鐵路鋼桁斜拉橋掛索施工技術

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

1 工程概況

郁江雙線特大橋為(36+96+228+96+36)m雙塔雙索面鋼桁斜拉橋(總體布置見圖1)，每塔兩側共設8對斜拉索，全橋64根斜拉索，斜拉索采用PES7-283，PES7-301兩種規格。斜拉索鋼絲的抗拉標準強度1670 MPa，最長索約111 m，最短索約34 m，單根索最大重量達10 t，兩端均采用張拉端冷鑄錨具，張拉端設在塔端。

目前，國內外鋼桁斜拉橋主要為公鐵兩用橋，采用鋼桁梁下緣錨固索體，掛索時采用上弦橋面展索，掛索工藝相對簡單，采用軟牽引時，一般利用梁面50 kN放索卷揚機或配合100 kN導鏈共同完成，采用硬牽引時，多采用千斤頂配合張拉桿通過放開錨絲來實現。對于該橋而言，采用鋼桁梁上緣錨固索體，需要對傳統的工藝進行優化，主要是掛索時的下弦橋面展索與上弦梁端安裝轉化、掛索時梁塔先后順序確定以及掛索設備的選擇等。

2 基于ERBST理論的斜拉索掛索牽引方式計算

2.1 計算方法

眾所周知，

斜拉索施工過程牽引力計算與斜拉索掛索采取的方法密切相關，準確的計算是掛索成敗的關鍵因素之一。根據國內外的文獻資料，斜拉橋柔性拉索的狀態方程和力學特征參數的分析和研究成果頗多，研究的基本狀態方程不外乎兩種，一種是拋物線(近似)，另一種是懸鏈線(實際)，在此基礎上狀態方程和力學特征參數的分析和算法有近似計算和精確計算兩種，結合該橋工程實際，采用前者進行分析計算。根據斜拉索不受彎矩的特點和索上任一點拉力為T的特點，可得以下計算公式:

圖1 郁江雙線特大橋總體布置圖（單位：cm）

將斜拉索在自重作用下的線形看作拋物線，則拋物線弧長為:

由幾何關系可知，垂度作用下的長度變化為:

斜拉索彈性伸長由虎克定律可知:

則斜拉索的無應力索長為:

其中，EA為抗拉剛度;T為斜拉索張拉力;θ為斜拉索的水平夾角;q0為斜拉索自重沿索長水平方向上的均勻分布;L為斜拉索兩錨固點之間的直線距離;fm為跨中的垂直變形。

在張拉過程中的伸長量為:

上述計算公式已知牽引力計算伸長量，而牽引力計算采用倒退分析，即已知長度變化，求牽引力。長度變化間的關系為:

其中，L安裝為安裝時控制點之間的直線長度;L精為對應的控制點之間的下料長度;ΔLF為牽引力作用下斜拉索的索長變化;ΔL兩端為安裝時端頭錨具抵消斜拉索長度不足的長度和。

根據上述式(1)～式(7)可得:

采用該算式可計算斜拉索安裝時的牽引力，并根據牽引力的能力確定斜拉索安裝就位的方法(軟牽引和硬牽引)。

2.2 計算結果

計算結果見表1。按控制點距離和下料長度計算牽引力，由表1可知S7/S8，M7/M8牽引力超出卷揚機能力，故需下放塔端錨杯分絲，分別下放0.5 m和1 m，即1號～6號索采用軟牽引，7號～8號索采用硬牽引。

表1 計算基本參數及結果

3 掛索施工技術

3.1 施工工藝及流程

1)短索(1號～6號斜拉索)。固定端梁面滑車組牽引到位，斜拉索裝船運至主塔墩下，利用塔吊將成盤斜拉索吊起，放置在主塔墩下150 kN放索盤上(鐵路面)。利用塔吊完成塔端掛設及橋面脫空展索，張拉端錨杯螺母戴平扣。梁端錨杯使用橋面200 kN牽引滑車組牽引到位(錨杯螺母按設計位置旋入錨杯)。

