晏國(guó)泰 胡先朋 鄭 波

(武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司 武漢 430071)

斜拉橋作為一種常見(jiàn)的大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)，具有線條纖秀、構(gòu)造簡(jiǎn)潔、橋型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)。拉索作為斜拉橋的核心受力構(gòu)件，其施工質(zhì)量對(duì)橋梁使用壽命有重要影響[1-2]。

牽引作業(yè)是斜拉索施工過(guò)程重要環(huán)節(jié)，黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋斜拉索安裝時(shí)，綜合牽引力、索長(zhǎng)、空間等要素，梁端選用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，塔端選用硬牽引和軟硬組合牽引方法[3]。上海長(zhǎng)江大橋采用塔端軟硬組合方法進(jìn)行牽引和張拉作業(yè)，并以行星千斤頂作為軟牽引的張拉工裝設(shè)備，解決了大噸位牽引問(wèn)題[4]。上述研究主要是針對(duì)具體的施工案例進(jìn)行斜拉索牽引方法研究。

本文在介紹斜拉索的一般施工工藝基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)斜拉索的單一牽引方法和組合牽引方法、牽引工藝及對(duì)應(yīng)的工裝設(shè)備等進(jìn)行研究分析，并提出了各種牽引方法的適用工況，以期為斜拉索牽引施工的方法及工裝設(shè)備選用提供參考。

1 斜拉索施工工藝及牽引原理

1.1 斜拉索施工工藝

斜拉索施工的工藝主要包括斜拉索制造、運(yùn)輸、索上橋面、展索、塔端掛設(shè)、壓錨、張拉、索力檢測(cè)及調(diào)整、安裝附屬結(jié)構(gòu)等[5]，工藝流程見(jiàn)圖1。根據(jù)施工工藝流程可知，斜拉索的梁端壓錨、張拉、索力調(diào)整等工藝均與牽引施工密切相關(guān)。施工所需要的主要工裝設(shè)備也均是為上述3個(gè)主要工藝流程服務(wù)。因此合理選用牽引方法及牽引工裝設(shè)備對(duì)施工質(zhì)量、安全、效率等具有重要影響。

圖1 斜拉索施工工藝流程

1.2 牽引原理分析

常見(jiàn)的斜拉索施工的牽引方法主要有卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引、軟牽引、硬牽引3種基本的牽引方法和基于軟、硬牽引法組成的不同形式的組合牽引。牽引原理均一致，即利用外力作用將展開(kāi)的拉索拉至梁端和塔端預(yù)定的錨固點(diǎn)位置錨固，并達(dá)到設(shè)計(jì)的錨頭伸長(zhǎng)量、索力值、橋面線形、橋塔空間姿態(tài)等相關(guān)要求。其中卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引為直接用卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩牽拉斜拉索錨頭運(yùn)動(dòng)到既定位置，軟牽引、硬牽引及組合牽引法則是利用額外結(jié)構(gòu)接長(zhǎng)斜拉索，配套相應(yīng)工裝，形成“懸浮式”牽引系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)接長(zhǎng)后的斜拉索至少2點(diǎn)依次持續(xù)性交替錨固牽引，最終將斜拉索錨頭牽拉至預(yù)定的位置。

2 斜拉索牽引方法及對(duì)應(yīng)工裝研究

2.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引法

卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引法需要的主要工裝設(shè)備包括卷?yè)P(yáng)機(jī)、索夾、滑車(chē)組、導(dǎo)向點(diǎn)等，見(jiàn)圖2。

圖2 卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引示意圖

卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引施工過(guò)程為：在斜拉索上安裝好索夾，在索夾處及橋面導(dǎo)向點(diǎn)安裝滑車(chē)組，卷?yè)P(yáng)機(jī)的鋼絲繩通過(guò)滑車(chē)組將牽引力傳遞給斜拉索。壓錨時(shí)，緩慢啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，將斜拉索梁端錨頭牽引進(jìn)索導(dǎo)管，直至錨頭伸出錨墊板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。最后安裝錨具螺母，拆除索夾、滑車(chē)組、即完成卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引壓錨施工。

卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引施工需要的空間較大，一般可與汽車(chē)吊、手拉葫蘆等設(shè)備配合使用以調(diào)節(jié)斜拉索壓錨時(shí)入錨角度；壓錨力值不能準(zhǔn)確推算，但施工效率高，速度快。

2.2 軟牽引法

軟牽引法施工一般采用鋼絞線作為牽引工具，所需的工裝設(shè)備主要包括：撐腳、千斤頂、變徑螺母、錨固系統(tǒng)、鋼絞線等。其利用鋼絞線接長(zhǎng)斜拉索，當(dāng)千斤頂周期性伸縮油缸時(shí)，處于不同位置的2個(gè)錨固系統(tǒng)依次錨固鋼絞線，從而將斜拉索牽引至索導(dǎo)管或預(yù)定位置，見(jiàn)圖3。不同的工裝組合有不同的牽引形式，但工作原理均一致。

圖3 軟牽引示意圖

軟牽引法可通過(guò)千斤頂與對(duì)應(yīng)油表的標(biāo)定方程確定各個(gè)牽引位置的牽引力值，因單根鋼絞線受力有限，牽引時(shí)應(yīng)盡量使鋼絞線束受力均勻，且只承受拉力，否則存在鋼絞線拉斷的危險(xiǎn)。鋼絞線在穿錨過(guò)錨具及連接套時(shí)，孔的位置要一一對(duì)應(yīng)。

2.3 硬牽引法

硬牽引法施工一般采用張拉桿作為牽引工具，所需的工裝設(shè)備主要包括：變徑螺母、張拉桿、張拉桿螺母、撐腳、千斤頂?shù)?。其工作過(guò)程與軟牽引相似，利用張拉桿接長(zhǎng)斜拉索，通過(guò)處于不同位置的張拉桿螺母(錨固系統(tǒng))依次錨固張拉桿，將斜拉索牽引進(jìn)索導(dǎo)管或指定位置，見(jiàn)圖4。也可以用不同的工裝組合實(shí)現(xiàn)牽引目的。牽引力較大時(shí)，需驗(yàn)算撐腳、錨固系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的受力可靠性，以確保施工質(zhì)量和安全。

圖4 硬牽引示意圖

2.4 不同牽引形式對(duì)比

通過(guò)上述分析可知，各種牽引形式有不同的適用工況和牽引特點(diǎn)，對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 不同牽引方法對(duì)比

根據(jù)各牽引方法施工過(guò)程及特點(diǎn)，結(jié)合表1分析可知，卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引適用于力值較小的斜拉索牽引及其他牽引法的預(yù)牽引工作。軟牽引適用于索長(zhǎng)較長(zhǎng)、力值較大、牽引長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況，且適用于小空間的牽引施工。硬牽引法適用于張拉空間大、索力較大的情況。

2.5 組合牽引法

由于斜拉橋跨徑較大，尾索段的斜拉索較長(zhǎng)，牽引力較大，考慮到施工安全等因素，單純一種形式的牽引施工已不能滿足斜拉索施工，因此需要進(jìn)行組合牽引，即指同一根斜拉索施工時(shí)所采用的硬牽引和軟牽引的組合使用狀態(tài)。根據(jù)硬牽引和軟牽引的施工部位不同，可以得到4種組合牽引形式，各種牽引形式的施工部位和適用條件見(jiàn)表2。

表2 組合牽引形式及適用條件

組合牽引都能提供較大的牽引力，施工前均需要卷?yè)P(yáng)機(jī)將斜拉索錨頭牽引至指定位置，或者達(dá)到一定的牽引力值。組合牽引2、組合牽引4即為常說(shuō)的軟硬組合牽引法，相對(duì)于組合牽引1和組合牽引3，減少了作業(yè)點(diǎn)，但工裝組合時(shí)接頭較多，降低了牽引系統(tǒng)的可靠性，特別是在塔端施工時(shí)，增加了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，因此選擇軟硬組合牽引時(shí)，盡量布置在梁端作業(yè)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

武漢沌口長(zhǎng)江公路大橋?yàn)槲錆h市四環(huán)線的控制工程之一，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型為100 m+275 m+760 m+275 m+100 m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。斜拉索采用扇形雙索面布置，2個(gè)主塔的斜拉索對(duì)稱布置，全橋共30×4×2=240 根斜拉索。此橋采用1 860 MPa的Φ7高強(qiáng)熱鍍鋅鋁平行鋼絲斜拉索，單根索長(zhǎng)度為123.82～415.68 m，單根索質(zhì)量為4.85～30.67 t，最小規(guī)格為PES7-109，最大規(guī)格為PES7-223。

