長江大橋超長大直徑斜拉索塔端牽引施工技術(shù)

PAGE上海長江大橋超長大直徑斜拉索塔端牽引施工技術(shù)鐘永新馬勇中交二航局四公司摘要本文以上海長江大橋斜拉索施工為背景，著重介紹超長、大直徑斜拉索塔端牽引、張拉施工技術(shù)，以及斜拉索施工過程中的防扭轉(zhuǎn)措施。關(guān)鍵字斜拉索塔端牽引防扭轉(zhuǎn)1、概述上海長江大橋主橋?yàn)榛炷了撓淞弘p索面五跨連續(xù)斜拉橋，其跨徑布置為92＋258＋730＋258＋92＝1430m。主橋索塔上布置空間雙索面扇形斜拉索，每個索面23對（全橋另有4對0#索）低松馳平行鋼絲斜拉索，全橋共192根。斜拉索為Φ7mm低松弛高強(qiáng)鋼絲，抗拉強(qiáng)度為1670Mpa，斜拉索外熱擠雙層聚乙烯（PE）護(hù)套，內(nèi)層為黑色PE護(hù)套，兩端裝配冷鑄錨。其中17#～23#索為長索，型號在PES7-337～PES7-409之間，長度在294.896m～382.173m之間，重量在35.8t～56.2t之間。長索型號、規(guī)格統(tǒng)計見下表1。表1上海長江大橋長索規(guī)格統(tǒng)計表編號拉索型號單根拉索長度（mm）單根拉索重量（tt）編號拉索型號單根索長度（m）單根拉索重量（tt）B177-337299.56336.368Z177-337294.89635.818B18314.05438.077Z18309.32837.520B197-349328.61641.163Z197-349323.86140.583B20343.21642.943Z20338.39342.355B217-379357.88148.995Z217-379353.01248.345B227-409368.23254.220Z227-409367.72854.148B23378.52855.698Z23382.40856.2552、長索施工難點(diǎn)根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，斜拉索采用塔端牽引、張拉施工工藝，可為施工節(jié)省大量人力、設(shè)備和材料。目前在國內(nèi)外大跨度斜拉橋中，長索因牽引力大，一般采用梁端牽引、張拉施工工藝，如中國蘇通大橋、日本多多羅大橋。按照原有的技術(shù)水平，本橋若采用塔端牽引、張拉施工工藝需要解決以下幾個方面難題：①本橋長索梁端錨杯錨固在理論位置時，塔端錨杯牽引至錨箱并將錨杯螺母全部錨上絲牙時，塔端所需要的最小牽引力在331t～597t之間，因此施工時需要解決斜拉索大噸位牽引力的難題。②因塔內(nèi)空間較小，選用常用設(shè)備不能滿足塔內(nèi)施工空間要求，需要開發(fā)新的設(shè)備、機(jī)具。③大直徑斜拉索在牽引、張拉施工過程中容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此在施工設(shè)備配置以及操作工藝上必須考慮到斜拉索扭轉(zhuǎn)問題。3、長索塔端牽引牽引力分析長索牽引力統(tǒng)計以邊跨B17-B23索為例，詳情見下表2。由表中數(shù)據(jù)可知：索梁端錨杯錨固在理論位置后，塔端錨杯牽引至錨箱錨墊板并錨上一個螺母高度的絲牙后，此時牽引力在410t～597t之間。若斜拉索采用鋼絞線牽引，單根鋼絞線平均受力按照15.6t計算（0.6倍破斷拉力），則最多需要39根鋼絞線，目前國內(nèi)類似橋梁從可施工性角度考慮，軟牽引鋼絞線孔數(shù)一般最大做到25孔（錨具鋼絞線孔分布直徑210mm）。直接采用鋼絞線牽引，不但需將穿心千斤頂孔徑制作到Φ300以上，而且施工操作難度大，存在較大施工風(fēng)險。若采用軟硬結(jié)合牽引方式，當(dāng)塔端錨杯離錨墊板上口距離為60cm時，使鋼絞線受力轉(zhuǎn)化為張拉桿受力，則鋼絞線牽引噸位在134t～242t之間，最多只需要16根鋼絞線，可以滿足塔內(nèi)正常操作要求。