2)長索(7號～8號斜拉索)。固定端梁面滑車組牽引到位，張拉端硬性牽引。7號～8號斜拉索最大重量10.34 t(含PE護套及錨具重量)，超過塔吊最大吊重(10 t)。采用邊跨側塔吊將成盤斜拉索吊起，放置在邊跨側150 kN放索盤上(鐵路面)。利用50 kN卷揚機將150 kN放索盤牽引至塔下掛設位置，利用塔吊完成塔端掛設及橋面脫空展索。通過6500 kN張拉桿后接2000 kN張拉桿的方法將張拉端錨杯下放一定距離，減小梁端牽引力。梁端錨杯使用橋面200 kN牽引滑車組牽引到位(錨杯螺母按設計位置旋入錨杯)。塔端硬性牽引至錨杯螺母戴平扣，塔端張拉到設計位置。

3.2 設備配置

1)塔頂。塔頂進人洞口布置一臺50 kN卷揚機，用于塔內張拉機具垂直變位。2)塔內。塔內平臺主要采用普通鋼管腳手架通長架設，對應兩個進人洞設置垂直爬梯，每一段垂直爬梯高度在7 m設置休息平臺，垂直爬梯左右錯開布置。在1，3，5，7號斜拉索齒塊處各設一個操作平臺，作為張拉設備承載平臺。單塔張拉設備含4臺6500 kN千斤頂、4臺10 L電動油泵、4臺6500 kN張拉撐腳、4根6500 kN張拉桿、2根2000 kN張拉桿(7號～8號索塔端硬性牽引)及配套螺母等配件。張拉撐腳、連接套、拉桿螺母安全系數不小于2.0，使用前在廠家做靜載試驗。拉桿、螺母、連接套具均采用40Cr鋼制造。3)梁面。單塔布置150 kN放索盤1臺(鐵路面)、單軸小車4臺、50 kN卷揚機5臺(其中4臺放于梁面放索及牽引，1臺放置在鐵路面牽引150 kN放索盤)。4臺50 kN卷揚機分別固定在跨中上、下游側橋面上，與梁端200 kN滑輪組組成200 kN卷揚機牽引系統。考慮到主梁的結構形式，在上弦面順橋向設置兩條2.5 m寬的展索通道。

3.3 掛索工藝

3.3.1 施工準備

1)成品索的檢驗。斜拉索出廠前按設計要求，對斜拉索有關性能進行檢驗。成品拉索檢驗超張拉取1.2倍～1.4倍設計索力;冷鑄錨在工廠內必須逐個試拉，冷鑄錨板內縮值不宜大于5 mm。2)索導管的處理。斜拉索錨杯外徑與索導管的內徑相差很小，掛索時極易產生位置偏差，從而造成錨杯外絲扣和斜拉索PE保護套的損傷，因此斜拉索掛設前應對塔、梁端的索導管進行全面的檢查，對索導管內的焊渣、毛刺等進行打平磨光。3)安裝設備檢查。測量塔柱錨槽尺寸，檢查塔柱內腳手架、斜拉索放索滑道和塔頂起吊支架設施，檢查卷揚機制動器、開關箱、鋼絲繩的磨損狀況，轉向裝置是否符合受力要求。

3.3.2 斜拉索上橋

1)1號～6號斜拉索上橋。斜拉索船運至主塔墩處，利用塔吊將成盤斜拉索吊起放置在主塔下150 kN放索盤上。成盤斜拉索起吊時設3個吊點，采用專用吊裝帶以避免損壞PE護套和碰損錨杯螺紋。2)7號、8號斜拉索上橋。7號、8號斜拉索最大重量10.34 t(含PE護套及錨具重量)，超過塔吊最大吊重(10 t)。成盤斜拉索通過汽車運至邊跨281號墩、286號墩，通過50 t塔吊將成盤斜拉索吊裝上橋，放置在邊跨側150 kN放索盤上(鐵路面)。鐵路面50 kN卷揚機將150 kN放索盤牽引至塔下掛設位置。

