張國(guó)強(qiáng)，王曉山，黎祖金

(1.河北中交遠(yuǎn)洲工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，河北 石家莊 050000；2.柳州歐維姆工程有限公司，廣西 柳州 545036)

0 引言

埃及魯?shù)隆しɡ茌S心大橋(Rod EI-Farag Axis Bridge)位于開(kāi)羅城北，靠近埃及首都中心，橫跨尼羅河，為埃及第一座自主設(shè)計(jì)和施工的斜拉橋，耗時(shí)4年建成。獨(dú)具匠心的雙幅跨連續(xù)疊合梁混合結(jié)構(gòu)、聯(lián)體塔斜拉橋結(jié)構(gòu)非常少見(jiàn)。其邊跨為單箱五室鋼筋混凝土梁，中跨為雙工字鋼組合梁結(jié)構(gòu)，橋面寬度達(dá)67.3m，刷新此前加拿大一直保持的65.2m的紀(jì)錄。該橋主塔為雙H形混凝土塔柱，斜拉索為四索面結(jié)構(gòu)，每個(gè)主塔設(shè)有10對(duì)拉索，全橋共160根斜拉索。斜拉索采用環(huán)氧涂層鋼絞線外裹PE管，管內(nèi)填充油脂；采用OVM250拉索錨具，最大規(guī)格為OVM250-127孔，安裝111根斜拉索。

常規(guī)鋼絞線斜拉索安裝采用“循環(huán)牽引托板穿索施工工藝”，效率低，控制精度也不高，且易產(chǎn)生磨索、纏索、墜索等施工質(zhì)量問(wèn)題?！澳嫦虼┧魇┕すに嚒痹趻焖鏖g歇時(shí)間段完成斜拉索下料、HDPE管焊接等準(zhǔn)備工作；掛索時(shí)，通過(guò)塔頂牽引設(shè)備將斜拉索提升至塔端，利用鋼絞線自重完成下穿，然后采用智能張拉完成拉索安裝。對(duì)于施工過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，如錨具安裝、鋼絞線下料、HDPE管焊接、穿索、張拉等進(jìn)行了重點(diǎn)分析，給出了具體操作步驟和計(jì)算公式，保證了斜拉索安裝質(zhì)量和效率。

1 新、舊穿索工藝比較

常規(guī)鋼絞線斜拉索安裝采用“循環(huán)牽引托板穿索施工工藝”，即鋼絞線斜拉索固定在牽引托板上，由橋面卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)鋼絲繩牽引托板從HDPE管下管口向上移動(dòng)至HDPE管上管口，然后塔外操作人員進(jìn)行牽引轉(zhuǎn)換，改由塔內(nèi)牽引鋼絞線并錨固，最后橋面卷?yè)P(yáng)機(jī)反向牽引空托板向下移動(dòng)至HDPE管下管口完成1次循環(huán)(見(jiàn)圖1)。新工藝則采用“逆向穿索施工工藝”，即通過(guò)塔頂?shù)匿摻g線穿索機(jī)將擺放在橋面的斜拉索自HDPE管外牽引至塔頂，然后轉(zhuǎn)向下垂到HDPE管上管口作業(yè)平臺(tái)處，塔外作業(yè)人員將鋼絞線導(dǎo)入HDPE管內(nèi)，利用鋼絞線自重完成下穿。塔內(nèi)牽引鋼絞線并錨固后開(kāi)始下一根鋼絞線穿索(見(jiàn)圖2)。

圖1 循環(huán)牽引托板穿索施工工藝示意

圖2 逆向穿索施工工藝示意

“逆向穿索施工工藝”與“循環(huán)牽引托板穿索施工工藝”相比較，有著明顯不同(見(jiàn)表1)，其最大優(yōu)勢(shì)在于放棄使用循環(huán)繩及牽引托板，主要原因有以下2點(diǎn)。

