三塔悬索桥上部结构施工及其技术创新

陈 策,唐 轲

(1.河海大学土木与交通学院,南京 210098;2.江苏省长江公路大桥建设指挥部,江苏泰州 225321)

三塔悬索桥上部结构施工及其技术创新

陈 策1,2,唐 轲2

(1.河海大学土木与交通学院,南京 210098;2.江苏省长江公路大桥建设指挥部,江苏泰州 225321)

泰州大桥为世界首座千米级的三塔两跨悬索桥,与两塔悬索桥相比,其上部结构施工中存在着众多技术难题,论述三塔悬索桥上部结构施工的关键工序及专用的紧缆机、缠丝机、跨缆吊机,重点介绍上部结构施工中的猫道安装、主缆线形控制、钢箱梁吊装顺序确定及合龙段施工等,并阐述了上部结构施工中的专利、标准及多项创新技术,为今后的多塔连跨结构的上部结构施工提供借鉴。

三塔悬索桥;上部结构施工;猫道安装;主缆架设;钢箱梁吊装;技术创新

1 概述

泰州大桥北接泰州市,南联镇江市和常州市,主桥为三塔两跨悬索桥,跨径布置为(390+1 080+1 080+ 390)m。与传统两塔悬索桥相比,三塔悬索桥上部结构施工中的技术难点主要有4点[1,7]:一是猫道跨越塔顶的预留预埋受到钢塔构造的制约;二是主缆架设过程中需3次跨越塔顶,索股更容易产生断带、鼓丝、扭转和呼啦圈等,对牵引设备和放索系统提出了更高的要求;三是中塔受温度、风荷载及不平衡荷载影响,主缆线形控制难度很大;四是钢箱梁吊装面临着全新的技术问题,三塔悬索桥必须对称中塔吊装,合龙段施工、中塔无索区梁段吊装的安装控制等难度较大。

2 施工方案

2.1 施工流程

泰州大桥上部结构施工流程如下。

(1)安装索鞍。边塔主索鞍通过塔顶门架悬臂起吊系统在主跨侧起吊。为减轻吊装、运输重量,鞍体分为两半,吊至塔顶后用高强螺栓拼接。中主鞍采用铸焊结合型外壳,鞍座不设预偏量,不需设滑动副,鞍体分为两半制造,吊至塔顶后用高强螺栓拼接。散索鞍通过锚碇门架在支墩后用单台250 kN卷扬机吊装。

(2)安装猫道系统。用轻质高强度纤维绳在水面牵引先导索过江,两主跨先后进行,另一跨航道可正常通行。承重索采用托架法架设,不影响通航。以中塔为界,南北上下游共4套独立单线往复牵引系统,4个工作面同时架设猫道承重索。

(3)安装主缆。采用门架拽拉式双线往复牵引系统从北岸向南岸进行牵引,用相对基准索法进行索股调整。应用被动放索装置、防扭转鱼雷夹、拽拉器、安全握索器、入锚牵引器等多项专利技术保证长距离索股架设质量。

(4)紧缆。按先主跨后边跨顺序紧缆,主跨从跨中向塔方向进行,边跨从锚碇向塔方向进行。

(5)安装索夹。采用跨缆吊机从低往高安装索夹,施工中分3次补足索夹紧固螺栓轴力。

(6)安装吊索。在索夹位置垂直起吊吊索。

(7)安装钢箱梁。采用全液压跨缆吊机小节段吊装方案,全桥共136个吊装梁段,安装顺序是从两主跨跨中对称向索塔方向进行,索塔附近各设1个合龙段,按先中塔后边塔的顺序合龙。边塔浅滩区和中塔区部分梁段,采用支架和荡移方式安装。

(8)主缆缠丝防护。主缆按照自上而下缠丝,先从塔顶往锚碇处进行边跨缠丝,上下游同时进行。边跨缠丝完成后,进行主跨缠丝,上下游同时进行。缠丝完成后进行涂装防护。

2.2 主要施工设备

2.2.1 ZJ620型紧缆机

中交二公局研制了智能化控制主缆紧缆机(图1),能适用700～1 000mm的主缆直径,紧固能力为6× 2 000 kN,由紧固装置、移动装置、液压系统等组成,采用模块化设计和制造,单件质量轻,便于制造、运输与拼装,紧缆机在紧缆施工前、后的安装与拆卸均可由塔吊和缆索吊来完成,液压管路布设在箱形机体外壁,便于维修和液压管路的拆除,改进的紧固蹄在紧缆时更有利于主缆成形以及保护主缆表面钢丝,液压系统采用二级变量超高压泵站,可自动调节高、低压泵工作压力,加大了千斤顶顶伸速度调节范围,可实现消除压力冲击,平稳换向。智能化控制系统可直观显示缆径、空隙率等数据。

