南京長江二橋南汊橋斜拉索安裝工藝
2009-09-28
一、概述 南京長江第二大橋南汊橋橫跨南京市和八卦洲之間的長江江面，是一座雙塔雙索面五孔連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，全長2958m。主橋長1238m，橋跨總體布置為58.5m＋246.5m＋628m＋246.5m＋58.5m，橋面總寬35.6m，主梁采用扁平閉口流線型鋼箱梁，梁體最大寬度為37.2m（包括風(fēng)嘴）。 索塔位于長江通航主航道上，總高為195．55m（包括預(yù)抬量）。主塔由下塔柱、中塔柱、上塔柱及下橫梁、中橫梁、上橫梁組成。外形為倒Y型空間結(jié)構(gòu)。南京二橋主橋總體布置見圖1。
1．斜拉索類型的選擇 當(dāng)前國內(nèi)外斜拉橋采用的斜拉索主要分為平行鋼絲索和鋼絞線索兩種。綜合考慮各種因素，南京二橋斜拉索采用平行鋼絲索，其優(yōu)點是：①耐久性和抗疲勞性能好；②國內(nèi)有專業(yè)化的制索工廠，有較成熟的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)能力，價格較便宜；③冷鑄錨在工廠內(nèi)加工，可以試?yán)?，質(zhì)量可得到保證；④應(yīng)用歷史長，施工單位施工技術(shù)成熟。
2．斜拉索的規(guī)格及布置 每個索塔上布置空間雙索面扇形斜拉索，每個索面20對斜拉索。全橋共160根，索在梁上的錨固間距，索塔兩側(cè)為21.5m，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段為15m，邊跨部分為12.5m和12m。索在塔上的錨固間距為1.75～2.5m。南京二橋斜拉索有五種規(guī)格，分別為：φ7-139，φ7-163，φ7-199，φ7-241，φ7-265，其中最長的斜拉索長336.7m，重27.02t。
二、斜拉索施工主要設(shè)備
每個主塔斜拉索施工設(shè)備主要包括：QTZl25型機(jī)械自升式塔吊一臺，25t汽車吊一臺，5t卷揚機(jī)12臺。8t卷揚機(jī)4臺，6門滑輪32個，600t張拉千斤頂2臺，500t千斤頂2臺，120t連續(xù)千斤頂2臺及油泵4臺，600t傳感器4臺，施工電梯2臺，放索船1艘，40t浮吊1艘，以及張拉絲拉桿等。
1．塔吊 塔吊和汽車吊是主塔斜拉索施工的主要起重設(shè)備。在主橋鋼箱梁施工前，拆除主塔施工塔吊，在索塔上橫梁頂中心安裝QTC125（TC5023）型塔吊，主要負(fù)責(zé)完成斜拉索安裝過程中的高空吊裝工作。該塔吊最大工作幅度50m，最大起重力矩143.2t·m，最大起重量8t。另外，在主梁第二對斜拉索張拉完成后，利用水上浮吊把1臺25t汽車吊起吊到主梁上，主要負(fù)責(zé)完成塔吊工作幅度以外的吊裝工作，二者都能滿足施工中的吊裝要求。
2．施工電梯 施工電梯是主塔斜拉索施工時工作人員上、下的主要交通工具。1臺施工電梯，布置在橋軸線上索塔的江側(cè)，距主塔橫軸線6m處，施工電梯從鋼圍堰頂面平臺到鋼箱梁底面施工平臺，其輸送高度為23m，每8m設(shè)置一個附墻。另一臺電梯安裝在索塔下游塔肢中塔柱空腔內(nèi)，從下橫梁項面直到中橫梁底面，其輸送高度為87m，電梯的安裝斜度與中塔柱的斜度保持一致，附墻與電梯預(yù)埋件相聯(lián)。此外，在上塔柱內(nèi)設(shè)置腳手架通道及斜拉索張拉平臺。
三、斜拉索的放索、牽引、安裝與張拉
1．斜拉索放索船的定位
