五峰山长江大桥主缆架设控制关键技术

时间：2024-07-28

阙水杰杨文爽

中铁桥隧技术有限公司，南京210031

1 工程概况

五峰山长江大桥是新建连镇铁路的过江通道，主桥为地锚式五跨连续钢桁梁悬索桥，加劲梁跨度布置为（84+84+1 092+84+84）m，主缆跨度为（350+1 092+350）m。主桥通行四线铁路及八车道高速公路。桥型布置见图1。

图1 桥型布置（单位：m）

加劲梁为板桁结合钢桁梁，华伦式桁架，2片主桁间距30 m，桁高16 m，节间长度14 m。主梁横断面采用带副桁的直主桁形式。每两个节间为一个吊装单元，即每节段主桁的单元长28 m。加劲梁的标准横断面见图2。

图2 钢梁横断面（单位：m）

中跨主缆跨度为1 092 m，矢跨比为1∕10，采用PPWS（Prefabricated Parallel Wire Strand）法制作和架设，共设2根主缆，横向中心距43 m。每根主缆由352股索股组成，每股索股由127丝ϕ5.5 mm镀锌高强平行钢丝构成，钢丝标准强度1 860 MPa。挤圆后直径为1 300 mm（孔隙率20%）。主缆断面见图3。

图3 主缆横断面（单位：mm）

主索鞍及散索鞍均采用铸焊结合的结构形式，鞍槽用铸钢铸造，其余结构均采用钢板焊接而成。

2 主缆索股无应力长度确定

2.1 索股弹性模量

主缆作为悬索桥的主要受力构件，由成千上万根高强度平行钢丝组成，在工厂制造加工的索股弹性模量与理论值不可能完全相同，而不同的弹性模量对应不同的主缆索股无应力长度。

主缆索股弹性模量为190～210 GPa［1-2］。在索股生产过程中，索厂共制造了6根试验索股，弹性模量分别为198、195、196、200、198、197 GPa。在保持其他参数不变的情况下，索股弹性模量与无应力长度的关系见图4。

由图4可知，弹性模量在一定范围内变化，索股无应力长度与索股弹性模量近似成线性关系，非线性影响较小。索股弹性模量每增加1 GPa，索股无应力长度增加30 mm。

2.2 钢丝直径

钢丝直径决定了主缆截面尺寸，索股无应力长度与其净截面面积有关。实际生产过程中钢丝直径存在误差，需要统计钢丝直径，计算钢丝的平均直径，作为施工控制的基准参数。

索股钢丝直径设计理论值为5.5 mm，实测部分钢丝直径最小值和最大值分别为5.46、5.54 mm。在其他条件不变的情况下，只改变索股钢丝直径，得到钢丝直径与索股无应力长度的关系，见图5。可知，索股无应力长度与钢丝直径近似成线性关系。索股钢丝直径每增加0.01 mm，索股无应力长度增加22 mm。

图5 钢丝直径与索股无应力长度的关系

2.3 索股自重

索股无应力长度与索股自重有关。在其他条件都不变的情况下，只改变索股的自重，按基准荷载上下浮动3%计算。索股自重误差与索股无应力长度的关系见图6。

图6 索股自重误差与索股无应力长度的关系

由图6可知：索股无应力长度与索股自重近似成线性关系。索股自重对其无应力长度的影响与索股弹性模量的影响规律相反，索股自重每增加1%，其无应力长度减少10 mm。由于索股自重占总结构荷载的比例较小，因此索股自重对其无应力长度影响较小。

2.4 钢梁重量

五峰山长江大桥为有砟公铁两用桥，铺设道砟时以道砟重量作为控制条件，计算时仅考虑钢梁重量误差，以理论统计的重量为基准，按上下浮动3%计算。钢梁重量误差与索股无应力长度的关系见图7。可知，钢梁重量在一定范围内变化时，索股无应力长度基本呈线性变化，钢梁重量与索股无应力长度成反比例，钢梁重量每增加1%，索股无应力长度减少3.2 cm。

图7 钢梁重量误差与索股无应力长度的关系

2.5 索股长度调节量的确定

主缆索股无应力长度受加工精度、索股弹模、锚固位置、钢梁重量等因素影响。因此须准确计算主缆索股的无应力长度，并设置合理的长度调节量，确保其调整在控制范围内［3］。

1）加工精度：成品索股要求测长精度在1∕12 000以上，主缆无应力长度约1 934 m，长度误差为±16 cm。加工误差为索股制造时的固定属性，不能完全消除，因此须考虑此部分误差影响。

