南京长江二桥南汊桥斜拉索安装工艺
2009-09-28
一、概述 南京长江第二大桥南汊桥横跨南京市和八卦洲之间的长江江面，是一座双塔双索面五孔连续钢箱梁斜拉桥，全长2958m。主桥长1238m，桥跨总体布置为58.5m＋246.5m＋628m＋246.5m＋58.5m，桥面总宽35.6m，主梁采用扁平闭口流线型钢箱梁，梁体最大宽度为37.2m（包括风嘴）。 索塔位于长江通航主航道上，总高为195．55m（包括预抬量）。主塔由下塔柱、中塔柱、上塔柱及下横梁、中横梁、上横梁组成。外形为倒Y型空间结构。南京二桥主桥总体布置见图1。
1．斜拉索类型的选择 当前国内外斜拉桥采用的斜拉索主要分为平行钢丝索和钢绞线索两种。综合考虑各种因素，南京二桥斜拉索采用平行钢丝索，其优点是：①耐久性和抗疲劳性能好；②国内有专业化的制索工厂，有较成熟的生产工艺和生产能力，价格较便宜；③冷铸锚在工厂内加工，可以试拉，质量可得到保证；④应用历史长，施工单位施工技术成熟。
2．斜拉索的规格及布置 每个索塔上布置空间双索面扇形斜拉索，每个索面20对斜拉索。全桥共160根，索在梁上的锚固间距，索塔两侧为21.5m，钢箱梁标准段为15m，边跨部分为12.5m和12m。索在塔上的锚固间距为1.75～2.5m。南京二桥斜拉索有五种规格，分别为：φ7-139，φ7-163，φ7-199，φ7-241，φ7-265，其中最长的斜拉索长336.7m，重27.02t。
二、斜拉索施工主要设备
每个主塔斜拉索施工设备主要包括：QTZl25型机械自升式塔吊一台，25t汽车吊一台，5t卷扬机12台。8t卷扬机4台，6门滑轮32个，600t张拉千斤顶2台，500t千斤顶2台，120t连续千斤顶2台及油泵4台，600t传感器4台，施工电梯2台，放索船1艘，40t浮吊1艘，以及张拉丝拉杆等。
1．塔吊 塔吊和汽车吊是主塔斜拉索施工的主要起重设备。在主桥钢箱梁施工前，拆除主塔施工塔吊，在索塔上横梁顶中心安装QTC125（TC5023）型塔吊，主要负责完成斜拉索安装过程中的高空吊装工作。该塔吊最大工作幅度50m，最大起重力矩143.2t·m，最大起重量8t。另外，在主梁第二对斜拉索张拉完成后，利用水上浮吊把1台25t汽车吊起吊到主梁上，主要负责完成塔吊工作幅度以外的吊装工作，二者都能满足施工中的吊装要求。
2．施工电梯 施工电梯是主塔斜拉索施工时工作人员上、下的主要交通工具。1台施工电梯，布置在桥轴线上索塔的江侧，距主塔横轴线6m处，施工电梯从钢围堰顶面平台到钢箱梁底面施工平台，其输送高度为23m，每8m设置一个附墙。另一台电梯安装在索塔下游塔肢中塔柱空腔内，从下横梁项面直到中横梁底面，其输送高度为87m，电梯的安装斜度与中塔柱的斜度保持一致，附墙与电梯预埋件相联。此外，在上塔柱内设置脚手架通道及斜拉索张拉平台。
三、斜拉索的放索、牵引、安装与张拉
1．斜拉索放索船的定位