放索船定位有兩種方案，第一種，放索船拋錨定位法。即每次掛索前把放索船頂推到指定位置，在放索船的四個角上分別拋錨，通過收、放錨鏈來調(diào)整放索船的位置。優(yōu)點是放索船受水流沖擊影響小，缺點是占用航道時間長，阻塞航道。第二種，放索船風(fēng)纜、拖輪共同定位法。優(yōu)點是操作簡便快捷，占用航道時間很短，安全可靠，并有成功經(jīng)驗；缺點是要時刻觀察水位變化，防止風(fēng)纜受力過大，影響主梁焊接，經(jīng)過研究，斜拉索放索船的定位采取第二種方案，具體施工工序如下： 斜拉索運送到施工水域后，按編號轉(zhuǎn)移到放索船的放索架上，在鋼箱梁的環(huán)焊縫焊接完成后，用120匹馬力拖輪把放索船頂推到主梁端部的正下方，放索船的長度方向與主梁橫斷面方向一致，這時，從鋼箱梁前端的上、下游各放一根φ9.5mm卷揚機(jī)鋼絲繩，拴住放索船內(nèi)側(cè)上下游的拉環(huán)，啟動卷揚機(jī)，使鋼絲繩受力適中，同時利用拖輪調(diào)整放索船的平面位置，通過目測，保持放索架上斜拉索轉(zhuǎn)盤處鋼箱梁前端的斜拉索轉(zhuǎn)向架的正下方。此時，放索船定位完畢。
2．斜拉索的牽引及安裝 整個掛索過程粗略可分為兩個階段：①牽弓提升，使整根拉索脫離索盤；將兩個冷鑄錨頭分別灌入索塔及箱梁的預(yù)定錨固孔道，并固定；②張拉至設(shè)計噸位，并根據(jù)主梁懸壁端荷載及標(biāo)高適當(dāng)調(diào)整索力。 在斜拉索的牽引階段，拉索尾端在江面的放索船上，中間部分置于橋面，上端被牽引至索塔錨固區(qū)附近（如圖4），頭尾垂直高度差為120～180m，水平距離為20～300m，屬于典型的大跨度空間立體施工作業(yè)，因此，要科學(xué)地制定施工程序及細(xì)節(jié)，合理地安裝提升系統(tǒng)的機(jī)具設(shè)備，精心組織，統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮，才能安全、快捷地完成一系列的牽引提升動作。
?。╨）牽引提升系統(tǒng)的布置和安裝 斜拉索施工最常用的牽引裝置為卷揚機(jī)，這里用到兩種型號的卷揚機(jī)：8t快速卷揚機(jī)，額定拉力8t，平均繩速32．25m／min，容繩量343m，電動機(jī)功率30kw；5t慢速卷揚機(jī)，額定拉力5t，平均繩速9．11m／min，容繩量250m。兩種型號卷揚機(jī)均配置φ19．56-37-39-1700鋼絲繩。其中：①四臺5t慢速卷揚機(jī)對稱安放于索塔根部路線石內(nèi)側(cè)，分別朝向主梁前端，其作用是將拉索張拉端從江面船上放索架的索盤中引出，通過鋼箱梁前端轉(zhuǎn)向架引至橋面，并平拖至索塔根部附近，待進(jìn)一步提升牽引；②作為主提升用的4臺5t快速卷揚機(jī)對稱安放于無索區(qū)的南北兩端的橋軸線兩側(cè)，其鋼絲繩通過塔頂定滑輪組（3門32t）走3～4絲形成滑輪組，用于將拉索張拉端提升至索塔錨固區(qū)相應(yīng)套街口附近；③在塔頂搭設(shè)平臺，安放兩臺5t慢速卷揚機(jī)，其鋼絲繩經(jīng)過轉(zhuǎn)向從斜拉索套筒放出，其作用是將張拉端錨頭牽引進(jìn)入套筒；④在距鋼箱梁前端0m處，上、下游兩側(cè)各安一臺5t慢速卷揚機(jī)，南北共4臺，其鋼絲繩從梁前端放下，用于穩(wěn)住江中的放索船，待斜拉索完全脫離放索船到達(dá)橋面，此卷揚機(jī)還可用于牽引錨固端錨頭進(jìn)入鋼箱梁錨箱，此卷揚機(jī)隨鋼梁向前延伸而遷移位置。 上述即為牽引系統(tǒng)卷揚機(jī)的布置，具體安放與操作時應(yīng)注意以下幾點： a．應(yīng)選用與卷揚機(jī)相匹配的鋼絲繩及轉(zhuǎn)向滑輪，這里選用φ19．