法与顺序和基准索股类似。首先将北主塔顶索股位置标志与鞍座中心标志重合并固定，然后分别采用相对基准法进行调整。对于大跨径悬索桥，主缆直径大，索股数量多，在一般索股架设过程中，内外层索股之间存在温差和挤压，导致基准索股不能继续作为基准来进行后续索股的调整。因此，采用相对基准索调整法，即采用多根一般索股作为相对基准索股以完成主缆线形调整。

对基准索股与待调整索股高差进行测定时，上一层索股的测量方法如图7所示，高差为

Δh=h1-d0/2-d1/2

(1)

式中，Δh，h1，d0，d1如图7所示，同层索股的测量方法与上一层索股测量方法类似。测得相对垂度值后，对其进行温度修正，如下式

图7 上一层索股测量方法

Δh′=Δh-(T0-T1)×(Δf/ΔT)

(2)

式中，Δh′为温度修正后基准索股与待调整索股高差，mm；T0为基准索股温度，℃；T1为待调整索股温度，℃。计算待调整索股与目标位置垂度差

Δa=Δh′-ΔH

(3)

最终可得垂度调整量

Δc=Δa/(Δf/ΔL)

(4)

式中，Δf/ΔL为对于跨度的影响系数；当Δc为正时放出，Δc为负时收回。

(3)索股架设阶段注意事项。进行索股架设时，为避免索股损伤以及钢丝束扭转、包扎带断裂、钢丝鼓出等现象发生，应控制主缆牵引速度。索股入鞍时，主跨和边跨跨中设置预抬高，以免上层索股挤压下层索股。

在索股牵引架设过程中，应防止局部钢丝拖挂，以避免钢丝鼓丝。进行索股调整时，敲打需要调整部位并将索股向上提升适当距离，以避免鞍槽摩擦对丝股线形的影响。在锚跨，若发现鼓丝应将其赶至边跨侧并远离散索鞍，以便后期消除鼓丝。索股整形入鞍时，须采取相应措施保护索股镀锌层，以免索股表面镀锌层出现损伤，对已损伤的镀锌层涂抹环氧富锌漆修复保护。

3.4 主缆紧缆

索股架设完成后，由于索股、钢丝间存在空隙，主缆直径比设计要求的直径偏大。需将主缆截面紧固为圆形，以便进行索夹安装及缠丝工作，形成钢丝密匝排列的承力结构。主缆紧缆施工主要分为预紧缆和正式紧缆两步，施工工艺流程如图8所示。

图8 主缆紧缆施工工艺流程

进行主缆紧缆施工时，首先进行预紧缆。预紧缆可初步对主缆进行整形与绑扎，使主缆索股沿全桥分布均匀、避免钢筋松弛集中于一处。预紧缆时，首先将预紧点附近外层绑扎带解除，以木锤敲击主缆四周，并收紧手拉葫芦，使主缆大致成为圆形。最后将主缆扎紧，使主缆截面近似于圆形。之后，进行正式紧缆，用紧缆机把主缆挤压成圆形。具体实施中，首先启动紧缆机千斤顶，并与其他设备一起联动加压，保持相同的油压挤压主缆。当主缆直径符合要求后，用钢带绕在主缆上捆扎并固定，使紧固后的主缆截面形状保持近似圆形。捆扎完成后，卸载千斤顶，将紧缆机移向下一个紧固位置。主缆紧缆完成后拆除紧缆机。

4 主缆架设监控关键技术

4.1 主缆线形控制方案

为使主缆线形满足设计要求，索股架设过程中需严密监测，严控基准索股线形。垂度调整完毕后再实施稳定观测，观测持续至少3 d。进行垂度监测时使用高精度测量器材。在锚碇、边跨跨中、塔顶、主跨跨中位置共布置9个温度测点，每个测点测量主缆四面温度，取温度的平均值作为测量断面温度。进行缆索垂度监测时，对塔身偏位进行测量，确认跨径变化情况，对索股或主缆的垂度进行修正。主缆索股架设控制标准如表1所示。

表1 主缆索股架设控制标准 mm

4.2 主缆线形控制结果与分析

(1)基准索误差测试分析

基准索垂度调整完成后，分别在上下游边跨跨中，中跨L/4，L/2，3L/4处布置高程测点，并进行了4次连续观测。其中，北边跨上游高程误差在-16.0～19.9 mm，下游误差17.0～37.2 mm；中跨跨中上游高程误差在-20.3～-7.0 mm，下游误差-16.4～9.1 mm；南边跨上游高程误差在-13.0～22.6 mm，下游误差-9.7～5.5 mm。将4次连续观测结果误差取平均值后，上下游统计如表2所示。将多次测试结果与理论的误差取均值后，满足中跨54.6 mm，边跨109.2 mm的限值要求。

表2 中跨跨中点误差均值统计 mm

为保证中跨基准索跨中上下游的高差，用同一台全站仪对中跨跨中点上下游同时进行测试，剔除了测试系统误差。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。误差取均值后上下游高差约4.5 mm，能够满足10 mm的限值要求。

(2)空缆误差分析

主缆索股全部架设完成后，对主缆进行连续4 d的空缆状态线形测量，将各测点4次测试的误差取平均值后，上下游统计如表3所示，上游主缆误差均值介于-86～13 mm，下游主缆误差均值介于-95～-22 mm，精度良好。

表3 主缆上下游误差均值统计 mm

5 结论

针对五峰山长江特大桥主缆丝股多至352股、直径大至1.3 m的特点，采用了预制平行高强钢丝索股结构(PPWS)。索股采用双线往复式牵引系统进行架设，避免了拽拉器空载回程，显著提高了施工速度。主缆架设中进行了索股线形监控，采用绝对高程法对架设好的基准索股进行垂度调整，并根据调整后的基准索股以相对高程法架设一般索股。对比索股几何位置的实测值与设计值，得出索股需调整的距离并对该调整值进行修正，完成索股调整。主缆架设监测结果表明，边跨基准索误差实测最大值为37.2 mm，在误差允许的109.2 mm范围内；中跨跨中基准索误差实测最大值为20.3 mm，在误差允许的54.6 mm范围内。中跨跨中上下游高差实测最大值为9.2 mm，误差均值约4.5 mm，在误差允许的10 mm范围内。上游主缆误差均值介于-86～13 mm，下游主缆误差均值介于-95～-22 mm，精度良好。