悬索桥施工

第＋三章悬索桥施工第一节概述悬索桥施工主要有：锚碇、塔、主缆和加劲梁的制作和安装。本节先就其施工情况作一介绍。一、锚碇与塔的施工1.锚碇锚碇是主缆锚固装置的总称，由砼锚块(含钢筋)及支架、锚杆、鞍座(散索鞍)等组成。主缆由空中成束的形式进入锚碇，要经过一系列转向、展开、锚固的构件，这些我们将在第二节详细叙述。本节只介绍锚块及其基础。锚块的形式可分为重力式(图13—1a))和隧道式(图13—1b))。若锚碇处有坚实岩层靠近地表，修建隧道锚(或称岩洞式锚)有可能比较经济。美国华盛顿桥新择西岸锚碇是隧道式，其砼用量22200m3，较之于纽约岸锚碇所用砼及花岗岩镶面工程量107000m3，仅为其21％。但隧道锚有传力机理不明确的缺点，美国金门大桥原设计两端部都用隧道锚，但考虑到隧道锚块砼将力传给周围基岩机理不明确，总工程师乃改变决定，全部采用重力式锚碇。有坚实基岩层靠近地表也可以采用重力式锚，让锚块嵌入基岩，使位于锚块前的基岩凭借承压来抵抗主缆的水平力。例如我国1995年建成的汕头海湾大桥，就是利用两岸山体岩层，设计为重力前锚式锚块(锚块兜住石质山头，抵抗主缆拉力)。巨大的主缆拉力通过锚杆、后锚梁、锚块砼，均匀传递给基岩(图13—2)。虎门大桥的东锚碇也为山后重力式描。若坚实基岩位于桥面之下深度不过30～50m，可修建直接坐落在基岩上的锚块。若坚实持力层埋深更大，而设计意图是使荷载完全传至该持力层，则必须设置沉井、沉箱、大直径桩(含斜桩)等深基础。这样的锚碇造价当然是比较昂贵的。虎门大桥的西锚碇基础原设计为沉井加桩基方案，后经细探，发现基岩严重不平，沉井施工将会遇到很大困难，进改为地下连续墙方案。如果将地基在荷载之下的各种变形予以充分考虑，也可以采用浅基础，例如美国1964年建成的维拉扎诺桥（370.33m＋1298.45m＋370.33m)和英国1970年建成的小贝耳特桥(240m+600m＋240m)设扩大浅基础。2.塔大跨度悬索桥的索塔在50年代以前几乎都是采用钢塔，其主要优点是：施工速度快、质量容易保证、抗震性能好。直到l959年，法国建成主跨608m的其坦卡维尔悬索桥，开始采用砼塔。我国新近建造的几座大跨度悬索桥(汕头海湾大桥、虎门大桥、西陵大桥、江阴大桥)全都是采用砼塔。塔的施工与斜拉桥塔基本上相同。二、主缆架设悬索桥的钢缆有钢丝绳钢缆和平行线钢缆。前者一般用于中、小跨度的悬索桥，后者主要用于主跨为500m以上的大跨悬索桥。平行线钢缆根据架设方法分为空中送丝法(As法)及预制索股法(Pws法)。1.空中送丝法用空中送丝法架设主缆，19世缆中叶发明于美国，自1855年用于尼亚瓜拉瀑布桥以来，多数悬索桥都用这种方法来架设主缆。在桥两岸的塔和锚碇等都已安装就绪后，沿主缆设计位置，在两岸锚碇之间布置一无端牵引绳，亦即将牵引线的端头连接起来，形成从这一岸到那岸的长绳圈。将送丝轮扣牢在这牵引绳上某处，且将缠满钢丝的卷筒放在一岸的锚碇旁，从卷筒中抽出钢丝头，暂时固定在某靴跟(可编号为A)处，称这一钢丝头为“死头”。继续将钢丝向外抽.由死头、送丝轮和卷筒将正在输送的丝形成一个钢丝套圈，用动力机驱动牵引绳，于是送丝轮就带着钢丝送向对岸。在钢丝套圈送到对岸时，就用人工将套圈从送丝轮上取下，套到其对应的靴蹬(可编号为4P)上。图13—3为送丝工艺示意图。随着牵引绳的驱动，送丝轮又被带回这岸，取下套圈套在靴跟4上，然后又送向对岸。这样进行上百次，当其套在两岸对应靴跟(例如A及A’)上的丝数达到一丝胶钢丝的设计数目时，就将钢丝“活头”剪断，并将该“活头”同上述暂时固定的“死头”用钢丝连接器连起来。这样，一根丝股的空中编制就完成了。在上述基本原理基础上，可以采取多种提高工效的措施。如果对岸也有卷筒钢丝，可以利用刚才所说的送丝轮在其返程中另带一钢丝套圈到这岸来，从而在另一对编号为B、B’的靴跟之间进行编股。