浅谈悬索结构施工

张镜心

悬索结构是以一系列受拉索作为主要受力构件,并将其按一定规律排列组成各种形式的体系后,悬挂到相应支撑结构上。该结构只受拉不受压,几乎没有抗弯能力。索一般采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束,但也可采用圆钢筋或带状的薄钢板。悬索结构通过索道轴向拉伸来抵抗外荷载作用,可以充分利用钢材的强度。当采用高强材料时,更可以大大减轻结构自重,因而悬索结构可以较经济地跨越很大跨度。钢丝绳在缆索吊机设计中作为主承重索,提供滑车的运行轨道和承担所有荷载,是缆索吊机的主体结构。

1 钢索的锚固及其防护方法

1.1 钢索的锚固

悬索结构的钢索需通过锚具锚固到支撑结构上,设计、制作、选用和使用锚具时,应满足以下几项基本要求:1)安全可靠,即锚具本身具有足够的强度和刚度;2)钢索在锚固时应尽可能地减少滑移量,使其控制在6 mm以下,以减少预应力损失;3)构造简单,便于机械加工制作;4)施工方便,材料节省,价格低廉[3]。不同的锚具需采用不同的张拉千斤顶及液压设备,并有特定的张拉工序和细节要求。现就几种常用的锚具作一些简要介绍。1)螺丝端杆锚具。螺丝端杆锚具即在钢索两端各焊接上一根螺丝端杆,套以螺帽及垫板而形成的一种简单锚具。当钢索采用钢筋时,亦可在钢筋两端直接轧制螺纹,精制螺纹钢筋可直接采用配套的螺帽及垫板。2)镦头锚具。钢丝束镦头锚具是利用钢丝的镦粗头来锚固预应力钢丝的一种支撑式锚具。3)JM系列锚具。JM12型锚具是我国研制的最早用于3根～7根直径为12 mm的冷拉光圆Ⅳ级钢筋或5根～6根直径为12 mm的Ⅰ级钢绞线的夹片式锚具,是一种摩擦型锚具。4)QM(OVM)锚具。QM型锚具可锚固钢绞线或钢丝束,锚具由锚板和夹片组成,分单孔和多孔两类,可根据钢绞线根数选用不同孔数的锚具。为方便施工,制作QM(OVM)锚具时,将承压板与扩大喇叭孔一体化,用铸铁一次铸成,并按照最不利的位置、最低强度等级的混凝土设计螺旋筋,不需另作局部承压验算。5)地锚。当悬索屋盖不设闭合的边缘构件和支撑拱时,必须通过拉索锚固在地基上。根据不同的地基条件和施工条件,可选择下列各种地锚类型:a.重力型地锚;b.板式拉力基础;c.挡土墙式;d.桩式。另外,由于索系的拉力很大,因此对这种地锚的设计要特别注意。

1.2 拉索的防护方法

1)拉索钢套管内部的防护。钢套管内部填充聚氨酯发泡材料进行密封防护处理。发泡材料为特制的聚醚与多次甲基多苯基、多异氰酸酯在钢套管内进行聚合反应后,自我膨胀而形成与钢套管、锚箱内管壁和索体表面结合紧密的聚氨酯泡沫塑料。该泡沫塑料具有质量轻、不吸水、低导热性、隔气性好、韧性较好等特点。钢套管内填充发泡材料以后能有效地防止管内积水,使钢套管内的锚具与雨水、潮气及其他腐蚀介质相隔离,能在较长的时间内防止拉索端部锚具锈蚀。发泡材料易于清理,相对于以前采用的灌注水泥砂浆的方法,更便于拉索的维护和更换。发泡施工采用专用发泡机械,通过空压机提供压缩空气,直接将发泡材料在枪口混合后喷射在拉索套管内。在发泡前,首先要将拉索套管内的脏物及水分清除干净。发泡的配合比要考虑到施工时的温度,确保发泡的质量。

2)梁上钢套管上口处的密封处理。梁上钢套管上口处的密封处理考虑到实用性和美观性的结合,采用订制的不锈钢防雨罩或铸铁将军帽。南京长江第二大桥南汊桥是一座双塔双索面斜拉桥,全桥共有160根拉索。拉索防护工程包括:塔和梁上拉索预埋钢套管内填充发泡材料防护、塔上锚具外露部分安装防护罩、梁上拉索钢套管上口处安装防雨罩和不锈钢拉索防护套管。其防雨罩防水系统见图1。

防雨罩的固定既要考虑能适应拉索振动,又能使防雨罩定位。具体方法是在防雨罩和聚氨酯发泡材料间填充弹性聚氨酯防水密封胶,防雨罩与拉索之间以及防雨罩与不锈钢拉索防护套管之间用柔性的密封圈填塞,并使用高弹性密封胶密封。浇筑型弹性聚氨酯密封胶采用54HD聚氨酯防水密封胶。该材料为双组分,现场按配合比混合搅拌均匀后浇筑,厚度50mm。高弹性密封胶采用Sikaflex单组分聚氨酯密封胶。该材料广泛用于建筑上各种缝的填充,具有优良的抗气候性、抗老化性、不易磨损、高弹性等特性。通过上述处理,在索导管管口处形成一个完整的防水系统,并使防雨与索导管之间形成一种弹性连接,适应拉索的振动。

