索道吊装技术在悬索桥施工中的应用

　　一、前言

　　索道吊装技术和缆载吊装技术是悬索桥主梁安装过程中主要使用的两种技术手段，缆载吊装技术有一定的条件要求，并且相对索道吊装技术造价较高；索道吊装技术对施工场地的要求较低，投入的资金也较少，设计比较简单，是当前应用比较广泛的吊装技术。

　　二、索道的布设

　　江心洲右汊大桥位于南京市建邺区江心洲，是南京长江隧道工程的重要组成部分，横跨长江江心洲右侧夹江，与江南滨江大道相接。该桥主缆共设两根，结构为预制平行丝股（PWS），主缆由55根127丝Φ5.2mm的镀锌高强度钢丝组成，主缆抗拉强度标准值为1670MPa，主缆单根长约439m。吊索采用预制平行钢丝束，外包PE防护，主桥共计66根吊杆，其中24根121φ7吊索，40根85φ7吊索， 2根φ140mm镀锌40Cr刚性吊杆。主缆边跨平行布置，主缆和吊索锚固在横梁中部；主跨采用逐步展开空间索形布置，主缆和吊索锚固在横桥向两端；吊索采用骑跨式，在边跨位于竖直平面内，锚固于横梁中部，在主跨为空间布置，锚固于横梁两端，吊索顺桥向间距10m布置。

　　1、主跨

　　在进行索道布置时，一般情况下在主塔上设置支点，若索道主跨为Lz,为了在吊装时吊装机组能顺利的在索道上行走,取矢跨比为fz/lz=1/20～1/30.

　　图1 索道布置示意图

　　2、边跨

　　索道主索绕过主塔支点的定滑轮进入边跨.为了让在设计温度下,索道对主塔不产生不平衡力,则必需主、边跨水平力相等Hz=Hb,主索的轴向力相等Tz= Tb(忽略定滑轮与主索的摩擦力),从而支点左右竖向反力相等Pz= Pb.显然,在主塔支点处索左右(主跨、边跨)水平倾角相等.

　　 3、锚跨

　　锚跨相对承受的力较小，对于小跨度的悬索桥可以不考虑边跨，对于大跨度的悬索桥从边跨可以直接进入到锚跨，通过连接件接入地基。

　　三、施工过程控制分析

　　1、悬索桥主要的控制内容就是缆索的挂设与张拉,因此整个FK2-3#桥(见图2)施工监控工作可以分为如下几个阶段:

　　（一）、现场修正阶段，本阶段首先对各跨实际跨径、主塔坐标与塔顶标高、各吊杆锚固点坐标及锚面标高进行复测,重新修正计算,得出主缆与吊杆下料长度;

　　（二）、索股架设阶段本阶段，首先确定基准丝,再进行其他索股的架设;架设完毕后安装索夹、吊杆,对主缆坐标进行通测;

　　（三）、张拉吊杆阶段，本阶段开始按照计算方案进行吊杆张拉；

　　（四）、通测及微调阶段，吊杆全部张拉完毕,利用千斤顶复测各吊杆力,同时用振动频率法测量长吊杆频率。对误差较大的吊杆进行补拉,保证索力达到设计要求。

　　图2 悬索桥设计图

　　2、现场修正阶段

　　进场后,开始各设计参数现场采集工作,主要工作内容有:主梁、主塔混凝上参数,包括:弹性模量、容重及混凝土材龄等。主塔塔顶主索鞍底座标高、散索鞍底座标高、吊杆各铺固点标高;主塔张标、主缆锚箱华标、吊杆索导管坐标等。施工监控投入的设备仪器包括:水准仪SDL30(检定证书号:N112712100);全站仪TPC1102(检定证书号:N112712099);索力仪INV306U(检定证书号:111020071016)。现场采集数据,包括主塔坐标、标高及各铺固点來标数据。

　　3、索股架设阶段

　　索股架设阶段主要的任务有:基准索股定位;索股全部架设,索夹放样;索夹安装、吊杆安装。

　　4、吊杆张拉阶段

　　悬索桥吊杆张拉阶段,通常分两个大的轮次。第一轮次以主缆索夹节点位移控制为主,第二轮次以位移与吊杆力双控。第一轮张拉以位移为主,6号、11号吊杆为位移与索力双控,一次张拉到位,第二轮控制1号、5号、12号、16号吊杆力,张拉完毕后进行通测微调。

