五峰山長江大橋主纜架設控制關鍵技術

闕水杰 楊文爽

中鐵橋隧技術有限公司，南京210031

1 工程概況

五峰山長江大橋是新建連鎮鐵路的過江通道，主橋為地錨式五跨連續鋼桁梁懸索橋，加勁梁跨度布置為（84+84+1 092+84+84）m，主纜跨度為（350+1 092+350）m。主橋通行四線鐵路及八車道高速公路。橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置（單位：m）

加勁梁為板桁結合鋼桁梁，華倫式桁架，2片主桁間距30 m，桁高16 m，節間長度14 m。主梁橫斷面采用帶副桁的直主桁形式。每兩個節間為一個吊裝單元，即每節段主桁的單元長28 m。加勁梁的標準橫斷面見圖2。

圖2 鋼梁橫斷面（單位：m）

中跨主纜跨度為1 092 m，矢跨比為1∕10，采用PPWS（Prefabricated Parallel Wire Strand）法制作和架設，共設2根主纜，橫向中心距43 m。每根主纜由352股索股組成，每股索股由127絲?5.5 mm鍍鋅高強平行鋼絲構成，鋼絲標準強度1 860 MPa。擠圓后直徑為1 300 mm（孔隙率20%）。主纜斷面見圖3。

圖3 主纜橫斷面（單位：mm）

主索鞍及散索鞍均采用鑄焊結合的結構形式，鞍槽用鑄鋼鑄造，其余結構均采用鋼板焊接而成。

2 主纜索股無應力長度確定

2.1 索股彈性模量

主纜作為懸索橋的主要受力構件，由成千上萬根高強度平行鋼絲組成，在工廠制造加工的索股彈性模量與理論值不可能完全相同，而不同的彈性模量對應不同的主纜索股無應力長度。

主纜索股彈性模量為190～210 GPa［1-2］。在索股生產過程中，索廠共制造了6根試驗索股，彈性模量分別為198、195、196、200、198、197 GPa。在保持其他參數不變的情況下，索股彈性模量與無應力長度的關系見圖4。

由圖4可知，彈性模量在一定范圍內變化，索股無應力長度與索股彈性模量近似成線性關系，非線性影響較小。索股彈性模量每增加1 GPa，索股無應力長度增加30 mm。

2.2 鋼絲直徑

鋼絲直徑決定了主纜截面尺寸，索股無應力長度與其凈截面面積有關。實際生產過程中鋼絲直徑存在誤差，需要統計鋼絲直徑，計算鋼絲的平均直徑，作為施工控制的基準參數。

索股鋼絲直徑設計理論值為5.5 mm，實測部分鋼絲直徑最小值和最大值分別為5.46、5.54 mm。在其他條件不變的情況下，只改變索股鋼絲直徑，得到鋼絲直徑與索股無應力長度的關系，見圖5。可知，索股無應力長度與鋼絲直徑近似成線性關系。索股鋼絲直徑每增加0.01 mm，索股無應力長度增加22 mm。

圖5 鋼絲直徑與索股無應力長度的關系

2.3 索股自重

索股無應力長度與索股自重有關。在其他條件都不變的情況下，只改變索股的自重，按基準荷載上下浮動3%計算。索股自重誤差與索股無應力長度的關系見圖6。

圖6 索股自重誤差與索股無應力長度的關系

由圖6可知：索股無應力長度與索股自重近似成線性關系。索股自重對其無應力長度的影響與索股彈性模量的影響規律相反，索股自重每增加1%，其無應力長度減少10 mm。由于索股自重占總結構荷載的比例較小，因此索股自重對其無應力長度影響較小。

2.4 鋼梁重量

五峰山長江大橋為有砟公鐵兩用橋，鋪設道砟時以道砟重量作為控制條件，計算時僅考慮鋼梁重量誤差，以理論統計的重量為基準，按上下浮動3%計算。鋼梁重量誤差與索股無應力長度的關系見圖7。可知，鋼梁重量在一定范圍內變化時，索股無應力長度基本呈線性變化，鋼梁重量與索股無應力長度成反比例，鋼梁重量每增加1%，索股無應力長度減少3.2 cm。

圖7 鋼梁重量誤差與索股無應力長度的關系

2.5 索股長度調節量的確定

主纜索股無應力長度受加工精度、索股彈模、錨固位置、鋼梁重量等因素影響。因此須準確計算主纜索股的無應力長度，并設置合理的長度調節量，確保其調整在控制范圍內［3］。

1）加工精度：成品索股要求測長精度在1∕12 000以上，主纜無應力長度約1 934 m，長度誤差為±16 cm。加工誤差為索股制造時的固定屬性，不能完全消除，因此須考慮此部分誤差影響。

2）索股彈性模量、錨固位置：在計算索股長度時，這兩種參數均可采用實測數據。因此，索股長度調節量可不考慮這兩種參數的影響。

3）鋼梁重量：在鋼梁制造過程會產生重量誤差。按照施工進度，鋼梁實際重量在索股架設前才能確定，因此，計算時須考慮鋼梁重量帶來的誤差修正。按照類似加勁梁結構重量誤差，考慮重量偏差3%，其對索股長度的影響量為±9 cm。