5鋼絲繩，破斷拉力總和為22.4t；單門轉(zhuǎn)向滑輪最大受力狀況即轉(zhuǎn)向180°。受力為卷揚機(jī)單絲的兩倍，因此，5t卷揚機(jī)應(yīng)配置承受能力為10t的單門轉(zhuǎn)向滑輪。 b．從卷揚機(jī)滾筒引出鋼絲繩經(jīng)過的第一個轉(zhuǎn)向滑輪，其轉(zhuǎn)向點與滾筒軸線的中點的連線應(yīng)垂直干滾筒軸線，該點到滾筒的距離應(yīng)為滾筒長度的10～15倍，鋼絲繩才會在滾筒上自然排絲，若場地有限，距離不夠，則應(yīng)設(shè)專人排絲，嚴(yán)防鋼絲繩跳出滾筒，引發(fā)事故。 c.塔頂定滑輪組的吊點支架，其預(yù)埋件應(yīng)在索塔施工中提前安裝好。 d．每次掛索前都應(yīng)全面檢查卷揚機(jī)制動器、開關(guān)箱、鋼絲繩的磨損狀況，轉(zhuǎn)向裝置是否符合受力要求，確保消除隱患后再開始工作。
（2）斜拉索施工牽引階段施工程序及要點 ①施工程序（如圖5） ②這一階段施工作業(yè)面長、危險性大，要做到安全文明施工，應(yīng)掌握以下施工要點及細(xì)節(jié)： a．各作業(yè)點指揮人員應(yīng)用對講機(jī)及時聯(lián)系、統(tǒng)一步調(diào)、協(xié)調(diào)指揮。卷揚機(jī)應(yīng)選出有經(jīng)驗的工人定崗定人專職操作，遇到緊急情況能及時作出正確的反應(yīng)。另外，電工、機(jī)械修理工，應(yīng)在現(xiàn)場待命，隨叫隨到，及時排除電器及機(jī)械故障。 b．所有起重用鋼絲繩、卸扣、轉(zhuǎn)向輪等均應(yīng)符合起重行業(yè)施工規(guī)范，具有足夠的安全系數(shù)。 c.斜拉索放索架應(yīng)安裝配重，并有制動裝置。張拉端冷鑄錨杯被牽引出索盤后，當(dāng)固定端錨具轉(zhuǎn)至索盤最高點。由于力矩不平衡，索盤會發(fā)生突然加速轉(zhuǎn)動，使得放索速度時快時慢很不安全，也容易損壞斜拉索，因此應(yīng)根據(jù)固定端錨杯重量在其所處直徑的另一端加配相同重量鐵塊以平衡力矩，使得索盤能勻速轉(zhuǎn)動。 d．張拉端錨杯通過前端轉(zhuǎn)向架時，應(yīng)盡量使其從平輥中間位置通過，以不受阻礙的到達(dá)橋面。 e．為保護(hù)斜拉索外包裝，應(yīng)在橋面上斜拉索經(jīng)過的沿途設(shè)置平輥，平輥過索槽凈寬度應(yīng)大于最大直徑的錨杯5～6cm。 f．張拉端被牽引至索塔根部附近處，即開始安裝吊點抱箍及張拉絲桿（如圖5大樣A），準(zhǔn)備向上提升。這個工作很關(guān)鍵，必須認(rèn)真細(xì)致地完成。抱箍應(yīng)有足夠的長度，其夾緊用的螺栓應(yīng)有足夠的強度，擰緊后應(yīng)使抱箍與斜拉索之間（墊有橡膠皮）產(chǎn)生足夠的摩擦力，以防止抱箍受力后滑移。這里，我們使用的抱箍長80cm，兩側(cè)法蘭邊各有8顆M22高強螺栓。 張拉絲桿通過一個內(nèi)外有螺紋的接頭與冷鑄錨杯連接，另一端與牽引鋼絲繩連接（如圖6）。經(jīng)實際使用證明，張拉絲桿螺距不宜太小，在受力計算可通過的前提下，螺距最好在10mm以上，這樣，在斜拉索牽引過程中，螺紋不易碰壞，或發(fā)生局部變形。 g．拉索張拉端被提升至所需高度后，主要由從套筒引出的滑輪組（單門滑輪、2根絲）牽引進(jìn)入，此時塔頂主滑輪組應(yīng)及時調(diào)整錨頭傾角，使張拉絲桿基本沿套筒軸線方向牽引進(jìn)入，絲桿前端超出錨墊板一定高度后，即可用開合螺母臨時錨固，待安裝千斤頂準(zhǔn)備張拉。 h．當(dāng)張拉端被臨時錨固后，即可用卷揚機(jī)組滑輪組，將固定端引入錨箱，此狀況下，所需牽引力較大，例如掛All號索時（索長216．