表1 新、舊穿索工藝比較

1)循環(huán)繩和牽引托板在HDPE管內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，因鋼絞線存在自扭力，極易帶動(dòng)托板發(fā)生翻轉(zhuǎn)，操作人員往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而引發(fā)一系列問(wèn)題，如鋼絲繩與鋼絞線纏繞、牽引鋼絞線與已安裝鋼絞線纏繞、牽引鋼絞線墜落(見(jiàn)圖3)、托板卡入已安裝鋼絞線縫隙等，且循環(huán)繩和托板在HDPE管內(nèi)擠占穿索空間，托板運(yùn)行時(shí)會(huì)摩擦鋼絞線防腐層。稍有不慎就會(huì)造成鋼絞線防腐層的大面積損傷(見(jiàn)圖4)，導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量后果。

圖3 牽引鋼絞線墜落

圖4 鋼絲繩纏索、磨索

逆向穿索施工工藝實(shí)施的基本原理是，利用鋼絞線自重實(shí)現(xiàn)HDPE管內(nèi)穿索，放棄使用循環(huán)鋼絲繩和托板，且無(wú)須在HDPE管內(nèi)設(shè)置其他輔助措施。鋼絞線在HDPE管內(nèi)下穿過(guò)程較順利，因此能非常好地保護(hù)鋼絞線防腐層。

2)循環(huán)鋼絲繩和托板布置在HDPE管內(nèi)，所以每根拉索都需重復(fù)布設(shè)1次循環(huán)系統(tǒng)，施工工序較多，且卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩在橋面需多次折返布置，掛索過(guò)程中形成多處危險(xiǎn)區(qū)域，存在大量安全隱患。

逆向穿索施工工藝只需在掛索初期將穿索機(jī)布置在塔頂，后期掛索過(guò)程則無(wú)須再調(diào)整，也不存在循環(huán)鋼絲繩拆除及重新布線等工作，減少施工工序的同時(shí)，也有利于安全管理。

2 逆向穿索施工工藝

逆向穿索施工工藝準(zhǔn)備階段需在塔頂搭設(shè)工作平臺(tái)，并將鋼絞線穿索機(jī)吊裝至塔頂固定，鋼絞線下料和HDPE管焊接均在橋面完成。穿索前應(yīng)先正確安裝張拉端和固定端錨具，然后將HDPE管與加長(zhǎng)索同時(shí)起吊安裝，通過(guò)張拉加長(zhǎng)索使HDPE管盡量繃直。穿索時(shí)鋼絞線自HDPE管外被牽引至塔頂，通過(guò)穿索機(jī)后下垂至索導(dǎo)管上管口位置，操作人員引導(dǎo)鋼絞線進(jìn)入HDPE管，沿管內(nèi)壁下穿至橋面；塔外作業(yè)人員進(jìn)行鋼絞線牽引裝置轉(zhuǎn)換，由塔內(nèi)牽引鋼絞線至相應(yīng)錨孔并臨時(shí)錨固；梁端將鋼絞線下穿至相應(yīng)錨孔并永久錨固，塔內(nèi)進(jìn)行單根張拉，完成單根鋼絞線穿索；重復(fù)穿索過(guò)程，直至所有鋼絞線安裝完成。

2.1 施工準(zhǔn)備

塔頂施工平臺(tái)用型鋼搭設(shè)，懸臂長(zhǎng)1.0～2.0m，型鋼焊接在塔頂預(yù)埋件上，并用精軋螺紋鋼錨固。平臺(tái)設(shè)置安全圍欄，鋼絞線穿索機(jī)通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定在施工平臺(tái)上。穿索機(jī)安裝調(diào)試完成后，用φ5鍍鋅鋼絲繩作為先導(dǎo)繩，一端穿過(guò)穿索機(jī)，另一端從塔頂依次穿過(guò)導(dǎo)向裝置到達(dá)橋面并與鋼絞線連接。啟動(dòng)穿索機(jī)，鋼絲繩牽引鋼絞線從橋面到達(dá)塔頂穿索機(jī)，然后穿索機(jī)從出線口穿出，拆除先導(dǎo)繩，完成準(zhǔn)備工作。

相對(duì)于循環(huán)牽引托板穿索施工工藝而言，逆向穿索施工工藝的準(zhǔn)備工作量要大一些，主要是需搭設(shè)一個(gè)穩(wěn)固的塔頂施工平臺(tái)和安裝塔頂穿索機(jī)。此項(xiàng)工作發(fā)生在掛索前，并不占用掛索主工期，且掛索過(guò)程中無(wú)須重復(fù)作業(yè)，減少了掛索步驟，反而有利于工期控制。