綜上，主纜索股長度調節量為±25 cm，可滿足相關誤差調整要求。

3 主纜索股線形控制

3.1 線形影響參數

索股架設線形影響因素包括溫度［4］和索鞍偏位［5-6］。

3.1.1 溫度

該橋基準溫度為15℃。在其他條件不變的情況下，分析溫度變化對索股線形的影響。中跨和邊跨跨中索股高程與溫度關系見圖8。可知，索股各跨跨中高程均隨溫度的升高而不斷降低，邊跨和中跨跨中溫度影響系數分別為0.027、0.030 m∕℃，二者受溫度影響程度比較接近。

圖8 中跨和邊跨跨中索股高程與溫度的關系

3.1.2 索鞍偏位

在索股架設過程中，主索鞍和散索鞍的位置受溫度、貓道等外界的影響會不斷變化，進而影響索股的約束位置，對跨中高程有直接影響。分析散索鞍和主索鞍分別在高程、里程方向變化1 cm對索股跨中高程的影響，見表1。可知，索鞍對索股線形影響較大。因此在索股線形計算時，必須考慮索鞍的影響，否則架設精度滿足不了基準索股的架設要求。

表1 索鞍偏位對邊、中跨索股跨中高程的影響

3.2 基準索股線形調整

五峰山長江大橋設置1號索股為基準索股［7-8］，選擇在溫度相對穩定、風力不大的夜間調整索股線形。索股調整按先中跨后邊跨再錨跨的順序進行調整。要求索股長度方向的溫差小于等于2℃，斷面方向索股溫差小于等于1℃，風力小于等于12 m∕s時方可進行線形調整。

架索前，根據主纜無應力長度不變的原理在索鞍中心、各跨中點設置標志，作為索股架設的參考位置。索股調整前，對基準索股的兩邊跨及中跨坐標進行觀測，通過實測溫度及塔偏數據修正，計算出索股跨中點的高程調整量，進而得到索長調整量。五峰山長江大橋跨中點高程調整量與索長調整量的關系為：中跨，Δs=Δh∕2.21；邊跨，Δs=Δh∕5.48。其中，Δs為索長調整量；Δh為跨中點高程調整量。

按照監測方案在基準索股調整階段將測點布置于各跨跨中，全橋上下游共計6個測點。在基準索股連續觀測階段，測點布置于邊跨跨中和中跨L∕4、L∕2、3L∕4處（L為跨度），全橋上下游共計10個測點，基準索股線形測點布置見圖9。

圖9 基準索股線形測點布置（單位：m）

將測試值與理論值的誤差取均值后，得到基準索股線形誤差均值，見表2。按照JTG F80∕1—2017《公路工程質量檢驗評定標準》，基準索股線形誤差要求中跨不大于±0.05 46 m，邊跨不大于±0.109 0 m（邊跨為中跨的2倍）。由表2可知，基準索股線形誤差均值滿足規范要求。

表2 基準索股線形誤差均值 m

3.3 相對基準索股

五峰山長江大橋主纜共有352根索股，主纜直徑大，一般索股以1#索股為基準進行線形控制，現場操作難度大，且存在一定誤差。因此，一般索股架設時，選擇56#、182#、287#索股作為相對基準索股（圖10），對索股絕對高程進行復核測量并作為后續一般索股架設的參考標準。

圖10 相對基準索股

第2根相對基準索股（56#）、第3根相對基準索股（182#）、第4根相對基準索股（287#）依次架設完成后，將多組線形測試值與理論值的差值取均值，見表3。

由表3可知，架設至第3根相對基準索股時，中跨上下游索股誤差有所放大。原因是架設第3根相對基準索股時夜間環境溫度在11～15℃，白天日照條件下環境溫度在35℃以上，上下層索股溫差大，且主纜索股數量多，主纜兩側索股下撓，出現明顯側向擠出現象，導致索股發生錯動。夜晚上下層索股溫差消失后，由于索股互相咬合和摩擦，已無法回到原始位置，導致出現一定誤差。此外，由于索股形狀保持器與各列最下層索股連接，兩側索股下撓，引起索股形狀保持器下墜，導致1#索股變位，后續索股架設時上下游誤差放大。

表3 第2根—第4根相對基準索股線形誤差均值 m

根據現場實際情況，在主纜索股架設過程中，安裝索股形狀保持器時與1#索股隔離，確保1#索股能自由活動便于線形觀測，同時應選取日照時間較短一側索股做為相對基準索股，且在架設過程與1#索股同時測試。通過調整后續一般索股的層間距后，第4根相對基準索股的上下游誤差有所減小。

3.4 一般索股架設

一般索股架設是以基準索股為基準，根據索股的相對高程進行調整，可采用相對高程測量尺直接測出被調索股與基準索股的高差［9］。

主纜架設時，中跨跨中索股間距半層高差為31.33 mm，邊跨跨中為34.43 mm，因此索股層間距在相同溫度下設為5 mm。

主纜索股豎向共計22層，索股相對主纜中心最大層數為10.5層。主纜1#、352#索股相對主纜中心拉開距離最大值為105 mm。根據放索公式，邊跨無應力長度最大變化量為15.1 mm，其成橋伸長量為1 300 mm，由此引起的索股力偏差為1.16%；中跨無應力長度最大變化量為47.3 mm，其成橋伸長量為3 600 mm，由此引起的索股力偏差為1.31%。可知，設置索股層間距對內力影響較小。