043m、鋼絲重12962．550kg。立面角度為38．1999℃），滑輪組選用兩個6門32T滑輪組，繞12路絲（另一種做法是，在張拉端離套筒距離尚遠(yuǎn)時，先將固定端灌入錨箱，此時牽引力較小，僅用三根絲滑輪組就可，但上端牽引力相應(yīng)增大很多，實踐證明前一種做法更安全可靠）?；喗M仍通過抱箍與斜拉索連接。為防止抱箍滑移，可在抱箍前加一根套筒，將力傳至冷鑄錨杯根部。 i．隨著斜拉索長度的不斷增加，重量增大，立面角度減小，斜拉索兩端的水平分力也越來越大（以J15號索為例，總長264．85m，重15891．000kg，立面角度29．942°，根據(jù)現(xiàn)場油表讀數(shù)計算，當(dāng)固定端已按設(shè)計要求錨固好，張拉端錨杯前端距離錨墊板為9．08m時，鋼絞線所受拉力為20．08T，已超過卷揚機(jī)牽引能力），張拉端僅依靠接長拉桿已不足以減小掛索機(jī)的牽引力，此時需在拉桿前加接鋼絞線束，用快速千斤頂代替卷揚機(jī)實施牽引，如圖7、圖8所示。 用千斤頂通過鋼絞線實施牽引其施工步驟如下： （a）機(jī)具、材料準(zhǔn)備，千斤頂為KS1200型，由兩個穿心式油缸及兩個工具錨組成，額定油壓50～63MPa，排油量2～101／min，相應(yīng)牽引速度為76～383mm／min，牽引過程為無間歇連接作業(yè)。 φ15．24鋼絞線下料長度10～15m，每束六根，其中三根為右捻，三根為左捻，左右對稱排布。 購置與工具錨相匹配的工具夾片，加工鋼絞線與張拉絲桿間的連接頭，鋼絞線與千斤頂之間的連接件。 油泵為 YBZ*1.5／63型電動高壓油泵，額定壓力 63MPa，配套壓力表采用 60MPa油壓表，精度為0．4級。 （b）將鋼絞線束穿入千斤頂，并用工具夾片，限位螺母鎖定，如圖7右半截所示，鋼絞線一端伸出前活塞工具錨30cm即可，后活塞錨環(huán)外另一端，事先做擠壓接頭，并穿好工作錨環(huán)及限位螺母。 （c）將已連成一體的千斤頂與鋼絞線吊入上塔柱內(nèi)，使鋼絞線自由端從相應(yīng)套筒放出套筒外口，并將千斤頂固定于反力架上。 （d）當(dāng)斜拉索張拉端絲桿被提升至適當(dāng)高度時，于空中將鋼絞線與張拉絲桿連接。 （e）固定端進(jìn)入錨箱后，即可開始用千斤頂牽引斜拉索。經(jīng)過幾次實地操作，發(fā)現(xiàn)幾個容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，并研究了解決辦法：①在千斤頂工作的初始幾個行程，鋼絞線束易發(fā)生扭絞現(xiàn)象，原因有兩個，一是斜拉索與鋼絞線在制作完成后均有扭應(yīng)力存在，其中斜拉索的扭轉(zhuǎn)可靠吊點抱箍限制，鋼絞線的扭轉(zhuǎn)可通過對稱排布左、右捻鋼絞線來自行抵消。二是鋼絞線受力不勻造成扭餃，解決的辦法是，盡量使鋼絞線長度一致，并每隔50cm用膠布束緊一處，就能保證每根鋼絞線基本同時受力。②快速頂前活塞回油時，可能出現(xiàn)工具夾片不能自動松開而導(dǎo)致鋼絞線在千斤頂內(nèi)散絲。因此，在張拉開始前，應(yīng)在工具夾片外表涂潤滑油脂，并在千斤頂工作過程中嚴(yán)密注意夾片是否松開，以便及時停機(jī)。③鋼絞線束露于套筒口外的長度宜長不宜短（不少于4～5m），越長，其端部自由度越大，與張拉絲桿在空中（施工人員于空中實施連接）的連接越容易，如圖8。 j．岸側(cè)邊跨合龍后，岸側(cè)斜拉索上橋方案有兩種：①從江側(cè)前端上橋面，平拖至岸側(cè)再向上牽引；②直接從岸側(cè)鋼箱梁路緣外側(cè)上橋面。