空间缆索自锚式悬索桥索股鼓丝研究分析与处理

空间缆索自锚式悬索桥索股鼓丝研究分析及处理汇报内容工程简介1主缆架设施工2主架设模型试验3主缆索股鼓丝分析4主缆索股鼓丝处理5结语6一、工程简介杭州市江东大桥主桥为主跨260m，边跨83m的自锚式空间缆索悬索桥。主缆为三跨空间线型，中跨主缆设计矢跨比f/L=1/4.5，跨中处距桥面高度3m，两根主缆由塔顶鞍座处间距3m逐步过渡到跨中最低点处间距42.5m。边跨两根主缆在中央分隔带内平行布置，间距3m。边跨不设吊索。主缆采用PPWS法施工，每根主缆由37束索股组成，每股含91Φ5.3mm镀锌高强钢丝。一、工程简介大桥采用顶推法进行钢箱梁的施工，主梁采用分离式双箱形式，两侧封闭箱为流线型扁平钢箱梁，横向通过连接箱加以连接。由于其为空间线型的自锚式悬索桥，其主索鞍除具有常规悬索桥的竖弯角度外，在中跨出口还有平面弯曲角度。散索鞍为索夹式的哈夫扣。江东桥效果图一、工程简介江东大桥主桥立面图空间体系转换前主缆平面图空间体系转换后主缆平面图主缆标注单位：cm二、主缆架设施工1、主缆索股的牵引江东大桥主缆架设牵引系统采用一根牵引绳及一根轨道绳，轨道绳比牵引绳高6～7m，主要用于悬挂索股锚头，防止其在牵引过程中坠入猫道。在塔顶门架及散索鞍门架出设置导向滑车，两侧散索鞍处安装卷扬机，猫道上按5m的间距布置滚轮，构成江东大桥主缆架设的牵引系统。牵引过程中每80m布置一个鱼雷夹保持索股在被牵引时不发生扭转。8300260008300轨道绳牵引绳主缆猫道卷扬机卷扬机29＃墩28＃墩27＃墩26＃墩江东大桥主缆牵引系统布置图二、主缆架设施工二、主缆架设施工江东大桥主缆索股架设牵引照片江东大桥主缆索股架设鱼雷夹照片二、主缆架设施工江东大桥主缆索股照片1江东大桥主缆索股照片2二、主缆架设施工2、索股的整形入鞍主缆索股牵引到位后，利用塔顶门架上布置的提升卷扬机，将索股提离猫道，使入鞍段的索股处于无应力状态。在索股入鞍段的两端用六边形夹具卡紧，拆除期间的缠包带，用钢板梳将六边形的索股梳理成四边形，并用四边形的夹具保持。在整形一段长度后，开始入鞍，并边入鞍边整形，直至将索股全部整形入鞍完。索股入鞍好后采用木楔打紧，防止索股在鞍槽内滑动。二、主缆架设施工3、索股标高调整索股标高的调整需在气温稳定时进行，气温稳定的条件是：在该气温下主缆温度相对稳定，即沿桥轴方向主缆温差△T2.0C、沿横断面方向主缆温差△T1.0C。索股标高的调整通过葫芦在索鞍处收拉或放松来实现，在标高调整好后需重新打紧木楔，防止索股滑动。标高调整的顺序为先中跨后边跨。二、主缆架设施工4、主缆索股架设存在的问题江东大桥自锚式悬索桥为空间缆索线型，其在主缆架设施工中除具有普通悬索桥的主缆索股扭转、散丝、穿丝及鼓丝等问题外，其中的一个特点是鼓丝相对比较严重。造成江东大桥主缆索股鼓丝严重的一个主要原因为其是空间缆索线型，主索鞍在中跨出口具有一个平弯角度，同时自锚式悬索桥由于跨径短，鼓丝不利于消除。鼓丝的存在严重地影响了主缆索股的架设质量。江东大桥在主缆架设前对天津富民桥及韩国永宗桥这两座空间缆索自锚式悬索桥的主缆架设施工进行了了解。并在大桥桥位旁边进行了1：12模型桥梁的主缆架设施工，对主缆架设施工可能存在的问题进行分析研究。在整个模型试验中，索股鼓丝问题最为严重，对主缆架设质量影响最大。三、主缆架设模型试验三、主缆架设模型试验模型试验照片已完成主缆架设的模型试验桥照片。共架设7根主缆，旁边2根为备用主缆。三、主缆架设模型试验试验主缆索股在地面采用滚轮全部伸展。试验索股从一端用卷扬机牵引到另一端，进行架设。三、主缆架设模型试验因模型桥跨径小，主索鞍角度较大，为保证主索鞍出口主缆索股的顺利过渡安装，不出现较大的乱丝鼓丝，设置了一个临时鞍座。三、主缆架设模型试验主索鞍边跨出口索股照片主索鞍跨中出口索股鼓丝照片三、主缆架设模型试验主缆索股成型照片四、主缆索股鼓丝分析1、造成主缆索股鼓丝的原因主缆架设过程出现单元索股鼓丝在任何一座悬索桥上都会出现，只是呈现的程度不同。