图1 紧缆机

2.2.2 缠丝机

中交二公局研制了CSJ950型主缆缠丝机(图2),在润扬大桥和舟山西堠门大桥已成功应用。该缠丝机适用于缠绕圆形钢丝和“S”形钢丝,具有可上坡或下坡以及连续缠丝作业功能。缠丝机最大张力为3 kN,最大倾角为30°,缠丝速度为11.25～225.6 mm/min,适用缆径为700～950mm。

2.2.3 跨缆吊机

跨缆吊机(图3)提升能力3 700 kN,提升速度36m/h,由主横梁、主缆行走模块、提升索股千斤顶、液压驱动卷扬机、钢箱梁吊具、中央控制系统、动力模块、吊机移动索股千斤顶等部分组成。中央自动控制系统可控制整个设备吊装、行走等全部作业;采用模块化设计使得吊机仅需更换少量的部件就可以适应不同跨径、不同缆径悬索桥钢箱梁的吊装工作。该吊机在塔顶和跨中均可以进行安装和拆卸,有利于缩短施工工期,减小施工干扰。

图2 缠丝机

图3 跨缆吊机

3 三塔悬索桥上部结构施工关键技术

3.1 猫道施工

三塔悬索桥猫道有“4跨连续”、“2跨连续”、“4跨分离”3种构造形式,通过对3种形式猫道线形、猫道承重索张力、塔顶水平力差的计算分析以及与塔顶连接的构造处理等的综合比较,选择不设抗风缆4跨连续构造[8]。其优点如下:(1)中塔塔壁上不设猫道锚固构造,可保护中塔;(2)不产生不平衡力,施工中可以将猫道对永久结构的附加影响控制到最小程度,降低调索难度及提高安装精度;(3)猫道在端部区更接近平行于主缆,竖向距离较为均匀,方便作业; (4)不设抗风缆,对航道影响最小。猫道主跨设置横向通道7道,间距135m,边跨设置横向通道2道,间距约130m,猫道主要由承重索、扶手索、面层、塔顶转索鞍及变位系统、横向通道、制振结构、锚固体系等组成。猫道施工主要包括牵引系统施工、承重索施工、面层系统施工等。

为提高猫道承重索架设速度,猫道承重索在中塔变位架处分为2段,以中塔为界,南北猫道承重索由2套(上下游共4套)独立单线往复牵引系统架设。牵引系统布置见图4。2段猫道承重索,在南北锚碇前面牵引,前锚头经边塔导向轮至中塔连接,后锚头通过锚碇门架上的卷扬机滑车组牵引反拉至锚固处锚固,形成4跨连续的猫道承重索。

主跨猫道承重索采用空中托架法间接架设。托架间距100m,猫道承重索边塔自重提供反张力,可使架设时托架间猫道承重索的最大垂度维持在最小通航净空以上,不影响通航。承重索架设完成并精确调整垂度后,安装中塔变位梁及边塔变位下拉系统。猫道面层和猫道横向通道采用下滑铺设法,主、边跨同时对称铺设。之后安装猫道制振系统及门架拽拉式牵引系统。

3.2 主缆架设

主缆采用预制平行钢丝索股,每根主缆由169根索股组成,每股由91根φ5.2mm镀锌高强钢丝组成,单根索股无应力长约3 100m,重约475 kN。架设顺序按索股编号从1号～169号依次进行。索股架设主要包括索股牵引、横移、整形、入鞍、入锚等工序。

索股前端锚头与拽拉器连接,启动卷扬机牵引索股,2台卷扬机同速收、放,这种被动放索机构,可以保持索股放索与牵引速度一致,使索股始终保持一定的反拉力,避免索盘转动惯性引起“呼啦圈”以及散丝。每隔一定距离安装一个鱼雷夹具,牵引过程中索股前锚头、每个鱼雷夹具安排工人跟踪监控,及时纠正索股扭转、弯曲及松散变形等问题。索股后锚头从索盘上放出后,用塔吊提起放至锚跨。在索股中点标记与中塔主索鞍中点标记基本重合时,停止索股牵引,索股整形、入鞍,完成后将索股锚头与对应的锚固系统进行临时锚固。上、下游索股对称同步架设,架设时观测塔身扭转和位移。索股牵引施工流程见图4。