放索船定位有两种方案，第一种，放索船抛锚定位法。即每次挂索前把放索船顶推到指定位置，在放索船的四个角上分别抛锚，通过收、放锚链来调整放索船的位置。优点是放索船受水流冲击影响小，缺点是占用航道时间长，阻塞航道。第二种，放索船风缆、拖轮共同定位法。优点是操作简便快捷，占用航道时间很短，安全可靠，并有成功经验；缺点是要时刻观察水位变化，防止风缆受力过大，影响主梁焊接，经过研究，斜拉索放索船的定位采取第二种方案，具体施工工序如下： 斜拉索运送到施工水域后，按编号转移到放索船的放索架上，在钢箱梁的环焊缝焊接完成后，用120匹马力拖轮把放索船顶推到主梁端部的正下方，放索船的长度方向与主梁横断面方向一致，这时，从钢箱梁前端的上、下游各放一根φ9.5mm卷扬机钢丝绳，拴住放索船内侧上下游的拉环，启动卷扬机，使钢丝绳受力适中，同时利用拖轮调整放索船的平面位置，通过目测，保持放索架上斜拉索转盘处钢箱梁前端的斜拉索转向架的正下方。此时，放索船定位完毕。
2．斜拉索的牵引及安装 整个挂索过程粗略可分为两个阶段：①牵弓提升，使整根拉索脱离索盘；将两个冷铸锚头分别灌入索塔及箱梁的预定锚固孔道，并固定；②张拉至设计吨位，并根据主梁悬壁端荷载及标高适当调整索力。 在斜拉索的牵引阶段，拉索尾端在江面的放索船上，中间部分置于桥面，上端被牵引至索塔锚固区附近（如图4），头尾垂直高度差为120～180m，水平距离为20～300m，属于典型的大跨度空间立体施工作业，因此，要科学地制定施工程序及细节，合理地安装提升系统的机具设备，精心组织，统一协调指挥，才能安全、快捷地完成一系列的牵引提升动作。
（l）牵引提升系统的布置和安装 斜拉索施工最常用的牵引装置为卷扬机，这里用到两种型号的卷扬机：8t快速卷扬机，额定拉力8t，平均绳速32．25m／min，容绳量343m，电动机功率30kw；5t慢速卷扬机，额定拉力5t，平均绳速9．11m／min，容绳量250m。两种型号卷扬机均配置φ19．56-37-39-1700钢丝绳。其中：①四台5t慢速卷扬机对称安放于索塔根部路线石内侧，分别朝向主梁前端，其作用是将拉索张拉端从江面船上放索架的索盘中引出，通过钢箱梁前端转向架引至桥面，并平拖至索塔根部附近，待进一步提升牵引；②作为主提升用的4台5t快速卷扬机对称安放于无索区的南北两端的桥轴线两侧，其钢丝绳通过塔顶定滑轮组（3门32t）走3～4丝形成滑轮组，用于将拉索张拉端提升至索塔锚固区相应套街口附近；③在塔顶搭设平台，安放两台5t慢速卷扬机，其钢丝绳经过转向从斜拉索套筒放出，其作用是将张拉端锚头牵引进入套筒；④在距钢箱梁前端0m处，上、下游两侧各安一台5t慢速卷扬机，南北共4台，其钢丝绳从梁前端放下，用于稳住江中的放索船，待斜拉索完全脱离放索船到达桥面，此卷扬机还可用于牵引锚固端锚头进入钢箱梁锚箱，此卷扬机随钢梁向前延伸而迁移位置。 上述即为牵引系统卷扬机的布置，具体安放与操作时应注意以下几点： a．应选用与卷扬机相匹配的钢丝绳及转向滑轮，这里选用φ19．5钢丝绳，破断拉力总和为22.4t；单门转向滑轮最大受力状况即转向180°。受力为卷扬机单丝的两倍，因此，5t卷扬机应配置承受能力为10t的单门转向滑轮。 b．从卷扬机滚筒引出钢丝绳经过的第一个转向滑轮，其转向点与滚筒轴线的中点的连线应垂直干滚筒轴线，该点到滚筒的距离应为滚筒长度的10～15倍，钢丝绳才会在滚筒上自然排丝，若场地有限，距离不够，则应设专人排丝，严防钢丝绳跳出滚筒，引发事故。 c.塔顶定滑轮组的吊点支架，其预埋件应在索塔施工中提前安装好。 d．每次挂索前都应全面检查卷扬机制动器、开关箱、钢丝绳的磨损状况，转向装置是否符合受力要求，确保消除隐患后再开始工作。