又沿无端牵引绳可以设置两个送丝轮，两轮的间距为，当甲轮从这岸驶向对岸时，乙轮正好从对岸驶向这岸，而且两岸都有卷筒钢丝，于是就可以同时在C、C’和D、D’靴跟之间编制另两丝股。这就是“以四根丝股为一批”的安排。再者，对于送丝轮扣牢在牵引绳上的两个点而言，每点可以不只设一轮，例如美国金门桥是设四轮，而且每个送丝轮上的缠丝道路也可以不只一条。空中送丝法的主缆每一丝股内的钢丝根数约为300～600根，再将这种丝股配置成六角形或矩形并挤紧而成为圆形。它的施工必须设置脚手架(猫道)、配备送丝设备，还需有稳定送丝的配套措施。为使主缆各钢丝均匀受力，必须对钢丝长度和丝股长度分别进行调整.还应及时进行紧缆和绕组。我们将在第二节介绍其中的主要设置。2.预制索股法用预制索股法架设主缆是1965年间在美国发展起来的，其目的是使空中架线工作简化。自用于1969年建成的纽波特桥以后使用逐渐广泛，我国新近建成的汕头海湾大桥、虎门大桥、西陵大桥、江阴长江大桥都是采用这个方法。预制索股每束61丝、91丝或127丝，再多就太重了。两端嵌固热铸锚头，在工厂预制，先配置成六角形，然后挤紧成圆形。架设的过程同空中送线法一样，但在猫道之上要设置导向滚轮以支持绳股。虎门大桥每束137丝，每丝直径5.2mm，每根主缆110束，采用门架式拽拉器牵引索股，如图13—4所示。在猫道上设置若干个猫道门架安装门架导轮组，牵引索通过这些导轮组，牵引索上固接有拽拉器，通过主(副)牵引卷扬机的收(故)索或放(收)索，使牵引索带动拽拉器穿过导轮组作往复运动。索股前端与拽拉器相连，使得索股前端约30m长悬在空中运行，而索股后段则支承在导向滚轮上运行。此方式也可用于空中送丝法。三、加劲梁架设加劲梁架设的主要工具是缆载起重机。架设顺序可以从主跨跨中开始，向桥塔方向逐段吊也可以从桥塔开始，向主跨跨中及边跨岸边前进。兹分述于下：1.架设方式以往加劲梁多用钢桁架，其架设方式也像钢桁架桥那样，从桥塔开始，向主跨跨中和岸边逐段吊装。在每一梁段拼好以后，立即将其与对应的吊索相连，使其自重由吊索传给主缆。对于三跨悬索桥而言，一般需要四台缆载起重机，分别从两塔各向两个方向前进．边跨和主跨的跨径比，各桥不同，为了使塔顶纵向位移尽可能小，对于当主跨拼成几段时，边跨应拼几段，应该进行推算。在历史上，因为推算速度跟不上施工需要，曾使用全桥的结构模型试验(例如美国三潘市海湾桥)来决定其较为合理的吊装次序。从桥塔开始吊装的优点是施工比较方便，缺点是桥塔两侧的索夹首先夹紧，此时主缆形状与最终几何线形差别最大，因而主缆中的次应力较大。汕头海湾大桥就是采用这种方式，如图13—5所示。海湾大桥混凝土加劲箱梁主跨有73段，边跨各24段，首先特预制梁段从预制场纵、横移下海，用铁驳浮运到各跨主缆下定位，用锚固在主缆索夹上的1800kN缆载吊机垂直起吊安装。每安装一梁段之后，吊机向前移6m，锚固到下一对索夹上，做下一梁段的吊装准备。吊装时，采用四点吊装法。当加劲梁的重力逐渐作用到主缆上，主缆将产生较大的位移，改变原来悬链线的形状，所以在吊装过程中上缘一般都顶紧而下缘张开，直至全部吊装完毕下缘才闭合。如果强制使下缘过早闭合，结构或其连接件有可能因强度不够而碇坏。合理的做法应该是：在架设的开始阶段，使各梁段在上缘铰接，而使下缘张开。这些上缘铰接的梁段应具备整体以横向抗弯抵抗横向风荷载的能力。待到一部分梁段业已到位，主缆线形也比较接近最终线形时，再将这一部分梁段下缘强制闭合。当然必须通过施工控制确认此时闭合是结构和其连接件都能够承受的。英国1966年建成的塞文桥梁段吊装是从跨中开始，向桥塔方向前进。如果边跨较长，为避免塔顶产生过大的纵向位移，应从两岸向桥塔方向同时吊装边跨梁段，如图13—6所示．这种吊装次序的优点是：在架设桥塔附近的加劲梁段时，主缆线形已非常接近其最终几何形状，此时将桥塔附近的索夹夹紧，主缆的永久性角变位最小。虎门大桥(边跨无加劲梁)主跨39个梁段，其吊装次序就是先吊跨中段，再从跨中对称向两桥塔前进，直至合拢。2.缆载起重机缆载起重机由主梁、端梁及各种运行、提升机构组成。