3.3.3 塔端掛設

塔端掛設前在橋路面進行短距離展索，將斜拉索展開10 m左右長度。塔頂50 kN卷揚機的鋼絲繩穿過塔內轉向滑車和錨杯螺母，然后從索導管穿出，放到梁面并與錨杯牽引板相連。在距錨杯6 m～9 m處的索體上利用100 kN專用軟質吊裝帶設置吊點。在起吊時，啟動塔頂50 kN卷揚機，塔吊與塔頂50 kN卷揚機相互配合將斜拉索張拉端錨杯牽引至塔端索導管，并牽引出塔端錨墊板約20 cm，此時將錨杯螺母旋入錨杯至平扣。在斜拉索進索導管處墊膠皮以防磨損PE套，同時利用塔外活動吊籃撤除索體吊點。塔內開始安裝張拉機具，7號、8號斜拉索張拉機具安裝完畢后，在6500 kN張拉桿后端安裝2000 kN張拉桿，將塔端錨杯分絲板下放一定距離，減小梁端牽引力。

3.3.4 橋面展索

在塔端掛設完畢后，150 kN放索盤上還存有部分拉索，在放索盤上散開的索體上用100 kN軟質吊裝帶設置單吊點，塔吊提起索體，直至固定端錨杯脫離放索盤1 m左右，停止提升。上弦面50 kN卷揚機上鋼絲繩與錨杯連接，在展索通道梁端對應位置設轉向滑車，塔吊繼續起吊，直到梁端錨杯高于鋼梁上桁面1 m～2 m。50 kN卷揚機啟動，50 kN卷揚機收繩的同時，塔吊同步放下索體，直到摘除吊點，固定端錨杯在梁端臨時固定，橋面展索完畢。在塔吊放下索體的過程中，索體與梁面之間間隔4 m～5 m設置一單軸小車，固定端錨杯下設置錨杯小車，以防索體護套與錨杯絲扣受損。

3.3.5 梁端安裝

在距梁端固定端錨杯6 m處索體上安裝200 kN專用哈弗夾，用200 kN軟質吊裝帶設置牽引點，與梁面200 kN牽引系統相連。啟動梁面牽引系統，在錨杯牽引到距梁面索導管口2 m～4 m時，在索體上安裝50 kN軟質吊裝帶，利用橋面門架提升索體，使錨杯從導向托架上順利通過。在錨杯下端口剛好位于梁面索導管下端口時，提升索體來逐步提高錨杯的傾角，使其與索導管傾角軸線相同。當錨杯全部進入索導管時，在索導管下端口上鋪設橡膠皮，嚴防后期索體與索導管下端口直接接觸造成損傷。當錨杯外露出梁下錨墊板5 cm～10 cm時，停止牽引，在梁下將錨固螺母旋入錨杯3絲扣～4絲扣，以保證后期牽引安全，按上述方法循環進行，同時不斷旋緊錨固螺母，直至錨杯牽引到位。

3.3.6 塔端硬性牽引(7號～8號斜拉索)

單根斜拉索梁面牽引結束后，即進行小噸位塔端硬性牽引，因張拉千斤頂油缸行程為200 mm，需往復張拉多次方可將錨杯拉出塔端錨墊板。當6500 kN張拉桿伸出千斤頂后端15 cm～20 cm時，鎖緊6500 kN張拉桿副螺母，拆除2000 kN張拉桿，在千斤頂后端將6500 kN張拉桿錨固螺母鎖緊，繼續反復張拉，當錨杯外露出錨墊板7 cm～10 cm時，停止張拉，在塔內將錨杯錨固螺母旋入錨杯3絲扣～4絲扣，繼續張拉，當錨杯錨固螺母旋入錨杯一半絲扣時回油，當錨杯錨固螺母在錨杯上戴平時塔端硬性牽引結束。

4 結語

1)針對鋼桁梁斜拉索下緣錨固的特點，采用橋面展索和脫空展索相結合的展索工藝，與鋼桁梁上弦展索工藝相比，操作簡單。2)基于ERBST理論的簡化計算，分別針對短索和長索采用軟、硬牽引相結合的技術進行掛設，并巧妙利用塔吊、卷揚機和人工配合進行塔端斜拉索吊喂，使掛索更有效率，確保了掛索質量。3)斜拉索橋面展索與梁端安裝采用橋面門架與橋面牽引相結合的方法，確保了斜拉索不受損傷和梁端斜拉索的安裝質量。

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