13.4.2 悬索桥施工工艺
1.塔柱施工工艺
钢塔柱一般用钢板先预制连接成格子形截面的节段,节段在现场吊装拼接成塔柱。早期的钢塔柱无论节段内还是节段间的连接均采用铆接,构件加工精度要求高。随着栓焊技术的发展,钢塔节段在工厂焊接制造,然后将节段运输到工地架设并用高强螺杆来连接。
钢塔柱一般支承在一块厚钢板上,厚钢板与桥墩混凝土栓接并把塔柱压力均匀传递到桥墩中。现在也有在桥墩混凝土中埋设锚固构架,塔柱用高强螺栓锚固在构架上,通过构架将压力均匀传递到混凝土中的做法。
混凝土塔柱的施工与斜拉桥塔柱施工相同,一般以就地浇筑为主,采用滑模爬模等技术连续浇筑。
2.锚碇施工
悬索桥主缆索股锚固形式分为自锚式和地锚式。自锚式是将主缆索股直接锚于加劲梁上,无须使用锚碇结构,一般仅适用于中小跨径悬索桥。地锚式则将主缆索股锚于重力式锚碇、隧道锚碇或直接锚于坚固的岩体上。此处所讨论的锚碇是指地锚式悬索桥锚固主缆的重要结构物。
锚碇是锚块基础、锚块、钢缆的锚碇架及固定装置等的总称。它不仅抵抗来自主缆的竖直反力,而且抵抗主缆的水平力,是悬索桥区别于其他桥梁的独有结构,直接关系到悬索系统的稳定性。锚块是直接锚固主缆的结构,它通过锚固系统将主缆索股拉力分散开。锚块与其下面的锚块基础连成一体,用于抵抗因主缆拉力产生的锚碇滑动及倾倒。锚碇主要有重力式锚碇、隧道式锚碇等。目前,世界上已建悬索桥绝大部分采用的是重力式锚碇。这除了与锚碇所处的地形、地质条件有关,还与主缆架设方法、锚碇施工方法有关。
一般而言,若锚碇处有坚实岩层靠近地表,则修建隧道式锚碇(或称岩洞式锚碇)可能比较经济。美国华盛顿桥新泽西岸锚碇是隧道式的,其混凝土用量仅为纽约岸锚碇(重力式)21%,但隧道式锚碇有传力机理不明确的缺点。若有坚实基岩层靠近地表,也可采用重力式锚碇,让锚块嵌入重基岩,使位于锚块前的基岩凭借承压来抵抗主缆的水平力。例如,汕头海湾大桥设计为重力前锚式锚碇,虎门大桥的东锚碇设计为山后重力式锚碇。
一般设置在承载力比较好地基上的重力式锚碇,宜采用明挖的扩大基础。如美国1964年建成的维拉扎诺桥和丹麦1970年建成的小贝尔特桥都是采用的扩大浅基础。当锚碇设置在软土层中时,可以采用大型沉井或地下连续墙的形式。如江阴长江大桥北锚碇采用了大型沉井基础,明石海峡大桥(日本)、虎门大桥的西锚碇和润扬长江道路大桥北锚碇均采用了地下连续墙基础。
3.主缆施工
1)主缆架设
悬索桥的钢缆有钢丝绳钢缆和平行线钢缆。钢丝绳钢缆适用于中、小跨度的悬索桥,平行线钢缆适用于主跨为500 m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和预制索股法两种。
(1)空中送丝法架设主缆。
①架设方法。
空中送丝法架设主缆是在桥两岸的索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,将牵引绳的端头连接起来,形成从此岸到对岸的长绳圈。其主要架设方法如下。
a.将送丝轮扣牢在牵引绳上,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,暂时固定在靴跟处(称为“死头”)。
b.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。