　　由于现场200吨千斤顶不足,大部分吊杆张拉由150吨千斤顶完成。如果直接张拉5号吊杆与6号吊杆,张拉力将超过150吨,因此在张拉过程中,采取了交替张拉的方案。即5号、6号与7号吊杆交替张拉,利用了张拉吊杆力强相干性原理,张拉完成后,达到了目标张拉力,且各自张拉控制力又不超过千斤顶张拉极限。在张拉吊杆同时测量吊杆频率,控制程序为:给出各根吊杆张拉力,施工单位计算出标定过的千斤顶张拉油压表值,张拉到位。利用频率振动法实测吊杆频率,根据经验公式推算出吊杆计算长度。采用频率振动法测索力,根据实测效果,其计算索长经验公式为

　　其中,W为单位索长的重力,g为重力加速度,T为索的张力,为索第n阶自振频率,L为计算索长,n为索的振动阶数。目前只对索长较长,至少应在9米以上才比较准确。因此在张拉过程中内力的测量5、12号吊杆采用频率振动法测索力,其余吊杆的张拉内力由千斤顶油表读数获得。

　　四、索股架设

　　大跨径悬索桥的主缆一旦形成，施工过程中不可能靠施工阶段的跟踪调整来实现设计的主缆线形，即无法对主缆线形进行调整。因此在架设每根主缆索股时，其垂度的调整精度至关重要，将直接影响主缆的结构线形。悬索桥设计时，总是先确定成桥时主缆各控制点的位置和中跨矢跨比等，因此，主缆线形计算只能从成桥状态出发，而主缆的无应力长度是联系其成桥状态与各施工状态的重要参数，在各施工阶段主缆节段的无应力长度都应保持不变，在施工控制中，大跨悬索桥很难通过测量主缆索股的设计无应力长度来控制施工。

　　五、索夹定位

　　悬索桥的桥梁荷载是通过吊索、索夹传递到主缆的，索夹的位置就是主缆的受力点，所以索夹的施工放样在悬索桥施工中是相当重要的一环。索夹的位置准确与否，将关系到结构受力状态，索夹位置不准确将直接导致吊索两端（索夹端、梁吊耳端）不在一竖直面内，导致悬索桥线形不满足要求。因此在施工过程中必须精确测量放样索夹位置，以确保索夹最大限度地接近设计位置。索夹的放样要以正确的计算位置为基础，正确的计算位置要以实际施工情况测出的主缆线形、主散索鞍间的实际里程及跨径为初始数据。状态下的坐标，需根据实测的主缆空缆线形计算得出。天顶线交点到索夹两端的距离，不同位置的索夹其数值不同，且同型号的索夹其数值也有差别，见图3。图3 不同位置数值

　　六、主缆架设、索夹及吊索安装

　　本桥主缆架设前要先将主索鞍顶推反力架、塔顶起重结构、施工平台、猫道及牵引系统、索鞍及散索套支座等安装就位。

　　1、主缆索股安装

　　索股安装含索盘吊装就位、放索、牵引、提升、横移及整形入鞍等工作。首先通过牵引索携持主缆索股，从放束场出发向另一侧行进，牵引速度以15m/min左右为宜，牵引最初几根索时，要降低牵引速度。在牵引过程中设专人随索股锚头前进，全程跟踪，随时用承重索上的手拉葫芦停止锚头的高度，防止锚头与猫道触碰，注意临时承重绳在受力后出现下挠，以及扭转、磨损及钢丝鼓丝等现象出现。然后每个塔顶设专人负责锚头的交替转换，在这里辅以2t葫芦协助携持装置及锚头翻过塔顶。前锚头牵引到达前端横梁锚管口，解除锚头与承重索上的手拉葫芦的连接。检查整根索股的扭转情况，从前端锚头开始往后端锚头方向用人工将索股扭正，保证有红色丝的平面平行朝上，且红色丝位于六边形的右上角。

　　 2、紧缆

　　主缆架设完了后即使垂度调整好了的索股群，如果索股之间产生温度差，索股的排列就会产生微妙的变化。因此夜间温度均匀，排列整齐的索股，到了白天，受日照的影响也会产生起伏、扭曲等紊乱现象。在夜间温度条件好的情况下，主缆表面温度趋于一致(索股的温度稳定)时，拆除掉主缆形状保持器后马上进行预紧缆作业。紧缆顺序采用跳跃方式，均由边跨、中跨自跨中、四分点、八分点位置向两边紧缆。完成初紧缆后，预紧缆作业完成后，使用主缆紧缆机将主缆截面紧固为圆形，并达到设定的空隙率。每隔lm左右紧固一次。当紧缆机紧固到预紧缆时所捆扎的软钢带的位置时，要将其拆除掉，以免影响紧固效果。

