跨繁忙鐵路轉(zhuǎn)體矮塔斜拉橋拉索施工技術(shù)

鄭伯強

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710024)

1 引言

斜拉橋具有受力合理、設(shè)計構(gòu)思多樣、跨越能力較大等特點，在大跨橋梁中較多采用[1-3]，特別是在跨越既有鐵路線方面。跨既有鐵路斜拉橋多采用轉(zhuǎn)體施工[4-5]，在轉(zhuǎn)體過程中施工的不確定性因素較多，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體空間姿態(tài)[6]和安全控制[7]至關(guān)重要；同時拉索預(yù)應(yīng)力體系復(fù)雜，拉索張拉控制直接影響橋梁內(nèi)力和線形；施工過程需進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，不斷獲取斜拉橋的應(yīng)力變化、索力變化，以及轉(zhuǎn)體時轉(zhuǎn)速變化、塔頂標(biāo)高變化、塔頂偏位變化和風(fēng)速等數(shù)據(jù)[8]，及時對各個施工進(jìn)程進(jìn)行調(diào)整。本文結(jié)合永修萬寶路上跨京九、昌九鐵路矮塔斜拉橋項目，對跨繁忙鐵路轉(zhuǎn)體矮塔斜拉橋拉索施工技術(shù)進(jìn)行了研究，以供類似工程參考。

2 工程概況與拉索施工重難點分析

2.1 工程概況

永修萬寶路上跨京九、昌九鐵路矮塔斜拉橋，與京九鐵路交角約81.7°，與昌九客專交角約84.9°；主橋是雙塔單索面雙排索斜拉橋，跨徑布置為(95＋160＋95)m，寬34.5 m(含4 m索區(qū))；塔高22 m，采用等截面設(shè)計，順橋向?qū)挾?.5 m，橫橋向?qū)挾?.8 m，為實心截面，混凝土材料標(biāo)號為C55。塔上斜拉索采用分絲管錨固結(jié)構(gòu)，塔上豎直方向的索距大約為1 m，主梁上水平方向的索距大約為4 m，全橋共設(shè)計斜拉索44對、共88根。該雙塔單索面轉(zhuǎn)體矮塔斜拉橋如圖1所示。

圖1 雙塔單索面轉(zhuǎn)體矮塔斜拉橋現(xiàn)場

橋梁斜拉索采用單層PE防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索體系，單根鋼絞線直徑15.2 mm，抗拉強度1 860 MPa，彈性模量1.95×105MPa。斜拉索規(guī)格分別為 43-?s15.2、55-?s15.2、61-?s15.2，采用鋼絞線拉索群錨體系。每套斜拉索包含拉索及兩端錨頭、螺母、減震器、抗滑鍵配套系統(tǒng)、保護(hù)罩和防水罩的成套制品，如圖2所示。外層防護(hù)采用雙層雙螺旋線HDPE護(hù)套。斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線在塔上通過集束鋼管貫通(分絲管索鞍)錨固方式。斜拉索及索鞍相關(guān)構(gòu)造要求在工廠制造，以成品形式運抵安裝。

圖2 斜拉索構(gòu)件

2.2 拉索施工重難點分析

(1)安全風(fēng)險高

該轉(zhuǎn)體橋跨越京九、昌九鐵路，平均4 min就有一趟列車通過，拉索安裝吊裝時距離既有線較近，要做好安全防護(hù)，防止拉索滑落掉入營業(yè)線內(nèi)，同時要注意吊裝安全。

(2)分絲管索鞍安裝難度大

因分絲管索鞍每根角度、高程都不相同，施工中一點小小的偏差都會影響斜拉索受力和成橋后的線形，而分絲管索鞍安裝在索塔上定位精度要求高，施工難度大。

(3)預(yù)應(yīng)力體系復(fù)雜，拉索張拉控制難度大

本橋梁體采用三向預(yù)應(yīng)力體系，分多次張拉，預(yù)應(yīng)力張拉控制難度大，現(xiàn)場采用智能張拉設(shè)備，保證張拉值滿足設(shè)計要求。斜拉索張拉采用單根等值張拉法施工。

