海上悬索桥大风条件下主缆索股架设关键技术

朱 鹏，李 冕，张军政，王永威

(1.广东省公路建设有限公司，广东 广州 510623；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430014；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430014；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100011)

0 引言

在我国已建设的悬索桥中，主缆几乎全部采用预制平行钢丝索股逐根架设的方法进行施工。在主缆架设的过程中，索股线形调整是关键工序，而基准索股和普通索股的线形调整是主缆质量控制的重点之一。基准索股的线形调整一般采用几何三角高程测量方法，通过选择合适的测量仪器和方法连续观测3 d以上，能够达到规范精度的要求；索股线形调整一般采用的方法是以基准索股为准，按层与层之间的高差进行架设。

复杂多变的海洋气象条件往往会使得垂度法架设索股变得困难[1-2]。在这种情况下，索股会发生较大的横向摆动，海洋环境下的测量精度也较内陆环境下测量精度要低，极有可能达不到连续观测3 d 以上的目的，势必会造成基准索股调索时间的延长；而对于一般索股的测量，C型尺转运麻烦，有风状态下索股摆动对测量人员产生较大的安全风险，夜晚无风条件窗口期极短，对主缆的架设精度和质量造成较大的影响。

目前的研究主要集中在常规条件下的主缆索股架设方法研究，针对大风条件下主缆索股架设的研究文献很少，北口大桥提出了基于标尺索股的一般索股架设方法，其原理为在索鞍外侧设置标尺台和一根标尺索，但该标尺索的制造精度不高，需要在现场进行调索，索股调索完成后，将待调索股放入标尺台，根据垂度高差换算得到的索长差值进行标记，最后上提横移在索鞍内进行对位即可。该方法能够克服温度的影响，实现全天候调索，但是在有风条件的标尺索的测量依旧困难，且待调索股和标尺索之间垂度高差也需要采用人工卡尺的方法，易受到索股摆动的影响，存在人为误差和施工安全风险。

伶仃洋大桥为主跨 1 666 m 海中三跨全漂浮体系钢箱梁悬索桥，主缆跨径组成为(80+ 500+1 666+500+80)m。主缆在成桥状态下的中跨垂跨比为1∶9.65，两根主缆中心距为 42.1 m[3-6]，伶仃洋大桥总体布置如图1所示。

图1 桥型布置(单位：m)Fig.1 Bridge layout(unit：m)

主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS)，由199根通长索股组成，每根索股由127根直径为6 mm的2 060 MPa的锌铝合金镀层高强钢丝按竖向尖顶的近似正六边形排列组成，六边形的左、右两个顶点分别设置着色丝和基准丝，如图2所示。其中主缆索夹内直径为1 053 mm，索夹外直径为1 066 mm。主缆在索夹内的空隙率为18%，索夹外的空隙率为20%，通长索股单根总重约85 t。

图2 主缆结构示意图Fig.2 Schematic diagram of main cable structure

主缆单根索股长约3 004 m，重达 85 t，架索距离长，重量大；施工区域位于宽阔海域，大风频繁，大雨、雷暴天气多，温度场及风场复杂多变[7-9]，增大主缆架设风险和难度，桥址处位于珠江口伶仃洋开阔水域，具有典型的台风型气候特点，受台风极端天气登陆和珠江口的狭道效应影响，该地区的基本风速较高，百年重现期10 m高度10 min平均年最大风速高达43.0 m·s-1。恶劣的气候条件导致索股高精度架设难度大大提高，调索难度较大[10-14]。

1 海中悬索桥主缆架设思路

为提高海上悬索桥大风条件的主缆索股架设效率，从基准索股架设和一般索股架设两方面出发，提出了分跨锚固的基准索股标记法架设方法、抑振装置及机器视觉动态测量3种方法，具体思路如图3所示。通过高精度标记索股直接对位安装，避免了海洋大风环境需要连续观测的难题，将基准索股架设转换为一般索股架设，减小基准索股架设难度；同时利用基于机器视觉法的索股动态测量技术，预测一般索股和基准索股的静态高差，减少人员工作强度和人为误差；最后设置横向抑位装置，减小索股与猫道的横向相对位移，提高人员施工安全，也有助于提高动态测量精度，保证索股架设精度和效率。