起重机在主缆上运行及工作，故主梁的跨度即为两主缆的中心距。主缆中心线与水平面的最大夹角为吊装桥塔附近梁段时，主缆在桥塔处与水平面的夹角，起重机在此倾角状态T应能正常工作及行走。起重机是在全部索夹安装就位的主缆上运行，故其运行机构必须能跨越索夹障碍。在倾斜状态下起吊时产生的下滑力由索夹承受，故应设置起重机与索夹相对固定的央紧机构。固13—7为汕头海湾大桥缆载起重机的运行示意图。海湾大桥主缆中心距25.2m，缆载起重机主梁为桁架结构，端梁为箱形结构。额定起重重力为1800kN，满足全桥加劲梁节段吊装需要。提升机构工作类型为特重缆，运行机构属于空载运行，故为轻缆。运行动作采用走行轮交替升降方式跨越索夹。提升机构的卷扬机布置在主塔承台上，以尽可能减轻运行时的重力。主缆中心线与水平面的最大夹角为25.360。第二节缆索施工要点为使主缆的构造同其锚固相适应，缆内钢丝应分成若干根丝股(索股)。用预制索股法架缆，每股一放不超过127丝。用空中送丝法架缆则无此限制，例如美国金门桥每股452丝(每缆61股)，日本下滓井桥每股552丝(每缆44股)。为使主缆截面最终被压紧成圆形，一般是将丝股先排成正六边形，则每一缆内的丝股数目只能是19，37，6l，9l，127，169，217，217股等。但施工实践表明，即使不排成正六角形也不难挤压成圆形，例如英国博斯普台斯第二桥丝股共32根，其排列如图13—8c)所示。汕头海湾大桥和虎门大桥丝股都是110根。图13—8表示几种丝股排列方式，a)式是将两平边放在水平位置，这样摆法当丝股根效不多时，用主组成形器来保持其相对位置比较方便。b)式是将两平边放在竖直位置，其优点是丝股分成几竖列，可以在各坚列之间插入分隔片，有助于丝股间的通风，使各丝股温度容易一致，有利于保证丝股长度调整的精度。c)式是竖向和水平向都可插入分隔片，其四角各缺一根，紧缆时，只需在紧缆机前方用大木锤放松丝股排列，则挤成圆形并无因难。主缆施工有许多细节值得注意，这里只介绍其中主要几点：1.钢丝接头空中送丝法用的镀锌钢丝是成盘供应的，一盘的重量200～400kg，必需在工地上接长13—9表示一种钢丝连接器的构造，它是长50.8mm的套管，内有丝扣。将钢丝的端头分别按左手螺旋及右手螺旋压制丝扣，并将丝头斜着切断。连接时，将两钢丝端头穿进套管两头.旋转套管，使被接长的钢丝拉到一起抵紧。这样，在钢丝受拉时，两钢丝的斜切面就彼此卡住，不会因旋转而脱离。施工规范中常见的要求是：取接头构造数的296作为试件进行检验，测得的强度不得低于原钢丝强度的95％。2.调整长度无论是空中送丝法或预制索股法，都必须有调整长度的措施，称为调丝或调索股。主缆在自由悬挂状态下的长度可以根据施工时的温度、边界条件、水平距离等因素计算出来，这些都属于施工控制(见第三节)的内容。需注意的是：主缆内各钢丝由于位置高度不同，其长度是不一样的。按上述长度设置一基准丝，它在自由悬挂状态下的垂度也是可以计算出来的。理论上，实测值应符合计算值，但实际上由于温度、水平距离、边界条件等因素的偏离，计算值和实测值都要精密计算并进行校正。空中送丝法基准丝的数目和位置，应以能适应钢丝的垂度校核为原则。对于每一丝股在安装时的第一根丝(或头几根丝)应该取为基准丝，随后安装的丝就可以用先前安装的基准丝来校核。校核的原则就是让钢丝处于自由悬挂状态，要求其垂度同基准丝(或业经用基准丝校正的先前安装的丝)一样。预制索股法各丝股的长度也是不同的，在每一丝股中，其转角处应设一根基准丝，如图13—10所示，其它各丝乃至整段的长度都是以它为基准丝来制造的。其左上角是带色丝，用来检查安装在主缆中的丝股是否扭曲。各主缆架设的第一根丝股称为基准股.它是以后各丝股垂度调整的基准，必须精确测量其垂度。垂度偏差的允许值在汕头海湾大桥(中跨水平距离450m)为3cm，若偏差超过允许值，就应在一端锚碇处放松或收紧丝股来调整。测量时应用千斤顶在塔顶鞍座处将丝胶顶高少许，使之处在自由悬挂状