2）索股弹性模量、锚固位置：在计算索股长度时，这两种参数均可采用实测数据。因此，索股长度调节量可不考虑这两种参数的影响。

3）钢梁重量：在钢梁制造过程会产生重量误差。按照施工进度，钢梁实际重量在索股架设前才能确定，因此，计算时须考虑钢梁重量带来的误差修正。按照类似加劲梁结构重量误差，考虑重量偏差3%，其对索股长度的影响量为±9 cm。

综上，主缆索股长度调节量为±25 cm，可满足相关误差调整要求。

3 主缆索股线形控制

3.1 线形影响参数

索股架设线形影响因素包括温度［4］和索鞍偏位［5-6］。

3.1.1 温度

该桥基准温度为15℃。在其他条件不变的情况下，分析温度变化对索股线形的影响。中跨和边跨跨中索股高程与温度关系见图8。可知，索股各跨跨中高程均随温度的升高而不断降低，边跨和中跨跨中温度影响系数分别为0.027、0.030 m∕℃，二者受温度影响程度比较接近。

图8 中跨和边跨跨中索股高程与温度的关系

3.1.2 索鞍偏位

在索股架设过程中，主索鞍和散索鞍的位置受温度、猫道等外界的影响会不断变化，进而影响索股的约束位置，对跨中高程有直接影响。分析散索鞍和主索鞍分别在高程、里程方向变化1 cm对索股跨中高程的影响，见表1。可知，索鞍对索股线形影响较大。因此在索股线形计算时，必须考虑索鞍的影响，否则架设精度满足不了基准索股的架设要求。

表1 索鞍偏位对边、中跨索股跨中高程的影响

3.2 基准索股线形调整

五峰山长江大桥设置1号索股为基准索股［7-8］，选择在温度相对稳定、风力不大的夜间调整索股线形。索股调整按先中跨后边跨再锚跨的顺序进行调整。要求索股长度方向的温差小于等于2℃，断面方向索股温差小于等于1℃，风力小于等于12 m∕s时方可进行线形调整。

架索前，根据主缆无应力长度不变的原理在索鞍中心、各跨中点设置标志，作为索股架设的参考位置。索股调整前，对基准索股的两边跨及中跨坐标进行观测，通过实测温度及塔偏数据修正，计算出索股跨中点的高程调整量，进而得到索长调整量。五峰山长江大桥跨中点高程调整量与索长调整量的关系为：中跨，Δs=Δh∕2.21；边跨，Δs=Δh∕5.48。其中，Δs为索长调整量；Δh为跨中点高程调整量。

按照监测方案在基准索股调整阶段将测点布置于各跨跨中，全桥上下游共计6个测点。在基准索股连续观测阶段，测点布置于边跨跨中和中跨L∕4、L∕2、3L∕4处（L为跨度），全桥上下游共计10个测点，基准索股线形测点布置见图9。

图9 基准索股线形测点布置（单位：m）

将测试值与理论值的误差取均值后，得到基准索股线形误差均值，见表2。按照JTG F80∕1—2017《公路工程质量检验评定标准》，基准索股线形误差要求中跨不大于±0.05 46 m，边跨不大于±0.109 0 m（边跨为中跨的2倍）。由表2可知，基准索股线形误差均值满足规范要求。

表2 基准索股线形误差均值 m

3.3 相对基准索股

五峰山长江大桥主缆共有352根索股，主缆直径大，一般索股以1#索股为基准进行线形控制，现场操作难度大，且存在一定误差。因此，一般索股架设时，选择56#、182#、287#索股作为相对基准索股（图10），对索股绝对高程进行复核测量并作为后续一般索股架设的参考标准。

图10 相对基准索股

第2根相对基准索股（56#）、第3根相对基准索股（182#）、第4根相对基准索股（287#）依次架设完成后，将多组线形测试值与理论值的差值取均值，见表3。

由表3可知，架设至第3根相对基准索股时，中跨上下游索股误差有所放大。原因是架设第3根相对基准索股时夜间环境温度在11～15℃，白天日照条件下环境温度在35℃以上，上下层索股温差大，且主缆索股数量多，主缆两侧索股下挠，出现明显侧向挤出现象，导致索股发生错动。夜晚上下层索股温差消失后，由于索股互相咬合和摩擦，已无法回到原始位置，导致出现一定误差。此外，由于索股形状保持器与各列最下层索股连接，两侧索股下挠，引起索股形状保持器下坠，导致1#索股变位，后续索股架设时上下游误差放大。

表3 第2根—第4根相对基准索股线形误差均值 m

根据现场实际情况，在主缆索股架设过程中，安装索股形状保持器时与1#索股隔离，确保1#索股能自由活动便于线形观测，同时应选取日照时间较短一侧索股做为相对基准索股，且在架设过程与1#索股同时测试。通过调整后续一般索股的层间距后，第4根相对基准索股的上下游误差有所减小。