（2）斜拉索施工牵引阶段施工程序及要点 ①施工程序（如图5） ②这一阶段施工作业面长、危险性大，要做到安全文明施工，应掌握以下施工要点及细节： a．各作业点指挥人员应用对讲机及时联系、统一步调、协调指挥。卷扬机应选出有经验的工人定岗定人专职操作，遇到紧急情况能及时作出正确的反应。另外，电工、机械修理工，应在现场待命，随叫随到，及时排除电器及机械故障。 b．所有起重用钢丝绳、卸扣、转向轮等均应符合起重行业施工规范，具有足够的安全系数。 c.斜拉索放索架应安装配重，并有制动装置。张拉端冷铸锚杯被牵引出索盘后，当固定端锚具转至索盘最高点。由于力矩不平衡，索盘会发生突然加速转动，使得放索速度时快时慢很不安全，也容易损坏斜拉索，因此应根据固定端锚杯重量在其所处直径的另一端加配相同重量铁块以平衡力矩，使得索盘能匀速转动。 d．张拉端锚杯通过前端转向架时，应尽量使其从平辊中间位置通过，以不受阻碍的到达桥面。 e．为保护斜拉索外包装，应在桥面上斜拉索经过的沿途设置平辊，平辊过索槽净宽度应大于最大直径的锚杯5～6cm。 f．张拉端被牵引至索塔根部附近处，即开始安装吊点抱箍及张拉丝杆（如图5大样A），准备向上提升。这个工作很关键，必须认真细致地完成。抱箍应有足够的长度，其夹紧用的螺栓应有足够的强度，拧紧后应使抱箍与斜拉索之间（垫有橡胶皮）产生足够的摩擦力，以防止抱箍受力后滑移。这里，我们使用的抱箍长80cm，两侧法兰边各有8颗M22高强螺栓。 张拉丝杆通过一个内外有螺纹的接头与冷铸锚杯连接，另一端与牵引钢丝绳连接（如图6）。经实际使用证明，张拉丝杆螺距不宜太小，在受力计算可通过的前提下，螺距最好在10mm以上，这样，在斜拉索牵引过程中，螺纹不易碰坏，或发生局部变形。 g．拉索张拉端被提升至所需高度后，主要由从套筒引出的滑轮组（单门滑轮、2根丝）牵引进入，此时塔顶主滑轮组应及时调整锚头倾角，使张拉丝杆基本沿套筒轴线方向牵引进入，丝杆前端超出锚垫板一定高度后，即可用开合螺母临时锚固，待安装千斤顶准备张拉。 h．当张拉端被临时锚固后，即可用卷扬机组滑轮组，将固定端引入锚箱，此状况下，所需牵引力较大，例如挂All号索时（索长216．043m、钢丝重12962．550kg。立面角度为38．1999℃），滑轮组选用两个6门32T滑轮组，绕12路丝（另一种做法是，在张拉端离套筒距离尚远时，先将固定端灌入锚箱，此时牵引力较小，仅用三根丝滑轮组就可，但上端牵引力相应增大很多，实践证明前一种做法更安全可靠）。滑轮组仍通过抱箍与斜拉索连接。为防止抱箍滑移，可在抱箍前加一根套筒，将力传至冷铸锚杯根部。 i．随着斜拉索长度的不断增加，重量增大，立面角度减小，斜拉索两端的水平分力也越来越大（以J15号索为例，总长264．85m，重15891．000kg，立面角度29．942°，根据现场油表读数计算，当固定端已按设计要求锚固好，张拉端锚杯前端距离锚垫板为9．08m时，钢绞线所受拉力为20．08T，已超过卷扬机牵引能力），张拉端仅依靠接长拉杆已不足以减小挂索机的牵引力，此时需在拉杆前加接钢绞线束，用快速千斤顶代替卷扬机实施牵引，如图7、图8所示。 用千斤顶通过钢绞线实施牵引其施工步骤如下： （a）机具、材料准备，千斤顶为KS1200型，由两个穿心式油缸及两个工具锚组成，额定油压50～63MPa，排油量2～101／min，相应牵引速度为76～383mm／min，牵引过程为无间歇连接作业。 φ15．24钢绞线下料长度10～15m，每束六根，其中三根为右捻，三根为左捻，左右对称排布。 