c.在钢丝套圈送到对岸时,用人工将套圈从送丝轮上取下,套到其对应的靴跟上。
d.随着牵引绳的驱动,送丝轮又被带回此岸,取下套圈套在靴跟上,然后又送向对岸。
e.这样循环进行,当其套在两岸对应靴跟上的丝数达到一根丝股钢丝的设计数目时,就将钢丝“活头”剪断,并将该“活头”与上述暂时固定的“死头”用钢丝连接器连起来,即完成了一根丝股的空中编制。
②空中送丝法施工注意事项。
空中送丝法主缆每一丝股内的钢丝根数为300~600根,再将这种丝股配置成六角形或矩形,挤紧而成为圆形。空中送丝法架设主缆施工必须设置猫道、配备送丝设备,还须有稳定送丝的配套措施。为使主缆各钢丝均匀受力,应分别对钢丝长度和丝股长度进行调整,还应及时进行紧缆和缠缆。
(2)预制索股法架设钢缆。
①架设方法。
预制索股法架设钢缆的目的是使空中架线工作简单化。索股预制股每束61丝、91丝或127丝,再多就过重。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。
②索股线形调整步骤。
a.垂度调整应在夜间温度稳定时进行。温度稳定的条件:长度方向索股的温差不大于2℃,横截面索股的温差不大于1℃。
b.绝对垂度调整,应测定基准索股下缘的标高及跨长、塔顶标高及变位、主索鞍预偏量、散索鞍预偏量。主缆垂度和标高的调整量,应在确定气温与索股温度等值后经计算确定。基准索股标高必须连续3d在夜间温度稳定时进行测量,3次测出结果误差在容许范围内时,应取3次的平均值作为该基准索股的标高。
c.相对垂度调整,应按与基准索股若即若离的原则进行。
d.垂度调整允许误差:基准索股中跨跨中为±1/20000跨径;边跨跨中为中跨跨中的2倍;上下游基准索股高差10 mm;一般索股(相对于基准索股)为-5~10 mm。
e.调整合格的索股不得在鞍槽内滑移。索股锚头入锚后应进行临时锚固。索股应设一定的抬高量,抬高量宜为200~300 mm,并做好编号标志。
f.索力的调整应以设计提供的数据为依据,其调整量应根据调整装置中测力计的读数和锚头移动量双控确定。实际拉力与设计值之间的允许误差应为设计锚固力的3%。
2)主缆防护
首先,主缆防护应在桥面铺装完成后进行。防护前必须清除主缆表面灰尘、油污和水分等,并设置临时覆盖。待涂装及缠丝时再揭开临时覆盖。其次,主缆涂装应均匀,严禁遗漏。涂装材料应具有良好的防水密封性和防腐性,并应保持柔软状态,不硬化、不脆裂、不霉变。最后,缠丝作业宜在二期恒载作用于主缆之后进行,缠丝材料以选用软质镀锌钢丝为宜。钢丝缠绕应紧密均匀,缠丝张力应符合设计要求。缠丝作业应由电动缠丝机完成。
4.加劲梁架设
悬索桥的加劲梁一般采用钢结构,早期以钢桁梁为主,个别中小跨度的悬索桥采用钢板梁。由于钢板梁的抗风性能不佳,自采用钢板梁的美国塔科马老桥被风振毁后,世界各国在较大跨度的悬索桥中不再采用钢板梁。
1)加劲梁断面形式
现阶段,加劲梁主要有钢桁梁(桁架式加劲梁)和钢箱梁(钢箱式加劲梁)两类。
钢箱梁的抗风性能较好,风阻吸收仅为钢桁梁的1/4~1/2,且耗钢量较少;钢桁梁在双层桥面的适应性方面远较钢箱梁优越,适用于交通量较大、公铁两用或其他特殊条件下的悬索桥。