图3 海中悬索桥主缆架设思路Fig.3 Idea of erecting main cable of offshore suspension bridge

2 分跨锚固的基准索股标记法架设

主缆基准索股的架设线形是悬索桥上部结构安装施工过程中至关重要的环节，需高精度控制其线形。传统的基准索股架设一般采用几何三角高程测量，但在海上大风条件下，很难有满足基准索股线形调整的条件，为提高施工效率，利用标记索股法架设基准索股，基于多基准丝高精度标记索股制造后直接现场进行对位安装，再把基准索股按一般索股方法进行架设即可。为提高标记索股制作精度，分析索股制作精度误差，通过标准丝直径误差、弹性模量误差、温度离散误差控制及增加基线台座距离等措施，将标准丝精度提高到1/50 000以上[15]。现场施工时，在基准索股架设前，提前安装由19丝高精度标准丝组成的标记索股，分边跨和中跨3段，中跨标记索股锚固于主索鞍上，边跨标记索股锚固于主索鞍、散索鞍上，锚固形式如图4所示。

图4 标记索股锚固示意图Fig.4 Schematic diagram of anchoring marked cable strands

标记索股由19根标准钢丝制作，标准钢丝直径采用同主缆钢丝6 mm，为保证索股入鞍排列整形，在索鞍处增加2根直径6 mm填充丝(图中阴影部分)，断面布置如图5所示。

图5 标记索股断面图Fig.5 Sectional view of marked cable strands

入鞍前需将该部分索股六边形断面整形为下层11根上层10根的双层钢丝断面。在整根索股提离索股托滚时，此时握索器与锚头之间的索股呈无应力状态，在此状态下可进行有效整形，再放入鞍座内设定位置。

伶仃洋大桥采用基于分跨锚固的全标准丝索股标记法架设技术完成基准索股安装，整个架索过程耗时不到一天。为验证该技术的可行性，分析索股架设精度是否满足规范要求。该桥基准索股架设后，在东边跨、中跨、西边跨跨中位置设置高程测点，对各测点高程理论值与实测值进行对比分析，结果见表1，三跨的索股长度精度均达到了1/60 000以上，垂度误差满足规范要求的1/20 000，基本实现无需测量，直接对位安装，极大缩短了宽阔海域大风条件下基准索股调索时间。

表1 伶仃洋大桥标记索股现场架设精度分析Tab.1 Accuracy analysis of on-site erection of marked cable strands of Lingdingyang Bridge

3 可适应竖向变形的主缆横向抑振装置

3.1 抑振装置设计

特大跨度悬索桥，即使在无风自振条件下，索股的振动幅值都可能很大，有风或者环境振动情况下，索股振动更是加剧。采用传统的调索方法，索股的绝对垂度和相对垂度根本无法测量，严重影响桥梁施工进度和主缆的架设精度。因此，有必要对大跨度悬索桥主缆架设时的索股振动采取一定的控制措施。

主缆架设初期，主缆整体刚度较低，索股极易在微风作用下出现横向大幅摆动影响调索，在索股架设时通过抑位装置将已经架设索股和猫道产生联系，利用猫道的整体刚度抑制索股的横向位移，索股在温度荷载及索股施工荷载作用下，会产生较大变形，因此设计带滑槽竖向支撑杆件以释放竖向变形。抑振装置共布置3道，分别位于中跨跨中和其前后相邻的两个横向通道处，具体结构形式如图6所示。

图6 抑振装置结构(单位：cm)Fig.6 Structure of vibration suppression device(unit：cm)

待索股架设至一定根数时，拆除抑振装置，利用V形保持器将已架设索股连接为整体，减少已架设索股在大风天气下的摆动幅度。中跨单侧布置8道V形保持器，边跨各1道，V形保持器结构形式如图7所示。

3.2 抑振装置效果研究

通过风洞试验确定猫道的静力三分力系数，利用猫道节段静力三分力试验结果和有限元分析软件，对索股架设期进行了非线性抗风静力稳定性分析。

用索单元模拟猫道承重绳、门架承重绳及索股，用梁单元模拟大小横梁、门架等。建立有限元模型如图8所示，猫道局部模型如图9所示。

图9 模型局部Fig.9 Part of model

分别计算主缆架设率从3%到100%，猫道和主缆的静风响应。表2和表3分别给出了考虑和不考虑横向限位器时，主缆和猫道分别的静风位移。由表2可见，不设置限位器，主缆的位移仅是猫道的一半，因此很可能会发生主缆贴在猫道上的情况，影响主缆的正常架设。设置横向限位器后，两者位移一致，且有显著减小，如图10所示。在主缆架设初期，猫道可以显著减少主缆的静风位移(猫道静风位移也显著减小)，而在后期主缆静风位移几乎不变，猫道依靠主缆使其横向位移显著减小。