前一種方案在安徽銅陵大橋及黃山太平湖大橋都使用過，缺點是用時較長，還需多臺卷揚機(jī)接力做橋面牽引。后一種方案首次在南京二橋?qū)嵤┏晒?，只需將原安裝在梁前端的轉(zhuǎn)向架改裝在梁外側(cè)，轉(zhuǎn)向架向外挑出，牽引張拉端通過轉(zhuǎn)向架時先讓其完成豎直面轉(zhuǎn)向，到達(dá)橋面，再使其完成水平轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)而沿平行于橋軸線的路徑向索塔根部牽引，其他環(huán)節(jié)施工過程則與上述內(nèi)容相同，實踐證明此方案較前一種更省時、高效。 3．斜拉索的張拉 南京二橋斜拉索的最小張拉噸位為180t，最大張拉噸位為460t。采取一端張拉，一端錨固的張拉方式，即事先把斜拉索下端冷鑄錨錨固在箱梁上，張拉在索塔內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)施工單位現(xiàn)有設(shè)備，以及最大張拉力不超過千斤頂容許荷載的 95％的施工規(guī)范，張拉千斤頂采用YDC-500型和LS-600型千斤頂，油壓表采用0．4級精度表。在索塔內(nèi)張拉空間足夠的情況下，在張拉絲桿上配有精度為 0.5％的 600t傳感器進(jìn)行檢驗，保證索力準(zhǔn)確。見張拉安裝圖9。
?。?）張拉前的準(zhǔn)備工作 在張拉前千斤頂、油泵、油表都要到有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，并要出具標(biāo)定書。 千斤頂檢驗系數(shù)： K=理論計算張拉力／實際張拉力=（油壓表讀數(shù)*活塞面積）／壓力機(jī)讀數(shù) 千斤頂內(nèi)摩阻： η=1-（實測張拉力/理論張拉力）* 100％＝［1一（壓力機(jī)讀數(shù)）/（油壓表讀數(shù)*活塞面積）］X100％ 如果檢驗系數(shù)K＜1．05或內(nèi)摩阻η＜5％為合格，可以使用。
?。?）張拉 根據(jù)鋼箱梁懸壁端的荷載狀態(tài)，斜拉索正式張拉分兩次。張拉噸位由設(shè)計提供。前后兩次都必須四根同時對稱張拉，以防止索塔承受過大的彎曲應(yīng)力。在張拉設(shè)備安裝好以及鋼箱梁焊接完成后，進(jìn)行第一次張拉。為了減少溫度、日照對張拉和梁體標(biāo)高的影響，斜拉索的第二次張拉定在晚上9：30以后日出之前進(jìn)行。采取分級張拉，以每5t為一級緩慢進(jìn)行，并作好張拉記錄。 張拉端冷鑄錨杯進(jìn)入斜拉索套筒口前，由于斜拉索因自重下垂，必然使張拉絲桿下緣抵在套筒口上，此時須依靠主吊點滑輪組隨時調(diào)整高度。使得拉桿始終處于套筒中心，否則拉桿螺紋將被損壞。 在張拉過程中，要不斷擰緊斜拉索冷鑄錨的錨環(huán)，防止千斤頂回油時，斜拉索產(chǎn)生沖擊，損壞千斤頂和油泵。同時觀察油壓表讀數(shù)以及傳感器讀數(shù)，使兩者基本保持一致，如果兩者相差較大，應(yīng)立即停止張拉并分析原因。
四、斜拉索的臨時減振 在鋼箱梁的懸拼過程中，斜拉索的風(fēng)振非常明顯，直接影響箱梁懸拼時的控制，因此，施工過程中，在斜拉索下端設(shè)置臨時減振裝置。此方法簡單有效，見圖10。
五、總結(jié) 斜拉索是斜拉橋的重要組成部分，是主梁的直接受力結(jié)構(gòu)物，斜拉索的施工質(zhì)量直接影響斜拉橋的質(zhì)量和使用壽命。斜拉索施工技術(shù)性強，風(fēng)險性大，因此，施工人員要求素質(zhì)高，且組織分工細(xì)致，專人專職控制過程中的每個環(huán)節(jié)才能確保施工質(zhì)量和施工安全。
