平行钢丝斜拉索施工牵引方法研究

晏国泰 胡先朋 郑 波

(武汉二航路桥特种工程有限责任公司 武汉 430071)

斜拉桥作为一种常见的大跨径桥梁结构，具有线条纤秀、构造简洁、桥型优美等优点。拉索作为斜拉桥的核心受力构件，其施工质量对桥梁使用寿命有重要影响[1-2]。

牵引作业是斜拉索施工过程重要环节，黄冈公铁两用长江大桥斜拉索安装时，综合牵引力、索长、空间等要素，梁端选用卷扬机牵引，塔端选用硬牵引和软硬组合牵引方法[3]。上海长江大桥采用塔端软硬组合方法进行牵引和张拉作业，并以行星千斤顶作为软牵引的张拉工装设备，解决了大吨位牵引问题[4]。上述研究主要是针对具体的施工案例进行斜拉索牵引方法研究。

本文在介绍斜拉索的一般施工工艺基础上，重点对斜拉索的单一牵引方法和组合牵引方法、牵引工艺及对应的工装设备等进行研究分析，并提出了各种牵引方法的适用工况，以期为斜拉索牵引施工的方法及工装设备选用提供参考。

1 斜拉索施工工艺及牵引原理

1.1 斜拉索施工工艺

斜拉索施工的工艺主要包括斜拉索制造、运输、索上桥面、展索、塔端挂设、压锚、张拉、索力检测及调整、安装附属结构等[5]，工艺流程见图1。根据施工工艺流程可知，斜拉索的梁端压锚、张拉、索力调整等工艺均与牵引施工密切相关。施工所需要的主要工装设备也均是为上述3个主要工艺流程服务。因此合理选用牵引方法及牵引工装设备对施工质量、安全、效率等具有重要影响。

图1 斜拉索施工工艺流程

1.2 牵引原理分析

常见的斜拉索施工的牵引方法主要有卷扬机牵引、软牵引、硬牵引3种基本的牵引方法和基于软、硬牵引法组成的不同形式的组合牵引。牵引原理均一致，即利用外力作用将展开的拉索拉至梁端和塔端预定的锚固点位置锚固，并达到设计的锚头伸长量、索力值、桥面线形、桥塔空间姿态等相关要求。其中卷扬机牵引为直接用卷扬机钢丝绳牵拉斜拉索锚头运动到既定位置，软牵引、硬牵引及组合牵引法则是利用额外结构接长斜拉索，配套相应工装，形成“悬浮式”牵引系统，实现接长后的斜拉索至少2点依次持续性交替锚固牵引，最终将斜拉索锚头牵拉至预定的位置。

2 斜拉索牵引方法及对应工装研究

2.1 卷扬机牵引法

卷扬机牵引法需要的主要工装设备包括卷扬机、索夹、滑车组、导向点等，见图2。

图2 卷扬机牵引示意图

卷扬机牵引施工过程为：在斜拉索上安装好索夹，在索夹处及桥面导向点安装滑车组，卷扬机的钢丝绳通过滑车组将牵引力传递给斜拉索。压锚时，缓慢启动卷扬机，将斜拉索梁端锚头牵引进索导管，直至锚头伸出锚垫板设计长度。最后安装锚具螺母，拆除索夹、滑车组、即完成卷扬机牵引压锚施工。

卷扬机牵引施工需要的空间较大，一般可与汽车吊、手拉葫芦等设备配合使用以调节斜拉索压锚时入锚角度；压锚力值不能准确推算，但施工效率高，速度快。

2.2 软牵引法

软牵引法施工一般采用钢绞线作为牵引工具，所需的工装设备主要包括：撑脚、千斤顶、变径螺母、锚固系统、钢绞线等。其利用钢绞线接长斜拉索，当千斤顶周期性伸缩油缸时，处于不同位置的2个锚固系统依次锚固钢绞线，从而将斜拉索牵引至索导管或预定位置，见图3。不同的工装组合有不同的牵引形式，但工作原理均一致。

图3 软牵引示意图

软牵引法可通过千斤顶与对应油表的标定方程确定各个牵引位置的牵引力值，因单根钢绞线受力有限，牵引时应尽量使钢绞线束受力均匀，且只承受拉力，否则存在钢绞线拉断的危险。钢绞线在穿锚过锚具及连接套时，孔的位置要一一对应。

2.3 硬牵引法

硬牵引法施工一般采用张拉杆作为牵引工具，所需的工装设备主要包括：变径螺母、张拉杆、张拉杆螺母、撑脚、千斤顶等。其工作过程与软牵引相似，利用张拉杆接长斜拉索，通过处于不同位置的张拉杆螺母(锚固系统)依次锚固张拉杆，将斜拉索牵引进索导管或指定位置，见图4。也可以用不同的工装组合实现牵引目的。牵引力较大时，需验算撑脚、锚固系统等结构的受力可靠性，以确保施工质量和安全。

