长江大桥超长大直径斜拉索塔端牵引施工技术[全面]

1、上海长江大 桥超长大 直径斜拉索塔端牵引施工技术钟永新 马勇中交二航局四公司摘 要 本文以上海长江大 桥斜拉索施工为背景,着重介绍超长、大 直径斜拉索塔端牵引、张拉施工技术,以及斜拉索施工过程中的 防扭转措施.关键字 斜拉索 塔端牵引 防扭转1、概述上海长江大 桥主桥为混凝土塔柱钢箱梁双索面五跨连续斜拉桥,其跨径布置为92258730258921430米.主桥索塔上布置空间双索面扇形斜拉索,每个索面23对(全桥另有4对0号索)低松驰平行钢丝斜拉索,全桥共192根.斜拉索为7米米低松弛高强钢丝,抗拉强度 为1670米pa,斜拉索外热挤双层聚乙烯(PE)护套,内层为黑色PE护套,两端装配冷铸锚.其

2、中17号23号索为长索,型号在PES7-337PES7-409之间,长度 在294.896米382.173米之间,重量在35.8t56.2t之间.长索型号、规格统计见下表1.表1 上海长江大 桥长索规格统计表编号拉索型号单根拉索长度 (米)单根拉索重量(t)编号拉索型号单根索长度 (米)单根拉索重量(t)B177-337299.56336.368Z177-337294.89635.818B18314.05438.077Z18309.32837.520B197-349328.61641.163Z197-349323.86140.583B20343.21642.943Z20338.39342.35

3、5B217-379357.88148.995Z217-379353.01248.345B227-409368.23254.220Z227-409367.72854.148B23378.52855.698Z23382.40856.2552、长索施工难点根据施工经验,斜拉索采用塔端牵引、张拉施工工艺,可为施工节省大 量人力、设备和材料.目前在国内外大 跨度 斜拉桥中,长索因牵引力大 ,一般采用梁端牵引、张拉施工工艺,如中国苏通大 桥、日本多多罗大 桥.按照原有的 技术水平,本桥若采用塔端牵引、张拉施工工艺需要解决以下几个方面难题：本桥长索梁端锚杯锚固在理论位置时,塔端锚杯牵引至锚箱并将锚杯螺母全部

4、锚上丝牙时,塔端所需要的 最小 牵引力在331t597t之间,因此施工时需要解决斜拉索大 吨位牵引力的 难题.因塔内空间较小 ,选用常用设备不能满足塔内施工空间要求,需要开发新的 设备、机具.大 直径斜拉索在牵引、张拉施工过程中容易发生扭转,因此在施工设备配置以及操作工艺上必须考虑到斜拉索扭转问题.3、长索塔端牵引牵引力分析长索牵引力统计以边跨B17-B23索为例,详情见下表2.由表中数据可知：索梁端锚杯锚固在理论位置后,塔端锚杯牵引至锚箱锚垫板并锚上一个螺母高度 的 丝牙后,此时牵引力在410t597t之间.若斜拉索采用钢绞线牵引,单根钢绞线平均受力按照15.6t计算(0.6倍破断拉力),则

5、最多需要39根钢绞线,目前国内类似桥梁从可施工性角度 考虑,软牵引钢绞线孔数一般最大 做到25孔(锚具钢绞线孔分布直径210米米).直接采用钢绞线牵引,不但需将穿心千斤顶孔径制作到300以上,而且施工操作难度 大 ,存在较大 施工风险.若采用软硬结合牵引方式,当塔端锚杯离锚垫板上口距离为60厘米时,使钢绞线受力转化为张拉杆受力,则钢绞线牵引吨位在134t242t之间,最多只需要16根钢绞线,可以满足塔内正常操作要求.表2 主桥边跨斜拉索牵引力统计表编号型号塔端锚杯离锚垫板上口距离L时钢绞线受力(t)二张索力(t)成桥索力(t)距离0.6米时戴上锚环时B23PES7-409242573666.2