3.2 牽引方法選擇

沌口長(zhǎng)江公路大橋斜拉索施工采用塔端掛設(shè)、梁端牽引、塔端牽引張拉的總體施工工藝，塔端張拉均為硬牽引法。梁端壓錨則根據(jù)不同的索長(zhǎng)和牽引力值分為短索施工(1-10號(hào)斜拉索)，中長(zhǎng)索施工(11-17號(hào)斜拉索)和長(zhǎng)索施工(18-30號(hào)斜拉索)。

1) 短索施工。短索因索長(zhǎng)較短、索力較小，掛設(shè)完成后塔端用張拉桿下放，然后梁端用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引錨頭進(jìn)索導(dǎo)管并伸出至指定位置。施工圖見(jiàn)圖5。

圖5 卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引壓錨

因卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力值有限，為確保壓錨可靠性，施工過(guò)程中控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的壓錨牽引力不超過(guò)200 kN。通過(guò)基于懸鏈線理論及無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的計(jì)算方法[6]，可得到1-10號(hào)斜拉索卷?yè)P(yáng)機(jī)壓錨牽引力極限值控制下的塔端下放長(zhǎng)度，其中1-6號(hào)索下放0.5 m，7-8號(hào)索下放1 m，9-10號(hào)索下放1.5 m。

2) 中長(zhǎng)索施工。中長(zhǎng)索施工時(shí)，塔端掛設(shè)完成后螺母帶平，然后用軟牽引法將梁端錨頭牽引至設(shè)計(jì)位置，施工圖見(jiàn)圖6。施工時(shí)，計(jì)算確定出了每根索牽引時(shí)需要的鋼絞線長(zhǎng)度、數(shù)量、軟牽引長(zhǎng)度、牽引到位的理論力值。其中，選用的鋼絞線直徑為15.24 mm，單根索鋼絞線數(shù)量均為12根，長(zhǎng)度為8 m，牽引長(zhǎng)度為5 m，斜拉索錨具牽引至指定位置時(shí)，控制單根鋼絞線的平均牽引力不超過(guò)130 kN，以平均2倍的安全系數(shù)保障軟牽引過(guò)程中的施工安全。

圖6 軟牽引壓錨

3) 長(zhǎng)索施工。長(zhǎng)索施工時(shí)，塔端掛設(shè)完成后螺母帶平，然后用軟硬組合牽引法將梁端錨頭帶平至設(shè)計(jì)位置，見(jiàn)圖7。牽引過(guò)程中，鋼絞線的數(shù)量為12根，最長(zhǎng)下料長(zhǎng)度為25 m，最長(zhǎng)牽引長(zhǎng)度約20 m。同樣控制軟牽引的單根鋼絞線的平均受力不超過(guò)130 kN，軟牽引到位后，張拉桿進(jìn)行硬牽引到位，硬牽引的最大長(zhǎng)度為3 m。滿足最長(zhǎng)、最重的30號(hào)斜拉索的施工要求。

圖7 軟硬組合牽引壓錨

4 結(jié)論

1) 斜拉索牽引方法有卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引、軟牽引和硬牽引3種基本牽引方法，根據(jù)斜拉索牽引部位的不同，有4種不同形式的組合牽引。除卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引法外，其余方法均需要接長(zhǎng)體、撐腳、千斤頂、錨固裝置等工裝設(shè)備。

2) 卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引法牽引速度快，可用于軟硬組合牽引前的輔助牽引施工；軟牽引法牽引距離長(zhǎng)，硬牽引法牽引力大，組合牽引法綜合軟、硬牽引法的特點(diǎn)，適用于長(zhǎng)索、重索的施工。

3) 牽引施工是斜拉索施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需合理選擇牽引方法對(duì)應(yīng)的牽引工裝設(shè)備。牽引方案制定前，需結(jié)合不同的牽引方法和組合牽引的特點(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理地選擇不同的牽引方法。