图4 硬牵引示意图

2.4 不同牵引形式对比

通过上述分析可知，各种牵引形式有不同的适用工况和牵引特点，对比分析见表1。

表1 不同牵引方法对比

根据各牵引方法施工过程及特点，结合表1分析可知，卷扬机牵引适用于力值较小的斜拉索牵引及其他牵引法的预牵引工作。软牵引适用于索长较长、力值较大、牵引长度较长的情况，且适用于小空间的牵引施工。硬牵引法适用于张拉空间大、索力较大的情况。

2.5 组合牵引法

由于斜拉桥跨径较大，尾索段的斜拉索较长，牵引力较大，考虑到施工安全等因素，单纯一种形式的牵引施工已不能满足斜拉索施工，因此需要进行组合牵引，即指同一根斜拉索施工时所采用的硬牵引和软牵引的组合使用状态。根据硬牵引和软牵引的施工部位不同，可以得到4种组合牵引形式，各种牵引形式的施工部位和适用条件见表2。

表2 组合牵引形式及适用条件

组合牵引都能提供较大的牵引力，施工前均需要卷扬机将斜拉索锚头牵引至指定位置，或者达到一定的牵引力值。组合牵引2、组合牵引4即为常说的软硬组合牵引法，相对于组合牵引1和组合牵引3，减少了作业点，但工装组合时接头较多，降低了牵引系统的可靠性，特别是在塔端施工时，增加了高空作业的风险，因此选择软硬组合牵引时，尽量布置在梁端作业。

3 工程实例

3.1 工程概况

武汉沌口长江公路大桥为武汉市四环线的控制工程之一，其结构类型为100 m+275 m+760 m+275 m+100 m双塔双索面钢箱梁斜拉桥。斜拉索采用扇形双索面布置，2个主塔的斜拉索对称布置，全桥共30×4×2=240 根斜拉索。此桥采用1 860 MPa的Φ7高强热镀锌铝平行钢丝斜拉索，单根索长度为123.82～415.68 m，单根索质量为4.85～30.67 t，最小规格为PES7-109，最大规格为PES7-223。

3.2 牵引方法选择

沌口长江公路大桥斜拉索施工采用塔端挂设、梁端牵引、塔端牵引张拉的总体施工工艺，塔端张拉均为硬牵引法。梁端压锚则根据不同的索长和牵引力值分为短索施工(1-10号斜拉索)，中长索施工(11-17号斜拉索)和长索施工(18-30号斜拉索)。

1) 短索施工。短索因索长较短、索力较小，挂设完成后塔端用张拉杆下放，然后梁端用卷扬机牵引锚头进索导管并伸出至指定位置。施工图见图5。

图5 卷扬机牵引压锚

因卷扬机牵引力值有限，为确保压锚可靠性，施工过程中控制卷扬机的压锚牵引力不超过200 kN。通过基于悬链线理论及无应力索长的计算方法[6]，可得到1-10号斜拉索卷扬机压锚牵引力极限值控制下的塔端下放长度，其中1-6号索下放0.5 m，7-8号索下放1 m，9-10号索下放1.5 m。

2) 中长索施工。中长索施工时，塔端挂设完成后螺母带平，然后用软牵引法将梁端锚头牵引至设计位置，施工图见图6。施工时，计算确定出了每根索牵引时需要的钢绞线长度、数量、软牵引长度、牵引到位的理论力值。其中，选用的钢绞线直径为15.24 mm，单根索钢绞线数量均为12根，长度为8 m，牵引长度为5 m，斜拉索锚具牵引至指定位置时，控制单根钢绞线的平均牵引力不超过130 kN，以平均2倍的安全系数保障软牵引过程中的施工安全。

图6 软牵引压锚

3) 长索施工。长索施工时，塔端挂设完成后螺母带平，然后用软硬组合牵引法将梁端锚头带平至设计位置，见图7。牵引过程中，钢绞线的数量为12根，最长下料长度为25 m，最长牵引长度约20 m。同样控制软牵引的单根钢绞线的平均受力不超过130 kN，软牵引到位后，张拉杆进行硬牵引到位，硬牵引的最大长度为3 m。满足最长、最重的30号斜拉索的施工要求。

图7 软硬组合牵引压锚

4 结论

1) 斜拉索牵引方法有卷扬机牵引、软牵引和硬牵引3种基本牵引方法，根据斜拉索牵引部位的不同，有4种不同形式的组合牵引。除卷扬机牵引法外，其余方法均需要接长体、撑脚、千斤顶、锚固装置等工装设备。

2) 卷扬机牵引法牵引速度快，可用于软硬组合牵引前的辅助牵引施工；软牵引法牵引距离长，硬牵引法牵引力大，组合牵引法综合软、硬牵引法的特点，适用于长索、重索的施工。

3) 牵引施工是斜拉索施工的关键环节，需合理选择牵引方法对应的牵引工装设备。牵引方案制定前，需结合不同的牵引方法和组合牵引的特点，并根据现场实际情况，合理地选择不同的牵引方法。