2.2 錨具安裝

錨具安裝前要檢查清理索導(dǎo)管、錨具及錨墊板，調(diào)整張拉端錨具螺母端面至支撐筒1/2處，封堵未使用的錨孔，做好指向標(biāo)記。安裝時(shí)錨具中心應(yīng)與預(yù)埋管中心一致，嚴(yán)格按標(biāo)記指向安裝，防止上、下錨孔錯(cuò)位。同時(shí)，應(yīng)特別注意固定端錨具墊板的排水槽和錨具注漿孔必須處于安裝位置最低點(diǎn)，確保索導(dǎo)管內(nèi)不存在積水，以及張拉結(jié)束后錨具注漿的飽滿度達(dá)到設(shè)計(jì)和工藝要求。

2.3 鋼絞線下料

將鋼絞線自由端固定在牽引小車上，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絞線前行，鋼絞線在牽引過(guò)程中沿導(dǎo)架斜面下滑，整齊分層碼放，尾端用切割機(jī)斷料。采用專用鋼絞線剝線器剝除相應(yīng)長(zhǎng)度的鋼絞線PE管，劃刀下刀深度應(yīng)嚴(yán)格控制，避免損傷環(huán)氧涂層。剝皮后清除鋼絲油脂，并取10～15cm中心絲進(jìn)行墩頭處理。

鋼絞線下料長(zhǎng)度L計(jì)算：

(1)

式中：L0為上、下錨點(diǎn)間距；LWS為張拉端工作長(zhǎng)度，取1.4～1.6m；LWD為固定端工作長(zhǎng)度，取0.2～0.3m；E1為張拉端錨板厚度；F1為張拉端支撐筒長(zhǎng)度；E2為固定端錨板厚度；S為固定端墊板厚度。

循環(huán)牽引托板穿索施工工藝通常在穿索過(guò)程中斷料，即斜拉索塔端錨固后，再根據(jù)梁端索導(dǎo)管的長(zhǎng)度斷料、剝除PE管、清理油脂。為了避免廢索產(chǎn)生，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員往往要求工人“寧長(zhǎng)勿短”，對(duì)拉索總長(zhǎng)度控制并不嚴(yán)格，這也導(dǎo)致PE管剝除長(zhǎng)度無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)定，斜拉索損耗率較高。穿索過(guò)程中斷料占用掛索主工期，影響掛索效率。

逆向穿索施工工藝中，鋼絞線則是提前下料，在掛索間隔時(shí)間段內(nèi)完成，不占用掛索主工期，同時(shí)通過(guò)精確的公式計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格把控，大大提高了下料長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性，既降低了損耗率又確保PE管剝除段可進(jìn)入錨具密封筒內(nèi)得到良好的防腐保護(hù)，延長(zhǎng)拉索使用壽命。

2.4 HDPE管焊接、吊裝

焊接長(zhǎng)度LK計(jì)算：

(2)

式中：L0為上、下錨板間距；LTDG為塔端預(yù)埋管長(zhǎng)度；LLDG為梁端預(yù)埋管長(zhǎng)度；LCZ為操作空間，一般取2.4～3.0m；LLJG為連接管長(zhǎng)度；A為梁端防水罩高度；Δ為溫度修正值；Δt為計(jì)算溫度差，Δt=計(jì)算溫度-標(biāo)準(zhǔn)溫度；c為線膨脹系數(shù)，HDPE管取c=1.8×10-4/℃。

開(kāi)羅夏季最熱月平均溫度約35℃，在陽(yáng)光暴曬下HDPE管表面溫度可達(dá)50℃；冬季最冷月平均溫度約9℃，偶爾也會(huì)出現(xiàn)0℃的低溫天氣。因此，在HDPE管長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)，取中間值25℃作為基準(zhǔn)溫度，并通過(guò)以下公式檢驗(yàn)極限溫度下LK的取值是否滿足要求。

1)當(dāng)溫度降低，HDPE管縮短(Δ<0)，當(dāng)達(dá)到極限低溫時(shí)，要保證HDPE管與連接管的重疊部分≥500mm，因此有：

L0-LTDG-LLDG-A-(LLJG-0.5)≤

LK?LLJG-0.5≥LCZ-Δ

(3)

2)當(dāng)溫度升高，HDPE管伸長(zhǎng)(Δ>0)，當(dāng)達(dá)到極限高溫時(shí)，要保證HDPE管不被擠壓，因此有：

L0-LTDG-LLDG-A≥LK?