3 斜拉索施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 臨近既有線斜拉索施工風(fēng)險與控制技術(shù)

3.1.1 斜拉索掛索施工安全風(fēng)險

(1)吊裝斜拉索上橋時，吊車機械可能鄰近鐵路或侵入鐵路線安全紅線內(nèi)，危害行車安全。

(2)斜拉索展開時一端可能會從橋面掉落，觸碰接觸網(wǎng)線或者掉落在鋼軌上危及行車安全。

(3)斜拉索安裝時，利用汽車吊或卷揚機吊裝HDPE保護(hù)管時，可能會發(fā)生物件掉落危害行車安全。

3.1.2 斜拉索施工防護(hù)措施

斜拉索穿索前先安裝斜拉索外護(hù)套管，斜拉索外護(hù)套管采用汽車吊配合卷揚機進(jìn)行吊裝，梁頂面設(shè)置一臺20 t汽車吊，先固定塔端，再固定梁端。為了施工安全，還需采取以下施工方案與安全措施:

(1)梁頂汽車吊布置在遠(yuǎn)離既有線一側(cè)。

(2)斜拉索均設(shè)置在索盤上，索盤從遠(yuǎn)離鐵路線的一側(cè)，通過吊機提至橋面，橋面上設(shè)置運輸小車，及時將索盤運至指定位置。

(3)斜拉索展開時，靠近鐵路線一側(cè)沿鐵路線在橋面上設(shè)置隔離裝置，防止斜拉索在展開過程中超過隔離線。

(4)斜拉索外護(hù)套管吊裝前檢查吊點情況，并設(shè)置安全繩，限制斜拉索保護(hù)管吊裝過程中的活動范圍，防止掉落觸碰營業(yè)線接觸網(wǎng)線或者掉落在軌道內(nèi)。

(5)斜拉索吊裝外護(hù)套管時統(tǒng)一信號指揮，汽車吊與卷揚機同步，待塔端固定后，檢查固定情況，無誤后拆除主吊點及牽引吊點。

(6)掛索前橋面清理到位，無雜物等。

(7)單根穿索完成后及時張拉，保證保護(hù)套管不滑落。

3.2 分絲管索鞍安裝控制技術(shù)

因分絲管索鞍每根角度、高程都不相同，施工中一點小小的偏差都會影響斜拉索受力和成橋后的線形，而分絲管索鞍安裝在索塔中施工難度大，定位精度要求高。施工采用了勁性骨架定位，確保分絲管索鞍的精確安裝。

安裝時應(yīng)首先確定分絲管索鞍錨墊板底面中心與勁性骨架之間的水平接觸點的設(shè)計標(biāo)高。采用懸吊鋼尺找平法，從主梁高程基準(zhǔn)點測量水平接觸點標(biāo)高，將支撐導(dǎo)管的型鋼焊接在索塔勁性骨架相應(yīng)標(biāo)高上；使用全站儀采用兩測回的極坐標(biāo)放樣法，在調(diào)整高度后的型鋼上放樣兩個水平接觸點的設(shè)計平面位置，并放樣導(dǎo)管的設(shè)計坡度，確定導(dǎo)管的空間位置(x、y、z)。用全站儀復(fù)核，驗證導(dǎo)管外頂面的三維設(shè)計坐標(biāo)，確保誤差小于±5 mm，并逐步調(diào)整到位。分絲管索鞍測量定位安裝如圖3。

為保證塔柱斜拉索套筒的安裝精度，采用兩次定位。首先，安裝定位架，臨時定位鋼套筒，然后安裝調(diào)整套筒的微調(diào)裝置，用全站儀通過微調(diào)裝置進(jìn)行調(diào)整，直到鋼套筒上下開口的三維坐標(biāo)滿足要求，進(jìn)行最終鎖定。

3.3 單根掛索

3.3.1 掛索流程

鋼絞線準(zhǔn)備→牽引繩從兩端錨具穿出預(yù)埋管口→前端鋼絞線穿過后端HDPE套管→前端鋼絞線穿過塔端分絲管→前端鋼絞線穿過前端HDPE管→前端鋼絞線與前端穿出的牽引繩連接→前端鋼絞線穿過前端錨具直至滿足工作長度需要→后端鋼絞線與后端牽引繩連接→后端鋼絞線穿過后端錨具直至滿足工作長度需要→重復(fù)以上步驟，直到全部掛索完成。