3)锚具露出锚板部分的防护处理。锚具露出锚板的部分直接暴露在大气中,为防止外露锚具长期受空气中湿气的影响发生锈蚀,影响锚具的使用和将来的索力调整及换索工作,采用的处理方法是:在锚具外露部分的表面涂刷一层锚具专用防护油脂,然后在锚具外加盖不锈钢防护罩。锚具专用防护油脂由矿物油脂及适量的树脂组成,具有对金属无腐蚀、常温下不粘手、80℃下不流淌、低温下不开裂的性能。在锚具表面均匀地涂刷一层专用防护油脂后,锚具表面与大气隔离,达到防护的目的。加盖防护罩起到双重保护的作用,又防止油脂被损坏而导致锚具锈蚀。

2 悬索结构的施工要点

悬索结构的施工与设计联系十分紧密,设计时必须预先考虑施工的步骤,尤其必须预先规定好张拉预应力等施工步骤。

下面就吉林速滑馆悬索钢结构屋盖施工中悬索张拉问题作一简单介绍[6]。1)工程概况:该馆平面投影为长方形,长向188m,跨度方向 91m,柱距17.1m,采用索拱结构,共12榀。每榀之间通过支撑和檩条相连,屋面围护结构为上下两层压型钢板、中间铺保温玻璃棉的现场复合型轻钢屋面。柱子为格构式钢柱,拱梁为H900×400×12×20,拱梁与钢柱之间铰接。钢柱柱顶标高为12.200m,钢柱顶部有一标高为20.8 m的格构式钢桅杆,钢桅杆与钢柱顶部通过铰相连。悬索、背拉索、下拉索通过吊索、桅杆、斜撑杆和水平撑杆与拱梁形成索拱体系。2)索的张拉:张拉顺序采用对称同步协调的原则。单榀钢拱梁两侧的下拉索同时张拉,结构平面从中间跨向两侧顺序对称推进,4套张拉工装同时就位,同时安装千斤顶就位,通过对讲机协调4台千斤顶同时张拉。为了保证水平撑杆水平,张拉时预先让水平撑杆向上转动150mm。拱梁和索安装完毕后,用专用牵引工具头把张拉工装与拉索张拉端可靠连接,在张拉节点处用液压穿心式千斤顶牵引拉索。将拉索牵引安装至设计位置后,安装张拉工装,拧紧工装高强螺栓,固定下拉索。在拉索牵引安装就位、检验各索长无误后,即可进行张拉。张拉工艺采用变形值与千斤顶拉力双控的方法。采用有限元模拟张拉过程,分3级对下拉索进行张拉。用4台YCND50型液压穿心式千斤顶在下拉索张拉节点处同步进行4根下拉索的张拉。用专用牵引工具头与下拉索热铸锚可靠连接,在锚碇锚座处同时用液压穿心式千斤顶牵引拉索,在牵引过程中,可采用滑轮牵引装置调整下拉索的位置,并与锚碇连接,固定拉索。拉索的牵引安装过程中塑料护套若有破损,应用专用设备进行修补。在3次张拉时对每级张拉都应进行张拉力伸长量控制。张拉完毕后,应再次测试拉索的应力值及各钢索内力、控制节点位移,对钢拱梁、桅杆及拉索进行调整。各项指标均满足设计要求后,按照有关规定对锚具进行耐久性保护。

3 结语

悬索结构的施工程序没有统一的规定可循,应针对具体的工程采取相应的施工方法及施工措施。本文主要对钢索的锚固及其防护方法以及该结构施工过程中应注意的问题进行了简单介绍。

[1]王守国.悬索结构在施工中的应用及有限元分析[J].铁道建筑技术,2006(S20):21-23.

[2]兰建雄.拉索锚具防护施工技术及其应用[J].工程建设与管理,2005(5):59-61.

[3]张毅刚,薛素铎,杨庆山,等.大跨空间结构[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4]李国芬,陈 研,朱华平.南京长江第三大桥斜拉索的防腐系统研究[J].南京林业大学学报(自然科学版),2006,30(6):102-104.

[5]朱奕锋,曾 滨,崔 璀,等.吉林速滑馆悬索钢结构屋盖的施工[J].施工技术,2006,35(3):13-15.

[6]马秋野.悬索结构在建筑工程中的应用[J].煤炭技术,2002,21(8):20-22.

[7]宋雪院.广西洛村龙江悬索跨越工程施工技术[J].人民长江,2007,38(3):40-42.