LCZ-Δ≥0

(4)

HDPE管現(xiàn)場(chǎng)焊接參考TSG D2002—2006《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》，采用熱熔對(duì)焊工藝。除滿足規(guī)范要求外，還應(yīng)注意HDPE管外螺紋線應(yīng)連續(xù)。

HDPE管吊裝前預(yù)先在管內(nèi)穿過(guò)1根加長(zhǎng)的鋼絞線拉索臨時(shí)固定，然后在上管口處安裝索夾，連接管臨時(shí)固定在索夾上(見(jiàn)圖5)。垂直起吊HDPE管到塔外索導(dǎo)管處臨時(shí)固定，塔內(nèi)牽引加長(zhǎng)索進(jìn)入對(duì)應(yīng)錨孔并臨時(shí)錨固，梁端用卷?yè)P(yáng)機(jī)拖拽加長(zhǎng)索直至梁端錨固，然后塔端用前卡式千斤頂張拉加長(zhǎng)索直至將HDPE管撐起。

圖5 HDPE管吊裝示意

2.5 鋼絞線穿索、錨固

塔頂穿索機(jī)類似于1臺(tái)大滾筒卷?yè)P(yáng)機(jī)，鋼絞線在滾輪上纏繞3～5圈提供足夠的牽引力后穿出。斜拉索穿索時(shí)，橋面工作人員將已下好料的鋼絞線通過(guò)特制的防轉(zhuǎn)連接器連接，鋼絞線在穿索機(jī)的牽引作用下提升至塔頂，繞過(guò)穿索機(jī)后下垂至塔外作業(yè)平臺(tái)處。操作人員將鋼絞線導(dǎo)入HDPE管，在穿索機(jī)不斷牽引和鋼絞線自重作用下，鋼絞線沿HDPE管內(nèi)壁下滑至橋面(當(dāng)斜拉索長(zhǎng)度增加、角度減小，鋼絞線下穿難度有所增加時(shí)，可在固定端鋼絞線的中心絲墩頭上懸掛子彈頭形狀的配重塊輔助下穿)。當(dāng)2根鋼絞線的連接處到達(dá)塔外作業(yè)平臺(tái)后，臨時(shí)固定鋼絞線并解除連接，塔內(nèi)從對(duì)應(yīng)的錨具孔內(nèi)放出牽引繩將已完成下穿的鋼絞線牽引至塔內(nèi)錨固。同樣，梁底從對(duì)應(yīng)的錨具孔內(nèi)放出牽引繩將鋼絞線固定端牽引至梁底錨固。最后，用千斤頂對(duì)張拉端進(jìn)行預(yù)緊及張拉，完成單根鋼絞線穿索。

逆向穿索施工工藝所用穿索機(jī)速度通過(guò)變頻可調(diào)，最高可達(dá)20m/min，與循環(huán)牽引托板牽引速度相近。雖然循環(huán)牽引托板每次可牽引2根拉索，但由于逆向穿索工藝穿索施工時(shí)鋼絞線已提前完成下料，操作步驟減少，且沒(méi)有纏索、墜索等問(wèn)題出現(xiàn)，也無(wú)須每節(jié)段斜拉索拆除和重新布設(shè)循環(huán)系統(tǒng)，因此總體穿索效率要高于循環(huán)牽引托板穿索工藝，平均穿索周期可縮短1d。

逆向穿索施工工藝放棄使用循環(huán)鋼絲繩和托板，且無(wú)須在HDPE管內(nèi)設(shè)置其他復(fù)雜的輔助措施，即便使用配重塊也并不會(huì)損傷鋼絞線PE管。通過(guò)工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)HDPE管上、下管口3m范圍內(nèi)的斜拉索PE管抽檢發(fā)現(xiàn)，斜拉索防腐層得到很好的保護(hù)，施工質(zhì)量明顯提升。