图4 索股牵引流程

入鞍前将索股断面整形为矩形断面,主、散索鞍处索股全部整形完毕后,将索股置入相应鞍槽内。为防止上层索股挤压下层索股,入鞍时适当抬高索股垂度,主跨跨中预抬高300～400 mm,边跨跨中预抬高100～200mm。索股入鞍后,用锚室内的卷扬机反拉索股锚头,将索股两端锚头与对应的锚固系统通过拉杆临时锚固。垂度调整顺序是先主跨后边跨,调整分为基准索股垂度调整和一般索股垂度调整。基准索股垂度调整方法是绝对高程法,一般索股垂度调整方法是相对基准索股进行垂度调整。索股垂度调整好后,采用千斤顶调整松紧拉杆螺母使锚跨索股张力达到设计要求。

3.3 钢箱梁安装

钢箱梁除跨中2对吊索对应梁段(梁段长32 m)整体作为1个吊装梁段外,其余采用小节段吊装方案,每个制造梁段为1个吊装节段,全桥共134个吊装节段,标准吊装节段长16m。钢箱梁安装的总体吊装顺序是从南北两主跨跨中33、34号吊索梁段开始,同时向索塔方向分4个工作面对称进行吊装施工,在中塔两侧和边塔附近各设1个合龙段,全桥共设4个合龙段。合龙段选择在靠近索塔位置且满足从运梁船上垂直起吊安装的3号、62号吊索对应梁段。合龙段采用预偏合龙方案安装,先安装中塔附近合龙段,后安装边塔附近合龙段。

全桥钢箱梁总体安装流程见图5所示。

4 技术创新

4.1 专利

泰州大桥上部结构施工中已获得3项专利,简介如下。

图5 钢箱梁总体安装流程

发明专利《一种悬索桥主缆的防腐处理方法》[9]:在主缆护套层的排气管上设置1排气阀,使进气部与排气部之间的空气压力可调;主缆与保护套间隙内的空气压力大于缆索外的空气压力。干燥空气由送气部送至主缆内钢丝的间隙,然后由排气部排出,使主缆内部形成干燥环境,防止钢丝腐蚀。在主缆潮湿初期除湿阶段,排气阀全开,大流量的干燥空气送入进行快速除湿;在主缆干燥后期维护阶段,排气阀全关或部分关闭,只需小流量的干燥空气就可使得主缆内保持微正压,防止外界潮气从主缆密封护套层上的缝隙进入,保证了内部干燥的要求,节省了除湿送气系统电耗,延长了除湿送气系统的寿命[10-11]。

实用新型专利《一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置》[12]:它包括支撑架、制动器、索盘卷筒、芯轴、齿轮传动机构、交流力矩电机;支撑架上固定有轴,索盘卷筒通过滚动轴承绕芯轴相对转动,制动器在索盘卷筒一端,索盘卷筒的另一端通过齿轮传动机构与交流力矩电机连接,索盘卷筒端部有制动器,交流力矩电机与索盘卷筒之间设有齿轮传动机构;索盘卷筒上套有先导索。这种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置可降低施工成本、提高效率。

实用新型专利《一种悬索桥主缆防腐用节能除湿装置》[13]:包括转轮除湿机和高压送风机,转轮除湿机的干空气出口与高压送风机的进口相连,高压送风机的出风管道上设有叉流换热器,高压送风机出口连接主缆送气管道,转轮除湿机的再生空气进口与叉流换热器的风道出口相连,该风道进口与室外大气相连。高压送风机出口的灼热空气通过叉流换热器,预热转轮除湿机的再生进口空气,大大节省了再生电加热器功耗,节省了除湿系统运行能耗,实现了送气废热回收利用[14]。