3.3.2 控制措施

(1)為保證鋼絞線在穿掛過程中外PE層不被損壞，在橋面穿索區(qū)內(nèi)設(shè)置保護(hù)措施，如架設(shè)木板、鋪設(shè)彩條布等，同時要派專人進(jìn)行觀察。

(2)為防止鋼絞線打絞和兩端錨具有錯孔情況，穿索前應(yīng)對每個錨孔進(jìn)行編號，穿索時按從上到下(上排孔到下排孔)的順序進(jìn)行，同時要注意檢查穿索時是否有錯孔和打絞情況發(fā)生。

3.4 單根張拉

單根張拉(見圖4)原理是等值張拉，通過等值張拉實現(xiàn)掛索索力的均勻性控制。

(1)安裝整體反力架，注意反力架頂板孔位要與錨具孔位一致。

(2)傳感器安裝。根據(jù)設(shè)計要求在拉索體系中布置磁通量傳感器對索力進(jìn)行長效監(jiān)測，單根穿索時分別將磁通量傳感器穿入鋼絞線，如圖5所示。

圖5 單根傳感器安裝

(3)安裝單孔工具錨、YDCS160-150千斤頂、工具夾片。在鋼絞線適當(dāng)部位做好測量基點。

(4)張拉。先張拉預(yù)緊不帶抗滑鍵一側(cè)，保證抗滑鍵與分絲管錨墊板緊密接觸再同時張拉、分級加載，至5 MPa開始測量初始伸長值，最后一級張拉力用壓力表控制，敲緊工具夾片，記錄傳感器讀數(shù)。

(5)以后每根鋼絞線在張拉至比前一根的油壓少1 MP時，讀取傳感器的變化值，計算出該根鋼絞線控制力，按計算控制力進(jìn)行張拉。完成張拉后測量最終伸長值。裝工作夾片，卸壓至3 MPa時錨固，并測回縮值。

(6)完成最后一根鋼絞線張拉后，對安裝傳感器的鋼絞線進(jìn)行補拉。

3.5 全橋單根循環(huán)調(diào)索

本橋轉(zhuǎn)體合龍，調(diào)索工作要在二期恒載上完且體系轉(zhuǎn)換完成之后進(jìn)行。采取單根調(diào)索措施，調(diào)索索力根據(jù)索力測試結(jié)果和指令進(jìn)行，調(diào)索工藝與單根張拉相同。為避免抗滑鍵緊貼分絲管錨墊板而造成索力偏差較大，調(diào)索時先張拉帶抗滑鍵的一端。全橋循環(huán)調(diào)索，直至橋梁線形及索力符合設(shè)計要求，如圖6所示。

圖6 單根調(diào)索

3.6 索力監(jiān)測創(chuàng)新與索力控制效果

拉索索力的大小直接決定整個結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，無論在施工階段或是運營階段斜拉索都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。眾多的學(xué)者研究，大多數(shù)的斜拉橋事故都是因為施工階段、成橋階段索力的優(yōu)化單一以及對各階段的索力控制精度不足、誤差較大等方面造成。通過對現(xiàn)場索力監(jiān)測，控制斜拉橋各施工過程中索力大小及其偏差符合要求，確保施工安全。由于主橋為對稱結(jié)構(gòu)，故分析1號塔斜拉索索力誤差情況(主要為兩次張拉調(diào)索后索力的實測值與理論值對比分析)，來檢驗索力控制效果。