例如,英国的赛文桥,丹麦的小贝尔特桥,土耳其的博斯普鲁斯一桥、博斯普鲁斯二桥,英国的亨伯尔桥,我国的虎门大桥、西陵长江道路大桥、江阴长江道路大桥、厦门海沧大桥、宜昌长江公路大桥、武汉阳逻长江道路大桥、舟山西堠门大桥、广州珠江黄浦大桥等都采用了钢箱梁;而重庆奉节长江大桥,贵州坝陵河大桥、北盘江大桥,湖北的四渡河大桥,湖南矮寨大桥等都采用了钢桁梁。
与一般钢桥相同,钢桁梁或钢箱梁均在工厂内制造,运输到现场后通过节段间现场连接的方法成桥。加劲梁的制造节段长度一般与钢桁梁的节间长度或其纵向吊索间距相同。
2)加劲梁架设安装顺序
加劲梁的架设安装顺序主要有两种形式:一种是从主跨跨中及两侧桥台向索塔的两侧推进;另一种是从索塔两侧分别向主跨、跨中及两侧桥台推进。拼装顺序应能保证塔顶纵向位移尽可能较小,梁段的竖向变位起伏小,并有利于抗风稳定。
美国旧金山—奥克兰海湾大桥和维拉扎诺桥采用的是前一种顺序,而金门大桥和麦基纳克桥采用的是后一种顺序;欧洲多数桥梁(赛文桥、博斯普鲁斯海峡大桥、亨伯尔桥等)采用前一种顺序;在日本,除白鸟大桥外,几乎全部采用后一种顺序。
随着悬索桥施工实践的日益增多,加劲梁架设顺序也在不断发展。例如,日本的明石海峡大桥分别采用两种顺序进行架设。但无论采用哪种架设顺序,均须考虑主缆变形对加劲梁线形(高程)的影响,应在施工前尽可能先做模型试验与必要的计算分析,再结合各桥的特点加以确定。
3)缆载吊机
加劲梁架设的主要工具是缆载吊机,其由主梁、端梁及各种运行提升机构组成。缆载吊机横跨并支承在两主缆上,其主梁跨度即为两主缆的中心距。
梁段用驳船浮运到安装位置的下方,提升梁上的卷扬机,放下提升钢丝绳。钢丝绳通过平衡梁与加劲梁节段连接。卷扬机将梁段提升到吊索位置后,将吊索下端与梁段上的吊点连接,同时,将本段梁段与相邻梁段临时铰接,然后松开平衡梁,本梁段即吊装完毕。
主缆是柔索结构,当只有部分梁段悬吊在主缆上时挠度很大,已吊装的加劲梁将产生很大的弯曲变形。如果梁段吊装到位后即与相邻梁段连接,则加劲梁将承担很大的弯曲应力,容易造成结构破坏。
为此,梁段吊装到位后只在上缘与相邻梁段形成铰接,下缘在吊装期间张开。随着吊装梁段的增加,主缆的局部挠度减小,加劲梁下缘的间隙逐渐闭合,待梁段全部吊装完成或大部分完成后,在相邻节段间永久固结连接。此时,加劲梁恒荷载完全由主缆承担,加劲梁只承担节段内的局部弯矩。
5.施工阶段线形及内力控制
悬索桥施工过程中必须对塔柱弯矩、主缆线形及加劲梁线形加以控制,以使成桥时塔柱基本只承担竖向力,主梁线形达到道路线形要求。
在空缆状态下,主缆无论在中跨还是在边跨均为悬链线,当加劲梁安装完毕后,恒载接近于均布荷载,主缆线形接近于二次抛物线。在两种线形之间转换时,主缆将向中跨移动,因此,塔顶的索鞍在加劲梁架设期间,必须可以在纵桥向移动,待架设完毕后再与塔顶固结。
主缆的长度是从成桥状态考虑成桥温度后,用无应力法计算得到的。再根据索股在主缆中的位置计算索股的长度,编索时先确定标准丝的长度,其余钢丝按照标准丝定长度。
空缆的形状根据缆索的总长及中跨与边跨主缆水平分力相等的原则确定。空缆线形与成桥线形比较后可以得到索鞍在架设期间移动的距离。有了空缆线形后即可进行加劲梁吊装过程模拟计算,从而得到吊装过程中主缆、加劲梁的线形控制值,结果将用于现场操作控制。
现场控制时将现场实测值与计算值比较,控制架设精度。
以上计算都必须考虑几何非线性效应,现在一般通过基于有限位移法的计算机程序进行计算,同时,考虑实测温度与计算温度差的补偿。