6、758B22PES7-409256597654.6748B21PES7-379243580625.4690B20PES7-349200512614.7625B19PES7-349176482608.6613B18PES7-337153442597.3582B17PES7-337134410579.85764、长索施工关键技术解决思路采用软硬结合牵引方式进行斜拉索塔端牵引、张拉施工,解决斜拉索塔端大 吨位牵引力问题.采用行星千斤顶作为软牵引千斤顶,以降低斜拉索软牵引过程中设备使用空间,同时行星千斤顶可以加大 软牵引力,减小 硬牵引长度 ,从而减小 索硬牵引过程以及张拉过程中塔内施工空间,达到塔内

7、正常施工目的 .通过对张拉千斤顶设置防扭转设施,防止斜拉索在牵引过程中发生扭转.5、长索塔端牵引施工工艺5.1长索软硬结合牵引结构设置长索软硬结合牵引方式见下图1,图中采用张拉杆将索悬链加长,减小 软牵引钢绞线受力.张拉杆长度 满足塔端张拉时张拉设备正常使用要求.千斤顶内反力架顶升板 图1 软硬结合牵引示意图 图2 行星千斤顶图片5.2长索软牵引设备软牵引设备采用行星千斤顶,由4个150t千斤顶、内反力架、顶升板三者构成的 结合体,见上图2.行星千斤顶设计行程为40厘米,设计锚具钢绞线孔数在39孔以内.4个150t千斤顶采用一台流量为65升/秒的 油泵车通过分油器供油(普通油泵车6倍的 流量)

8、,钢绞线牵引过程中一个操作循环时间为90120秒钟.行星千斤顶将反力架与千斤顶溶为一体,反力架不占用塔内空间,另外行星千斤顶吨位大 、行程长、速度 快,具有其它类型千斤顶不具备的 特点. 5.3长索软牵引配置及施工斜拉索软牵设施配置见右图3.图中斜拉索锚杯与张拉杆之间通过拉杆变径套连接,钢绞线与张拉杆之间通过钢绞线连接套连接,通过钢绞线与张拉杆来接长斜拉索长度 ,以减小 斜拉索悬挂时产生的 张拉力.钢绞线牵引设备为行星千斤顶,此千斤顶内置撑脚,作为工具锚反力架,方形撑脚作为行星千斤顶与千斤顶内撑脚的 反力架,工具锚通过工具锚定位板与行星千斤顶内撑脚连接,通过调整工具锚定位板尺寸,实现工具锚型号

9、变换,钢绞线与锚具之间通过夹片锁定.图3 斜拉索软牵引设施配置图当斜拉索塔端锚杯在桥面上时,连接好张拉杆以及钢绞线,并安装好工具锚,同时安装好塔内方形撑脚、行星千斤顶以及内撑脚.用塔顶起重设备空中起吊斜拉索,将钢绞线以及工具锚穿越索套管、方形撑脚、行星千斤顶内撑脚,通过工具锚定位板将工具锚锚固在行星千斤顶内撑脚上.然后进入斜拉索梁端牵引、锚固施工.斜拉索梁端锚杯锚固好后,安装行星千斤顶顶面处工具锚,用行星千斤顶往复牵引钢绞线,将张拉杆螺母牵引出锚箱垫板,最后用合页式垫板将张拉杆螺母锚固在锚箱垫板上. 图4 斜拉索硬牵引设施配置图 图5 斜拉索张拉设施配置图5.4长索硬引配置及施工斜拉索硬牵引施