表2主橋邊跨斜拉索牽引力統(tǒng)計表編號型號塔端錨杯離錨墊板板上口距離LL時鋼絞線受受力(t)二張索力(t)成橋索力(t)距離0.6m時戴上錨環(huán)時B23PES7-4099242573666.2758B22PES7-4099256597654.6748B21PES7-3799243580625.4690B20PES7-3499200512614.7625B19PES7-3499176482608.6613B18PES7-3377153442597.3582B17PES7-3377134410579.85764、長索施工關(guān)鍵技術(shù)解決思路采用軟硬結(jié)合牽引方式進(jìn)行斜拉索塔端牽引、張拉施工，解決斜拉索塔端大噸位牽引力問題。采用行星千斤頂作為軟牽引千斤頂，以降低斜拉索軟牽引過程中設(shè)備使用空間，同時行星千斤頂可以加大軟牽引力，減小硬牽引長度，從而減小索硬牽引過程以及張拉過程中塔內(nèi)施工空間，達(dá)到塔內(nèi)正常施工目的。通過對張拉千斤頂設(shè)置防扭轉(zhuǎn)設(shè)施，防止斜拉索在牽引過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。5、長索塔端牽引施工工藝5.1長索軟硬結(jié)合牽引結(jié)構(gòu)設(shè)置長索軟硬結(jié)合牽引方式見下圖1，圖中采用張拉桿將索懸鏈加長，減小軟牽引鋼絞線受力。張拉桿長度滿足塔端張拉時張拉設(shè)備正常使用要求。千斤頂內(nèi)反力架頂升板千斤頂內(nèi)反力架頂升板圖1軟硬結(jié)合牽引示意圖圖2行星千斤頂圖片5.2長索軟牽引設(shè)備軟牽引設(shè)備采用行星千斤頂，由4個150t千斤頂、內(nèi)反力架、頂升板三者構(gòu)成的結(jié)合體，見上圖2。行星千斤頂設(shè)計行程為40cm，設(shè)計錨具鋼絞線孔數(shù)在39孔以內(nèi)。4個150t千斤頂采用一臺流量為65升/秒的油泵車通過分油器供油（普通油泵車6倍的流量），鋼絞線牽引過程中一個操作循環(huán)時間為90～120秒鐘。行星千斤頂將反力架與千斤頂溶為一體，反力架不占用塔內(nèi)空間，另外行星千斤頂噸位大、行程長、速度快，具有其它類型千斤頂不具備的特點(diǎn)。5.3長索軟牽引配置及施工斜拉索軟牽設(shè)施配置見右圖3。圖中斜拉索錨杯與張拉桿之間通過拉桿變徑套連接，鋼絞線與張拉桿之間通過鋼絞線連接套連接，通過鋼絞線與張拉桿來接長斜拉索長度，以減小斜拉索懸掛時產(chǎn)生的張拉力。鋼絞線牽引設(shè)備為行星千斤頂，此千斤頂內(nèi)置撐腳，作為工具錨反力架，方形撐腳作為行星千斤頂與千斤頂內(nèi)撐腳的反力架，工具錨通過工具錨定位板與行星千斤頂內(nèi)撐腳連接，通過調(diào)整工具錨定位板尺寸，實(shí)現(xiàn)工具錨型號變換，鋼絞線與錨具之間通過夾片鎖定。圖3斜拉索軟牽引設(shè)施配置圖當(dāng)斜拉索塔端錨杯在橋面上時，連接好張拉桿以及鋼絞線，并安裝好工具錨，同時安裝好塔內(nèi)方形撐腳、行星千斤頂以及內(nèi)撐腳。用塔頂起重設(shè)備空中起吊斜拉索，將鋼絞線以及工具錨穿越索套管、方形撐腳、行星千斤頂內(nèi)撐腳，通過工具錨定位板將工具錨錨固在行星千斤頂內(nèi)撐腳上。然后進(jìn)入斜拉索梁端牽引、錨固施工。斜拉索梁端錨杯錨固好后，安裝行星千斤頂頂面處工具錨，用行星千斤頂往復(fù)牽引鋼絞線，將張拉桿螺母牽引出錨箱墊板，最后用合頁式墊板將張拉桿螺母錨固在錨箱墊板上。圖3斜拉索軟牽引設(shè)施配置圖圖4斜拉索硬牽引設(shè)施配置圖圖5斜拉索張拉設(shè)施配置圖5.4長索硬引配置及施工斜拉索硬牽引施配置見上圖4。用鋼絞線將斜拉索張拉桿牽引出錨箱墊板后，用螺母墊板將拉桿螺母錨固在錨箱墊板上，螺母墊板成圓環(huán)型，分成兩半。斜拉索軟牽引完后，拆除行星千斤頂以及鋼絞線等設(shè)施，安裝撐腳和普通穿心千斤頂，將錨杯螺母預(yù)先放入撐腳內(nèi)，用拉桿將硬牽引加長。用普通穿心千斤頂牽引斜拉索，當(dāng)斜拉索錨杯牽引出錨箱墊板后，取出螺母墊板，下放錨杯螺母并旋上絲牙，完成硬牽引施工。5.5長索張拉施工斜拉索精確張拉必須保證四根斜拉索同步牽引，以確保索力精度，因此斜拉索精確張拉階段需要考慮四根索同步牽引時的塔內(nèi)空間，此時需要將所有設(shè)備占用的空間降至最低高度，斜拉確張拉設(shè)施配置見上圖5。