　　3、索夹安装

　　索夹的施工放样在悬索桥施工中是相当重要的一环。索夹的位置准确与否，关系到结构受力状况，根据实测线形，按照每个索夹至主塔中心的设计距离，计算索夹位置，用全站仪在主缆的相应位置上放出天顶线及索夹位置线。在索夹放样完成后，对所放点位进行检查，通常采用距离法。所谓距离法，就是检验相邻两索夹的吊杆中心线与天顶线的交点之间的距离是否与计算值相符。索夾安装顺序:中跨是从跨中向塔顶进行，边跨是从散索位置向塔顶进行。索夹安装的关键是螺栓的紧固。一般按三个荷载阶段(即索夹安装时、吊杆索张拉过程中、桥面铺装后)对索夹螺栓进行紧固，补充。同一索夹相对应两侧的螺栓应同步紧固，保证螺栓受力均匀。要随时监控、检查，发现轴力下降值过大，应及时张拉螺栓，使轴力达到图纸规定值，确保施工安全。

　　七、悬索桥上部施工过程中的索塔

　　1、悬索桥的施工过程

　　悬索桥的施工内容，基本顺序是：先修锚碇和桥塔，次架主缆，再挂吊杆，后架设加劲梁及桥面系。其中，悬索桥施工的关键环节是主缆和加劲梁的架设。因为在主缆和加劲梁的架设过程中，索塔和主缆上的荷载在不断的变化着，缆索的线形也随之变化。为了确保悬索桥建成后与设计理论值接近，需要对整个施工过程进行严格的检测和控制。

　　2、索塔的受力特点

　　悬索桥索塔在上部结构施工过程中除了受自身重力作用外，还受到来自猫道，主缆、加劲梁及桥面荷载的自重通过主索鞍传递到索塔的作用。除此之外，索塔还承受温变荷载、风荷载和地震荷载等的作用。如图4所示，索塔受边跨主缆的拉力T＇、中跨主缆的拉力T、主索鞍重量及本身自重的作用。主缆、加劲梁及桥面荷载的重量可看作是通过主缆拉力水平方向和竖直方向的分力的方式施加给桥塔的。 图4 索塔载荷

　　中、边跨主缆水平分力的不同及主缆竖向分力的偏心导致索塔发生偏位△，△的变化又引起主缆的拉力及索鞍中心(即主缆拉力竖向分力作用点)发生变化，导致索塔的变位、控制截面的受力并非线性关系。

　　3、索鞍顶推及其控制原则

　　现代悬索桥一般都采用第二种主索鞍预偏设置法。在悬索桥上部施工过程中，当索塔塔顶水平偏位达到或接近容许偏位值时，就需要进行主鞍顶推施工。此时，如图5所示，放开鞍座上的临时约束，上下游处塔顶的千斤顶应该同时工作，步调一致，然后缓慢顶推主鞍至预定位置，之后再次使主索鞍临时固结以进行下一阶段的上部施工。在桥面铺装完成即要成桥时，此时主索鞍已经完成了所有预偏量的顶推，鞍座滑移到了设计的位置，就可以将索鞍鞍座与底板进行永久性固结。 图5 主索鞍结构

　　在进行顶推时，因为主缆的水平抗推刚度比桥塔的水平抗推刚度大得多的多，因此主缆与主鞍的绝对坐标在主鞍顶推时并没有发生改变，但桥塔中心的绝对坐标发生改变。从表面上来看，好像是主索鞍在被千斤顶推向中跨滑移，但从实际结果来说，实际顶推的是桥塔。主索鞍就如一个固定点，在千斤顶推力的作用下，桥塔被从弯曲状态顶正为垂直状态。大跨径悬索桥的预偏量一般较大，如南溪长江大桥的预偏量就达到了约83cm。因此，在加劲梁吊装及后面的施工过程当中，需对各个阶段进行计算以控制主索鞍的顶推量和顶推时机，然后才能逐步顶推主索鞍。主索鞍分阶段顶推的控制原则为：

　　1、按照实际施工步骤划分阶段，假设主索鞍在塔顶是自由滑移的，在计入预定施工临时荷载的情况下，确定主索鞍在各施工阶段的滑移历程曲线。

　　2、根据索塔设计承载能力及其施工过程中对索塔塔身控制截面应力的设计要求，计算得出索塔塔顶在顺桥向的容许水平偏位值。

　　3、以塔顶容许水平偏位值的0.7倍为控制值，依据主鞍滑移历程曲线确定主鞍的顶推阶段和顶推量。主鞍预偏量在成桥之前应留有一定的余量，待成桥后进行顶推用来调整成桥状态的索塔受力。

　　索道吊装技术在悬索桥的施工中有着十分广泛的应用，在应用的过程中要注意各种力的计算和分析，提高其施工质量。