江东大桥主桥为空间体系的自锚式悬索桥，而且相比地锚式悬索桥，其跨径相对较小，同时受空间缆索结构的影响，其主缆鼓丝相比普通地锚式悬索桥要严重。鼓丝是主缆单元索股中钢丝的长短差异造成的必然结果，通过分析，主要有三个方面会造成钢丝的长短差异。1）、单元索股钢丝的制作精度误差，按设计要求1/(20000～15000)，主缆索股长度510m，则绝对差值为34mm，半桥为17mm。此项误差是随机的。四、主缆索股鼓丝分析2）、索鞍立面竖弯引起的上下层钢丝的长短差异。主索鞍边、中跨侧竖弯夹角约39º，索股高度为51.2mm，则上下层钢丝的长短差值为：51.2×39×3.14/180＝35mm。散索鞍竖弯夹角为5º，则上下层钢丝的长短差值为：51.2×5×3.14/180＝4mm。四、主缆索股鼓丝分析78°78°江东大桥主缆竖弯示意图3）、另外，由于江东大桥空间缆索的线型，索鞍平面圆弧将引起内外侧钢丝的长短差异。在主缆架设状态(a)下，平面圆弧的包角约15º，索股宽度为49mm，则左右层钢丝的长短差值为：49×15×3.14/180＝13mm。理论上，成桥状态(b)平面弯曲引起的长短是相互抵消的。四、主缆索股鼓丝分析(a)(b)江东大桥主缆平弯示意图四、主缆索股鼓丝分析综上分析，由于鞍座处的竖弯和平弯，引起的边跨钢丝长短差值理论上最大可达50.8mm，中跨钢丝长短差值理论上最大可达15.1mm（梳理前可达50.1mm）。若不考虑钢丝制作的随机精度误差，边、中跨钢丝长短差值理论上也分别有45.5mm和6.5mm（梳理前可达41.5mm）。由于这些长短差的存在，严重地造成了主缆单元索股的鼓丝。四、主缆索股鼓丝分析2、主缆索股鼓丝的危害由于竖弯引起的鼓丝现象，地锚式悬索桥与自锚式悬索桥都存在，是不可避免的常规现象。但地锚式悬索桥矢跨比小（约1/10）,鞍座的竖弯包角（边中跨）通常在40～50º，而自锚式悬索桥的矢跨比较大（1/5左右），鞍座的竖弯包角在70～80º，而单元索股的高度差异不大，因此一项，上下层的钢丝长度差值将相差一倍左右；四、主缆索股鼓丝分析同时地锚式悬索桥一般跨径较大，架缆时将鼓丝往中边跨赶，容易分散消化，所产生的不均匀应力也较小；自锚式悬索桥跨径小，同样程度的鼓丝，不容易消化，所产生的不均匀应力也较大。江东大桥为空间缆索的自锚式悬索桥，除了竖弯造成的单元索股鼓丝外，还存在平弯对单元索股造成鼓丝，所以相比地锚式悬索桥，鼓丝对江东大桥主缆产生的不均匀应力更大，造成的危害也更大。桥别地锚式悬索桥（平面索）自锚式悬索桥（空间索）桥名厦门海沧大桥珠江黄埔大桥天津富民桥（独塔）杭州江东桥（双塔）跨径组合（m）230+648+230290+1108+35086.4+15783+260+83矢跨比1/10.51/101/5.3761/4.5鞍座立面半径（mm）6300720035003200鞍座中跨立面角（º）46.7249.37079鞍座边跨立面角（º）25.5427.63538.4主缆钢丝直径（mm）5.15.25.05.3单元索股钢丝数9112712791单元索股高度（mm）49.1555351边跨钢丝长短差22263245.5边跨全长分摊不均匀应力（MPa）±9±8±38±50四、主缆索股鼓丝分析表1：不同形式悬索桥索鞍及索股差异比较表注：钢丝长短差未计加工制作误差四、主缆索股鼓丝分析通过分析知主缆单元索股的鼓丝会对索股产生不均匀应力，考虑主缆钢丝2.5的安全系数，则容许应力为668Mpa。根据鼓丝的分布均匀程度，对江东大桥主缆附加的不均匀应力进行计算，结果见表2。四、主缆索股鼓丝分析边跨（长短差50.8mm）中跨（长短差50.1mm）均匀消化范围（m）主缆不均匀应力（MPa）均匀消化范围（m）主缆不均匀应力（MPa）80±64130±3940±12865±7820±25632±1566±8466±835表2：鼓丝引起的主缆不均匀应力经过分析及应力计算结果，江东大桥主缆单元索股鼓丝应力占有较大的比重，若梳理不当、梳理不均匀或梳理范围不够，将不能保证主缆的安全系数，降低大桥的安全度和耐久性。