4.2 创新技术

首次完成三塔多跨连续猫道的设计与应用技术,适合三塔悬索桥结构行为要求。

提出并应用了高强度轻质纤维绳先导索水面过江施工技术。

应用具有自主知识产权的主缆除湿系统,对国产密封材料、涂装材料等施工对比试验研究,形成了国产化除湿系统完整的产业链,提升了我国悬索桥的主缆除湿防护技术水平。

双楔形接头连接式构造的拽拉器,与通常采用冷挤压万向接头构造形式的拽拉器相比,结构合理、安全可靠、质量轻、成本低,安装使用更加方便。

新型索股形状保持器,可以保证索股按正六边形排列,防止索股相互挤压串位,加强了侧向限位能力,形状保持效果比较好。

索股支撑滚筒改进设计,塔顶通过增加托滚数量,特制托滚支架,降低支撑高度,增大竖向支撑弯曲半径,与猫道滚筒间设置平滑过渡,使得主缆经过的竖向曲线更加平滑,减少了索股断带和散丝,提高了索股架设质量。

索股上锚通道和后锚头上锚系统,上锚通道设置为角度27°的平缓通道,减少断带发生几率。后锚头上锚系统设计为轨道小车式,减少长滚筒式设计的施工成本,避免架空索道式设计不能连续通过锚块小门架的弊端。该设计既减低了施工投入,又提高了施工效率。

5 结语

泰州大桥是世界上首座千米级的三塔两跨悬索桥,它的成功建成将大大促进跨江越海工程的发展。泰州大桥的上部结构施工中,采用了多项世界领先的技术,形成了大批具有自主知识产权的创新成果,有力地保障了大桥的顺利施工,促进了我国桥梁施工的技术进步。

[1] 薛光雄,闫友联,沈良成,金仓,先正权.泰州长江公路大桥上部结构施工方案综述[J].桥梁建设,2009(4):59 -63.

[2] 陈策,钟建驰.三塔悬索桥关键设计参数对其结构行为的影响[J].世界桥梁,2008(2):10 -12.

[3] 江苏省长江公路大桥建设指挥部,泰州长江大桥设计项目组.泰州长江大桥三塔悬索桥结构分析研究[R].南京:江苏省长江公路大桥建设指挥部,2006.

[4] 陈策.大跨径三塔悬索桥抗风性能分析[J].铁道标准设计, 2008(2):10 -12.

[5] 朱本瑾.多塔悬索桥的结构体系研究[D].上海:同济大学土木工程学院,2007.

[6] 陈策,钟建驰.三塔悬索桥垂跨比变化对结构静动力特性的影响[J].桥梁建设,2008(6):12 -14.

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[8] 周畅,杜洪池.三塔两跨悬索桥猫道设计与施工[J].中国工程与科学,2010(4):63 -67.

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[12]闫友联,沈良成,金仓,等.一种大跨度悬索桥施工中的先导索水面牵引的放索装置:中国,200920034476.1[P].2010-05-05.

[13]吉林,冯兆祥,胡安兵,等.一种悬索桥主缆防腐用节能除湿装置:中国,200920036383.2[P].2010-06-09.

[14]陈策.我国悬索桥主缆除湿系统研究的最新进展[J].中国工程科学,2010(4):95 -99.

Construction and Technological Innovation on Superstructure of Three-tower Two-span Suspension Bridge

CHEN Ce1,2,TANG Ke2
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Jiangsu Provincial Yangtze Highway Bridge Construction Commanding Department,Taizhou 225321,China)

Taizhou Bridge is the first suspension bridge of kilometer level in the world,with three towers and two spans.Comparing with two towers suspension bridge,its superstructure construction is much more difficult.This paper describes themain construction process and the specialmachines such as cable tightmachine,cable winding machine and loop wheel machine.And then it discusses especially the construction of catwalk system,main cable geometric pattern controlling,steel box girder hoisting sequence and closure section construction.It also mentions the patents,standards,and a number of innovative technologies in the construction of the superstructure,which will provide a reference for the future superstructure construction ofmulti-tower suspension bridge.

three-tower suspension bridge;superstructure construction;catwalk system construction; main cable installment;steel box girders lifting;technical innovation

U448.25

A

1004 -2954(2012)10 -0034 -04

2012-02-16

国家科技支撑计划资助项目(2009BAG15B02),交通运输部2008年度部省联合攻关项目(2008-353-332-170),江苏省“333高层次人才培养工程”专项资助项目

陈 策(1975—),男,高级工程师,1998年毕业于东南大学交通土建专业,博士研究生,E-mail:cc808cc@163.com。