表2 施工风速15 m/s下考虑抑振器的主缆及猫道位移Tab.2 Displacements of main cable and catwalk considering vibration suppressor at construction wind speed of 15 m/s

表3 施工风速15 m/s下不考虑抑振器的主缆及猫道位移Tab.3 Displacements of main cable and catwalk without considering vibration suppressor at construction wind speed of 15 m/s

图10 施工风速15 m/s下猫道和主缆的横向静风位移Fig.10 Transverse static wind displacements of catwalk and main cable at construction wind speed of 15 m/s

4 基于机器视觉的一般索股动态测量技术

跨海大桥面临大风环境，测量条件不满足施工要求导致施工窗口期短，且大型卡尺携带不便，测量不易，需两人配合照明、扶稳、观测，在索股晃动条件下难以准确读取相对高差，人员站立于索股上或简易扶梯上进行高处测量，安全风险大。基于机器视觉的一般索股相对垂度测量方法，通过在一般索股与基准索股的跨中安装发光标靶，将工业相机安装于猫道门架中间正射标靶采集图像，基于深度学习算法学习标靶特征，然后进行标靶识别与跟踪，通过像素距离换算空间实际距离，计算得到一般索股与基准索股的高差，结合索塔偏位、索股温度数据，预测索股静态高差，指导一般索股垂度调整，实现一般索股线形的高精度、自动、远程、实时测量，并形成了软硬件系统与设备[16-17]。

基于机器视觉的索股高差视觉测量系统主要包括：(1)光靶，用于增强跨中索股特征；(2)相机，实时采集光靶动态图像；(3)姿态传感器，采集相机姿态数据进行高差修正；(4)无线网桥，用于图像发送与指令传输；(5)工作站，实时计算索股高差和发布控制指令，系统整体工作流程如图11所示。

图11 索股高差视觉测量系统Fig.11 Visual measurement system of strand height difference

基于机器视觉的索股线形测量是将对索股高差HS的测量转为固定于索股上光靶的高差HT，如图12所示。为便于现场观测，所有一般索股的调整均是基于基准索股进行调整。光靶安装于跨中一般索股与基准索股上方，通过强力磁吸将光靶固定在索股正上方，光靶垂直向上，前后不滑动，左右不转动，则光靶相对间距即为索股间距。将工业相机安装于猫道跨中前(后)一个门架横梁中间，相机正射光靶，采集光靶动态变化图像，通过实时计算光靶间距HT，得出一般索股距离基准索股高差HS[18]。

图12 测量原理示意图Fig.12 Schematic diagram of measuring principle

由表4可知，基于机器视觉的一般索股相对垂度测量方法，主要是提高了索股晃动情况下的测量精度，可以将一般索股的高程测量误差控制在5 mm以内，同时减少现场操作人员以降低施工风险。

表4 卡尺测量与视觉测量对比结果Tab.4 Comparison between caliper measurement and visual measurement

5 结论

本研究依托深中通道伶仃洋大桥主缆索股架设施工，对海上悬索桥大风天气下索股架设关键技术进行研究。现场架设了分跨锚固的高精度标记索股，利用标记索股对基准索股完成架设，现场实测结果表明，标记索股的架设精度达到了1/60 000，基准索股的高程架设精度满足规范要求1/40 000；为抑制主缆索股在大风环境下的位移，设计了抑振装置+V形保持器，结合有限元分析和现场实际应用验证了抑振装置对主缆索股位移有显著减小作用，最大横向位移减少量达到了4.3 m；基于机器视觉的一般索股相对垂度测量方法，提高了索股晃动情况下的测量精度，现场实测数据表明，机器视觉法测量精度在5 mm以内。上述主缆索股架设技术减小了大风环境对主缆索股架设和线形调整的影响，减少了现场操作人员以降低施工风险，缩短架设工期，节约了人力、设备投入，可为后续类似工程的设计施工提供借鉴。