斜拉索硬牽引完后，拆除方形撐腳與接長拉桿，安裝張拉設(shè)備，根據(jù)監(jiān)控指令將索力張拉至指定噸位。5.6斜拉索防扭轉(zhuǎn)施工因斜拉索內(nèi)部的鋼絲存在大約3°的扭轉(zhuǎn)角，致使斜拉索在張拉時會產(chǎn)生反向扭轉(zhuǎn)力，該扭轉(zhuǎn)力達(dá)到一定程度后勢必在張拉端釋放出來，此力將帶動張拉千斤頂?shù)捻斏b置一起旋轉(zhuǎn)，損壞千斤頂，同時也極易發(fā)生安全事故。因此必須對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，避免此類現(xiàn)象發(fā)生。5.6.1斜拉索扭轉(zhuǎn)力計算以上海長江大橋最大型號索為例（PES7—409），計算出每層鋼絲數(shù)量、理論角度、每層鋼絲理論受力、每層鋼絲繞轉(zhuǎn)半徑，扭矩，計算數(shù)據(jù)見下表3。扭轉(zhuǎn)力大小與索型號以及索張拉力有關(guān)，索型號大，鋼絲層數(shù)多，扭轉(zhuǎn)力大，索張拉噸位大扭轉(zhuǎn)力大。表3PES-409索在扭轉(zhuǎn)力計算數(shù)據(jù)表索體鋼絲分層每層鋼絲數(shù)量每層鋼絲理論旋扭角度每層鋼絲理論最大受力（kN）每層鋼絲繞轉(zhuǎn)半徑(m)每層鋼絲產(chǎn)生的最大扭矩（kN··m）110.00022.300.000260.250133.90.070.0043120.500267.90.140.0334180.751401.80.210.1115241.001535.70.280.2626301.251669.60.350.5127361.501803.60.420.8858421.251937.50.491.4049482.0011071.40.562.09610542.2511205.30.632.98411602.5011339.30.74.09212662.7501473.20.775.44613123.000267.90.841.178合計409/9129.3/19.0075.6.2斜拉索扭轉(zhuǎn)防治措施斜拉索加扭或者退扭對施工及結(jié)構(gòu)危害較大。規(guī)格較大的斜拉索若無防扭裝置，一旦退扭，退扭圈數(shù)多，索長度以及鋼絲應(yīng)力變化較大，破壞性大。因此索在生產(chǎn)以及施工過程中需采取相應(yīng)的防治措施。承壓板①斜拉索包裝時，盡可能采用較大索盤卷裝斜拉索，減少索繞盤產(chǎn)生的加扭應(yīng)力。承壓板②斜拉索在橋面展索、空中掛索階段，盡量將索繞盤時產(chǎn)生的加扭力釋放。③斜拉索牽引階段，采用軟硬結(jié)合牽引方式，盡量減少鋼絞線受力，防止索反扭時導(dǎo)致鋼絞線扭轉(zhuǎn)。④斜拉索硬牽引與張拉階段限制索扭轉(zhuǎn)。斜拉索扭轉(zhuǎn)時會帶動張拉桿以及張拉桿螺母同時轉(zhuǎn)動，千斤頂油缸與拉桿螺母之間的摩擦力太小，不能克服較大扭轉(zhuǎn)力，需采用防扭轉(zhuǎn)裝置，見右圖6。圖6中通過張拉桿螺母與承壓板之間的摩擦力克服索扭轉(zhuǎn)，承壓板將扭轉(zhuǎn)力傳遞給千斤頂。圖6斜拉索防扭轉(zhuǎn)裝置7、結(jié)束語長索塔端軟硬結(jié)合牽引施工技術(shù)成功地應(yīng)用于上海長江大橋主橋斜拉索張拉施工中，在整個施工過程中工藝運(yùn)作良好，有效地避免了斜拉索發(fā)生扭轉(zhuǎn)。①采用行星千斤頂作為軟牽引設(shè)備具有軟牽引力大、牽引速度快以及占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。因行星千斤頂牽引施工速度快，可根據(jù)需要加長鋼絞線長度，使斜拉索梁端牽引力變小，減小了索梁端施工工作量以及施工風(fēng)險。同時因軟牽引力大，可以減小硬牽引長度，實(shí)現(xiàn)了塔內(nèi)小空間下硬牽引施工。③首次采用“合頁式墊板”來對硬牽引張拉桿螺母