10、配置见上图4.用钢绞线将斜拉索张拉杆牵引出锚箱垫板后,用螺母垫板将拉杆螺母锚固在锚箱垫板上,螺母垫板成圆环型,分成两半.斜拉索软牵引完后,拆除行星千斤顶以及钢绞线等设施,安装撑脚和普通穿心千斤顶,将锚杯螺母预先放入撑脚内,用拉杆将硬牵引加长.用普通穿心千斤顶牵引斜拉索,当斜拉索锚杯牵引出锚箱垫板后,取出螺母垫板,下放锚杯螺母并旋上丝牙,完成硬牵引施工.5.5长索张拉施工斜拉索精确张拉必须保证四根斜拉索同步牵引,以确保索力精度 ,因此斜拉索精确张拉阶段需要考虑四根索同步牵引时的 塔内空间,此时需要将所有设备占用的 空间降至最低高度 ,斜拉确张拉设施配置见上图5.斜拉索硬牵引完后,拆除方形撑脚与接

11、长拉杆,安装张拉设备,根据监控指令将索力张拉至指定吨位.5.6斜拉索防扭转施工因斜拉索内部的 钢丝存在大 约3的 扭转角,致使斜拉索在张拉时会产生反向扭转力,该扭转力达到一定程度 后势必在张拉端释放出来,此力将带动张拉千斤顶的 顶升装置一起旋转,损坏千斤顶,同时也极易发生安全事故.因此必须对设备进行改进,避免此类现象发生.5.6.1斜拉索扭转力计算以上海长江大 桥最大 型号索为例(PES7409),计算出每层钢丝数量、理论角度 、每层钢丝理论受力、每层钢丝绕转半径,扭矩,计算数据见下表3.扭转力大 小 与索型号以及索张拉力有关,索型号大 ,钢丝层数多,扭转力大 ,索张拉吨位大 扭转力大 .表3

12、 PES-409索在扭转力计算数据表索体钢丝分层每层钢丝数量每层钢丝理论旋扭角度 每层钢丝理论最大 受力(kN)每层钢丝绕转半径(米)每层钢丝产生的 最大 扭矩(kN米)110.00022.300.000260.250133.90.070.0043120.500267.90.140.0334180.751401.80.210.1115241.001535.70.280.2626301.251669.60.350.5127361.501803.60.420.8858421.251937.50.491.4049482.0011071.40.562.09610542.2511205.30.632.9

13、8411602.5011339.30.74.09212662.7501473.20.775.44613123.000267.90.841.178合计409/9129.3/19.0075.6.2斜拉索扭转防治措施斜拉索加扭或者退扭对施工及结构危害较大 .规格较大 的 斜拉索若无防扭装置,一旦退扭,退扭圈数多,索长度 以及钢丝应力变化较大 ,破坏性大 .因此索在生产以及施工过程中需采取相应的 防治措施.承压板斜拉索包装时,尽可能采用较大 索盘卷装斜拉索,减少索绕盘产生的 加扭应力.斜拉索在桥面展索、空中挂索阶段,尽量将索绕盘时产生的 加扭力释放.斜拉索牵引阶段,采用软硬结合牵引方式,尽量减少钢绞线

14、受力,防止索反扭时导致钢绞线扭转.斜拉索硬牵引与张拉阶段限制索扭转.斜拉索扭转时会带动张拉杆以及张拉杆螺母同时转动,千斤顶油缸与拉杆螺母之间的 摩擦力太小 ,不能克服较大 扭转力,需采用防扭转装置,见右图6.图6中通过张拉杆螺母与承压板之间的 摩擦力克服索扭转,承压板将扭转力传递给千斤顶. 图6 斜拉索防扭转装置7、结束语长索塔端软硬结合牵引施工技术成功地应用于上海长江大 桥主桥斜拉索张拉施工中,在整个施工过程中工艺运作良好,有效地避免了 斜拉索发生扭转.采用行星千斤顶作为软牵引设备具有软牵引力大 、牵引速度 快以及占用空间小 的 优点.因行星千斤顶牵引施工速度 快,可根据需要加长钢绞线长度 ,使斜拉索梁端牵引力变小 ,减小 了 索梁端施工工作量以及施工风险.同时因软牵引力大 ,可以减小 硬牵引长度 ,实现了 塔内小 空间下硬牵引施工.首次采用“合页式垫板”来对硬牵引张拉杆螺母进行锚固,与传统的 双层撑脚相比,