3.6.1 現(xiàn)場索力監(jiān)測創(chuàng)新

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確性，現(xiàn)場索力監(jiān)測創(chuàng)新采用錨索計法和頻譜法相結(jié)合的監(jiān)測方法。錨索計法，可以進(jìn)行長期在線索力監(jiān)測，精度高但價格昂貴。因此現(xiàn)場索力測試，在短索S1～S3的S1、中長索S4～S8的S4、長索S9～S11的S9中分別布置一個錨索測力計，定期采集索力數(shù)據(jù)。頻譜法測索力是目前測量斜拉橋索力應(yīng)用最廣泛的一種方法，具有操作簡單、費用低并且設(shè)備輕便，特別適用于索力的復(fù)測，但是忽略垂度和抗彎剛度的影響，用簡單的弦振理論計算索力，會帶來不可接受的誤差。考慮到錨索計法精度更高但設(shè)備有限，后續(xù)還需要多次頻譜法復(fù)測，本文基于錨索計法測得索力值對頻譜法結(jié)果進(jìn)行誤差修正，取多次測試的誤差均值算出修正系數(shù)，最后通過修正后的索力來反映現(xiàn)場實際索力，達(dá)到節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)性好的效果。

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析得知:由于實際拉索垂度和抗彎剛度影響，頻譜法測得索力結(jié)果存在一定誤差，其中短索索力測試結(jié)果誤差較大，中長索其次，長索最小；錨索計法測得的索力值能精確反映實際索力，需用錨索計法測得索力修正頻譜法測得索力值，短索S1～S3、中長索S4～S8以及長索S9～S11修正系數(shù)分別為4%、3%、1%。頻譜法索力修正見表1。

表1 錨索計法修正頻譜法索力

3.6.2 第一次張拉后索力控制效果

(1)第一次張拉后索力誤差分析

在明確合理成橋索力的基礎(chǔ)上(計算的合理成橋索力與設(shè)計圖紙?zhí)峁┑某蓸蛩髁ψ畲笃睿?%)，對成橋模型進(jìn)行倒拆分析，得出索力理論值與第一次張拉后索力修正值對比分析見表2。

表2 斜拉索第一次張拉索力誤差

第一次張拉后索力與其對應(yīng)理論索力進(jìn)行對比，偏差均在5%以內(nèi)，滿足要求。

(2)斜拉索一張后主梁應(yīng)力分析

主梁施工至斜拉索第一次張拉時，此時主梁最大壓應(yīng)力為11.73 MPa＜0.70fck＝22.37 MPa，最大拉應(yīng)力為 0.54 MPa＜1.15ftk＝2.84 MPa，滿足要求。受力情況如圖7所示。

圖7 斜拉索第一次張拉主梁上、下緣應(yīng)力

3.6.3 第二次張拉后索力控制效果

(1)第二次張拉后索力誤差分析

第二次張拉后索力修正值與理論成橋索力進(jìn)行對比(見表3)，偏差均在5%以內(nèi)，滿足要求。

表3 斜拉索二次張拉索力與理論成橋索力誤差分析

(2)斜拉索二張后主梁應(yīng)力分析

受力情況如圖8所示，主梁施工至斜拉索第二次張拉時，此時主梁最大壓應(yīng)力為10.67 MPa＜0.70fck＝22.37 MPa，最大拉應(yīng)力為 0.01 MPa＜1.15ftk＝2.84 MPa，滿足要求。

圖8 斜拉索第二次張拉主梁上、下緣應(yīng)力

4 結(jié)論

采用以上技術(shù)，目前該橋已安全轉(zhuǎn)體合龍，斜拉索已完成張拉，應(yīng)力、線形等符合設(shè)計要求，并得以下結(jié)論:

(1)采用梁頂面汽車吊布置在遠(yuǎn)離既有線一側(cè)等措施，確保了臨近既有線斜拉索施工安全。

(2)分絲管索鞍安裝難度大，采用勁性骨架定位，確保分絲管索鞍的精確安裝。

(3)采用兩次張拉調(diào)索技術(shù)，通過第一次張拉后索力及第二次張拉后索力修正值與其對應(yīng)理論索力的對比分析，偏差均在5%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，斜拉索的受力分布情況較為均勻，受力狀態(tài)合理，確保了橋梁的線形、內(nèi)力達(dá)到設(shè)計要求。

(4)索力監(jiān)測創(chuàng)新采用錨索計法和頻譜法相結(jié)合的監(jiān)測方法，利用錨索計法修正頻譜法索力監(jiān)測誤差，為橋梁運營期索力精確監(jiān)控提供依據(jù)。