3.4 一般索股架设

一般索股架设是以基准索股为基准，根据索股的相对高程进行调整，可采用相对高程测量尺直接测出被调索股与基准索股的高差［9］。

主缆架设时，中跨跨中索股间距半层高差为31.33 mm，边跨跨中为34.43 mm，因此索股层间距在相同温度下设为5 mm。

主缆索股竖向共计22层，索股相对主缆中心最大层数为10.5层。主缆1#、352#索股相对主缆中心拉开距离最大值为105 mm。根据放索公式，边跨无应力长度最大变化量为15.1 mm，其成桥伸长量为1 300 mm，由此引起的索股力偏差为1.16%；中跨无应力长度最大变化量为47.3 mm，其成桥伸长量为3 600 mm，由此引起的索股力偏差为1.31%。可知，设置索股层间距对内力影响较小。

3.5 散索鞍约束解除

五峰山大桥散索鞍采用摆轴式索鞍，安装时在其下方设置了支撑架。索股架设期间，随着索股数量的增加，温度变化和锚跨张拉误差会导致散索鞍临时支撑受力过大，还可能导致主缆索股因克服与鞍槽间的摩擦力而滑移，造成锚跨索力不均匀。因此，在满足散索鞍自立及后期锚跨索股张拉要求后，应尽早拆除散索鞍临时支承。

边跨侧主缆每根索股平均索力为365 kN，根据抗滑移验算公式，计算得到每根索股承受最大不平衡力为20 kN，利用最大不平衡力对散索鞍取矩得到总弯矩。散索鞍质量为232 t，对摆轴轴心产生的弯矩为5 290 kN·m。在索股架设至第10层时，共计架设55根索股，合计产生弯矩5 761 kN·m，已大于散索鞍自重产生的弯矩，表明散索鞍已具备自立能力，可将散索鞍临时约束解除。

4 锚跨索力控制

成桥阶段不具备调索条件，为保证锚跨索股在成桥阶段索力分布均匀［10］，在空缆阶段对锚跨索力进行调整，并研究索力调整过程的影响因素。

4.1 索力系数标定

一般采用频谱法进行索力测试，根据索股长度及单位长度质量计算索力系数K。主缆索股在散索鞍处的边界条件难以精确确定，若按拉索两嵌固点之间的长度计算则产生的误差较大。因此，利用千斤顶并采用频谱法进行测试标定。通过千斤顶油表读取千斤顶张拉力T，换算得到实际的索力系数K。标定索股见图11。

图11 标定索股

五峰山长江大桥一个锚面共标定了122根索股。理论计算索长范围为索股锚杯约束点到索股竖弯结束点。索力系数计算值与实测值对比见图12。可知，索力系数计算值与实测值变化趋势相同，但实测值为计算值的71.9%。因此，采用频谱法测试索力时，必须利用千斤顶进行标定校核。

图12 索力系数计算值与实测值对比

4.2 温度对锚跨索力影响

在索股架设及锚跨索力调整过程中，经历时间较长，昼夜温差和季节性温差会对索力造成影响。前者可通过在温度恒定的夜间进行索力测试而消除，而后者无法消除，因此须考虑季节性温差对索力的影响。计算不同季节温度下索股的索力变化量，见图13。

图13 不同季节温度下索股的索力变化量

由图13可知：锚跨索力随温度升高而减小；温度对上层索股的影响明显大于下层索股，非线性较明显。因此，索股在架设过程中应考虑温度变化对索力的影响并根据温度进行调整。

4.3 散索鞍对锚跨索力影响

在索股架设过程中，锚跨索力未张拉至目标值，且存在较大误差。散索鞍支撑拆除后，散索鞍会出现一定的偏转，在空缆阶段应通过调整锚跨索力将散索鞍调整至目标位置。结合现场误差，分析散索鞍偏转角度从0°增加至0.12°（均往边跨侧）时索股的索力变化量，见图14。

图14 不同散索鞍偏转角度下索股的索力变化量

由图14可知，散索鞍偏转角度对锚跨索力有显著影响。随着散索鞍往边跨侧偏转，锚跨索力逐渐增加。散索鞍偏转角度对1#索股基本呈线性影响，而对352#索股非线性影响较明显。当散索鞍偏转角度为0.01°时，1#索股索力变化量约为18.8 kN，352#索股索力变化量约为15.2 kN；当偏转角度增加到0.12°时，1#索股索力变化量基本不变，而352#索股索力变化量增加到20.8 kN。

因此在锚跨索力调整过程中，应考虑架设过程中引起的散索鞍偏转角度，对索力理论值进行修正，再与实测值对比并调整。在考虑温度、散索鞍偏转角度的基础上，通过对锚跨索力的精确调整，五峰山长江大桥锚跨索力误差均控制在3%以内。