五、主缆索股鼓丝处理通过主缆单元索股鼓丝的分析，可以看到单元索股的鼓丝对大桥的主缆安全度等影响比较，在主缆单元索股架设时必需将鼓丝处理，将其均匀的梳理消化在索股通长范围内。杭州市江东大桥主缆单元索股的鼓丝处理主要从单元索股钢丝加工精度控制、单元索股鼓丝梳理、单元索股的入鞍以及主索鞍平弯出口索股的保型等几方面进行处理。五、主缆索股鼓丝处理1、单元索股钢丝加工精度控制主缆单元索股加工时，严格制定和控制制造加工工艺，在保证满足各规范及设计文件的技术条件的基础上，提高基准钢丝与各钢丝的精度和控制点位置，将精度误差尽可能做到最小。单元索股绑扎带间距应相对减小，六边形成型要好，盘索直径宜加大，架设前应做放索试验，确保成束质量。五、主缆索股鼓丝处理2、单元索股鼓丝梳理悬索桥单元索股鼓丝的梳理就是将鼓丝均匀地分摊到索股的一定长度范围内，分摊的长度范围需根据鼓丝的严重以及分摊后鼓丝的矢高来确定。根据江东大桥主缆鼓丝对主缆产生的不均匀应力计算，其鼓丝梳理的长度范围及梳理控制标准见下图表。DfAAh0hmf绑扎带A-A主缆索股梳理控制示意图五、主缆索股鼓丝处理绑扎带间距D（mm）鼓丝矢高f(mm)索股理论高度h0(mm)索股最高高度hm（mm）500≤4.051.255.21000≤7.951.259.11500≤11.951.263.1表3均匀梳理鼓丝的控制值主缆单元索股的鼓丝在全桥长度范围内由上而下均匀梳理。在梳理开始前在起始位置安装一个正六边形的夹具，保持主缆单元索股的形状。五、主缆索股鼓丝处理梳理时采用2～3mm厚度的铝合金钢板梳沿长度方向进行梳理，梳理一定长度后采用正六边形夹具保持索股的形状并打上绑扎带，在绑扎带打好后可拆除正六边形夹具。在索股鼓丝梳理施工中严格按照鼓丝梳理控制值进行，并及时对梳理好的索股进行检查，保证其鼓丝在控制值内。钢板梳正六边形保型器单元索股鼓丝梳理示意图五、主缆索股鼓丝处理3、单元索股的入鞍悬索桥单元索股的入鞍为将索股由正六边形整理成四边形放入鞍槽内，入鞍前需在起始端先安装一个正六边形保型器保持索股的形状，然后从起始位置开始用钢板梳将正六边形梳理成四边形，并边整形边入鞍。五、主缆索股鼓丝处理悬索桥的传统入鞍工艺均为从一边开始往另一边进行整形入鞍，一般为从边跨往中跨，这样的入鞍工艺相对好操作控制，但同时也将索鞍竖弯产生的鼓丝从边跨往中跨赶，造成鼓丝集中到中跨。普通地锚式悬索桥由于中跨跨径大，消化鼓丝的能力强，对主缆索股产生不了大的影响。而空间缆索的自锚式悬索桥由于跨径小，如果竖弯产生的鼓丝全部集中到中跨将对索股非常不利，会产生较大的不均匀应力。五、主缆索股鼓丝处理所以江东大桥自锚式悬索桥主缆架设施工中，主索鞍入鞍采用从鞍座最高点开始往边、中跨两侧整形入鞍的工艺，将竖弯产生的鼓丝分摊到边、中跨中，使由于竖弯引起的鼓丝能在全桥长度范围内进行梳理消除，有利于消化鼓丝引起的索股不均匀应力，保证主缆的安全度。索股入鞍时在鞍座的左右出口20m位置采用卷扬机和握索器将索股提起，鞍座左右出口1～2m的位置用葫芦辅助提升，然后从最高点开始用正六边形和四边形保型器进行索股的整形入鞍。五、主缆索股鼓丝处理鞍座握索器握索器滑车组索股滑车组卷扬机葫芦单元索股整形入鞍示意图五、主缆索股鼓丝处理江东大桥自锚式悬索桥是空间缆索线型，主索鞍的中跨出口鞍槽有个平面弯曲段，但在主缆架设施工过程中，主缆为平面体系，这就造成索股入鞍后在平弯出口有个侧向力，索股钢丝出现鼓丝、乱丝及穿丝，其四边形形状无法保持。五、主缆索股鼓丝处理江东大桥在主缆架设施工时，通过试验桥和实桥现场的综合调查分析，最后主索鞍的中跨平弯出口设置一个2mm厚的四边形保型夹，解决由平弯造成的索股鼓丝、乱丝及穿丝。每根索股安装两个四边形保型器，间距在20cm左右，第一个为紧挨出口，同时左右上下紧挨的索股的保型器相互错开，每