2.6 鋼絞線張拉

鋼絞線斜拉索張拉采取先逐根預(yù)緊后整體張拉方式。逐根預(yù)緊鋼絞線的目的是使得各根鋼絞線的受力狀態(tài)盡可能達(dá)到一致，從而使累計(jì)索力能達(dá)到初次張拉的要求索力值且滿足均勻性2%的規(guī)范要求。

首排第1，2根鋼絞線主要起到對(duì) HDPE套管的支承作用，因此第1，2根鋼絞線的張拉力值根據(jù)HDPE管的垂度及自重進(jìn)行確定。通常將第3根鋼絞線作為單根張拉的基準(zhǔn)索，其張拉力按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：N為斜拉索設(shè)計(jì)張拉索力；N12為第1，2根鋼絞線的張拉力之和；n為整束斜拉索中鋼絞線根數(shù)；δ為安裝斜拉索時(shí)由于主塔和主梁變位引起的斜拉索索長(zhǎng)變化量；l為斜拉索的計(jì)算索長(zhǎng)；A為鋼絞線的截面面積；Ec為鋼絞線彈性模量。

后續(xù)鋼絞線控制索力計(jì)算參考式(5)，由于掛索時(shí)間較長(zhǎng)，受溫度、日照、橋面荷載變化等各種因素的影響，控制索力也不斷發(fā)生變化，因此無(wú)法用計(jì)算值進(jìn)行控制，只能作為參考。單根鋼絞線張拉力控制的普遍做法為：將第3根鋼絞線作為基準(zhǔn)索，準(zhǔn)確張拉并安裝測(cè)力傳感器。然后在對(duì)后續(xù)第i根鋼絞線進(jìn)行張拉時(shí)，基準(zhǔn)索索力會(huì)隨之減小，當(dāng)索力Ni與基準(zhǔn)索索力N3相等時(shí)，即可停止張拉并進(jìn)行錨固完成張拉。為了保證所有鋼絞線索力盡可能均勻，當(dāng)鋼絞線安裝張拉完畢后，還需對(duì)第1，2根索進(jìn)行補(bǔ)張拉。

舊工藝采用千斤頂進(jìn)行單根張拉操作，依靠理論計(jì)算力值及人工測(cè)量鋼絞線的伸長(zhǎng)值監(jiān)控張拉力。人工操控油泵，依靠肉眼觀測(cè)油表控制力值，很難使每根鋼絞線應(yīng)力均勻一致。本項(xiàng)目通過(guò)計(jì)算機(jī)與傳感器組成索力控制系統(tǒng)進(jìn)行張拉，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的索力控制。通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)控制油泵張拉，當(dāng)鋼絞線索力與基準(zhǔn)索傳感器示值相等時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)控制油泵保壓，同時(shí)啟動(dòng)頂壓器頂壓夾片，實(shí)現(xiàn)錨夾具自動(dòng)錨固，完成張拉。采用智能控制的“等值張拉”法施工，可以保證每束拉索內(nèi)各根鋼絞線的拉力偏差控制在±2%，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

埃及魯?shù)隆しɡ茌S心大橋建造過(guò)程備受關(guān)注，由中國(guó)企業(yè)供貨的斜拉索其產(chǎn)品質(zhì)量和施工質(zhì)量更是項(xiàng)目關(guān)注的重點(diǎn)。中國(guó)工程師團(tuán)隊(duì)在斜拉索施工過(guò)程中根據(jù)開(kāi)羅的氣候特點(diǎn)及施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況不斷優(yōu)化施工工藝，嚴(yán)控下料長(zhǎng)度、安裝準(zhǔn)確度及張拉精準(zhǔn)度，放棄使用常規(guī)的循環(huán)托板掛索工藝，采取逆向穿索和智能張拉的方法進(jìn)行施工，彌補(bǔ)了原有施工工藝的不足之處，極大地提高了施工質(zhì)量和工作效率，取得了非常好的效果。