3.5 散索鞍約束解除

五峰山大橋散索鞍采用擺軸式索鞍，安裝時在其下方設置了支撐架。索股架設期間，隨著索股數量的增加，溫度變化和錨跨張拉誤差會導致散索鞍臨時支撐受力過大，還可能導致主纜索股因克服與鞍槽間的摩擦力而滑移，造成錨跨索力不均勻。因此，在滿足散索鞍自立及后期錨跨索股張拉要求后，應盡早拆除散索鞍臨時支承。

邊跨側主纜每根索股平均索力為365 kN，根據抗滑移驗算公式，計算得到每根索股承受最大不平衡力為20 kN，利用最大不平衡力對散索鞍取矩得到總彎矩。散索鞍質量為232 t，對擺軸軸心產生的彎矩為5 290 kN·m。在索股架設至第10層時，共計架設55根索股，合計產生彎矩5 761 kN·m，已大于散索鞍自重產生的彎矩，表明散索鞍已具備自立能力，可將散索鞍臨時約束解除。

4 錨跨索力控制

成橋階段不具備調索條件，為保證錨跨索股在成橋階段索力分布均勻［10］，在空纜階段對錨跨索力進行調整，并研究索力調整過程的影響因素。

4.1 索力系數標定

一般采用頻譜法進行索力測試，根據索股長度及單位長度質量計算索力系數K。主纜索股在散索鞍處的邊界條件難以精確確定，若按拉索兩嵌固點之間的長度計算則產生的誤差較大。因此，利用千斤頂并采用頻譜法進行測試標定。通過千斤頂油表讀取千斤頂張拉力T，換算得到實際的索力系數K。標定索股見圖11。

圖11 標定索股

五峰山長江大橋一個錨面共標定了122根索股。理論計算索長范圍為索股錨杯約束點到索股豎彎結束點。索力系數計算值與實測值對比見圖12。可知，索力系數計算值與實測值變化趨勢相同，但實測值為計算值的71.9%。因此，采用頻譜法測試索力時，必須利用千斤頂進行標定校核。

圖12 索力系數計算值與實測值對比

4.2 溫度對錨跨索力影響

在索股架設及錨跨索力調整過程中，經歷時間較長，晝夜溫差和季節性溫差會對索力造成影響。前者可通過在溫度恒定的夜間進行索力測試而消除，而后者無法消除，因此須考慮季節性溫差對索力的影響。計算不同季節溫度下索股的索力變化量，見圖13。

圖13 不同季節溫度下索股的索力變化量

由圖13可知：錨跨索力隨溫度升高而減小；溫度對上層索股的影響明顯大于下層索股，非線性較明顯。因此，索股在架設過程中應考慮溫度變化對索力的影響并根據溫度進行調整。

4.3 散索鞍對錨跨索力影響

在索股架設過程中，錨跨索力未張拉至目標值，且存在較大誤差。散索鞍支撐拆除后，散索鞍會出現一定的偏轉，在空纜階段應通過調整錨跨索力將散索鞍調整至目標位置。結合現場誤差，分析散索鞍偏轉角度從0°增加至0.12°（均往邊跨側）時索股的索力變化量，見圖14。

圖14 不同散索鞍偏轉角度下索股的索力變化量

由圖14可知，散索鞍偏轉角度對錨跨索力有顯著影響。隨著散索鞍往邊跨側偏轉，錨跨索力逐漸增加。散索鞍偏轉角度對1#索股基本呈線性影響，而對352#索股非線性影響較明顯。當散索鞍偏轉角度為0.01°時，1#索股索力變化量約為18.8 kN，352#索股索力變化量約為15.2 kN；當偏轉角度增加到0.12°時，1#索股索力變化量基本不變，而352#索股索力變化量增加到20.8 kN。

因此在錨跨索力調整過程中，應考慮架設過程中引起的散索鞍偏轉角度，對索力理論值進行修正，再與實測值對比并調整。在考慮溫度、散索鞍偏轉角度的基礎上，通過對錨跨索力的精確調整，五峰山長江大橋錨跨索力誤差均控制在3%以內。

5 結論

1）根據不同參數對主纜無應力長度的影響，結合實際情況確定了主纜無應力長度調節量為25 cm。

2）對于大直徑主纜，可設置多根相對基準索股，并減小溫度對架設的影響；采取分層定距的方式對一般索股架設線形進行控制；在一般索股架設期間，應根據抗滑移驗算公式計算每根索股承受最大不平衡力，從而確定散索鞍臨時支撐拆除時機。

3）在錨跨索力測試時，利用千斤頂對索力系數進行實際標定，同時考慮溫度、散索鞍偏轉角度對索力的影響。在五峰山長江大橋調索過程中，錨跨索力誤差均在3%以內，控制效果良好。