购置与工具锚相匹配的工具夹片，加工钢绞线与张拉丝杆间的连接头，钢绞线与千斤顶之间的连接件。 油泵为 YBZ*1.5／63型电动高压油泵，额定压力 63MPa，配套压力表采用 60MPa油压表，精度为0．4级。 （b）将钢绞线束穿入千斤顶，并用工具夹片，限位螺母锁定，如图7右半截所示，钢绞线一端伸出前活塞工具锚30cm即可，后活塞锚环外另一端，事先做挤压接头，并穿好工作锚环及限位螺母。 （c）将已连成一体的千斤顶与钢绞线吊入上塔柱内，使钢绞线自由端从相应套筒放出套筒外口，并将千斤顶固定于反力架上。 （d）当斜拉索张拉端丝杆被提升至适当高度时，于空中将钢绞线与张拉丝杆连接。 （e）固定端进入锚箱后，即可开始用千斤顶牵引斜拉索。经过几次实地操作，发现几个容易出现问题的环节，并研究了解决办法：①在千斤顶工作的初始几个行程，钢绞线束易发生扭绞现象，原因有两个，一是斜拉索与钢绞线在制作完成后均有扭应力存在，其中斜拉索的扭转可靠吊点抱箍限制，钢绞线的扭转可通过对称排布左、右捻钢绞线来自行抵消。二是钢绞线受力不匀造成扭饺，解决的办法是，尽量使钢绞线长度一致，并每隔50cm用胶布束紧一处，就能保证每根钢绞线基本同时受力。②快速顶前活塞回油时，可能出现工具夹片不能自动松开而导致钢绞线在千斤顶内散丝。因此，在张拉开始前，应在工具夹片外表涂润滑油脂，并在千斤顶工作过程中严密注意夹片是否松开，以便及时停机。③钢绞线束露于套筒口外的长度宜长不宜短（不少于4～5m），越长，其端部自由度越大，与张拉丝杆在空中（施工人员于空中实施连接）的连接越容易，如图8。 j．岸侧边跨合龙后，岸侧斜拉索上桥方案有两种：①从江侧前端上桥面，平拖至岸侧再向上牵引；②直接从岸侧钢箱梁路缘外侧上桥面。前一种方案在安徽铜陵大桥及黄山太平湖大桥都使用过，缺点是用时较长，还需多台卷扬机接力做桥面牵引。后一种方案首次在南京二桥实施成功，只需将原安装在梁前端的转向架改装在梁外侧，转向架向外挑出，牵引张拉端通过转向架时先让其完成竖直面转向，到达桥面，再使其完成水平转向，转而沿平行于桥轴线的路径向索塔根部牵引，其他环节施工过程则与上述内容相同，实践证明此方案较前一种更省时、高效。 3．斜拉索的张拉 南京二桥斜拉索的最小张拉吨位为180t，最大张拉吨位为460t。采取一端张拉，一端锚固的张拉方式，即事先把斜拉索下端冷铸锚锚固在箱梁上，张拉在索塔内进行。根据施工单位现有设备，以及最大张拉力不超过千斤顶容许荷载的 95％的施工规范，张拉千斤顶采用YDC-500型和LS-600型千斤顶，油压表采用0．4级精度表。在索塔内张拉空间足够的情况下，在张拉丝杆上配有精度为 0.5％的 600t传感器进行检验，保证索力准确。见张拉安装图9。
（1）张拉前的准备工作 在张拉前千斤顶、油泵、油表都要到有资质的机构进行标定，并要出具标定书。 千斤顶检验系数： K=理论计算张拉力／实际张拉力=（油压表读数*活塞面积）／压力机读数 千斤顶内摩阻： η=1-（实测张拉力/理论张拉力）* 100％＝［1一（压力机读数）/（油压表读数*活塞面积）］X100％ 如果检验系数K＜1．05或内摩阻η＜5％为合格，可以使用。
（2）张拉 根据钢箱梁悬壁端的荷载状态，斜拉索正式张拉分两次。张拉吨位由设计提供。前后两次都必须四根同时对称张拉，以防止索塔承受过大的弯曲应力。在张拉设备安装好以及钢箱梁焊接完成后，进行第一次张拉。为了减少温度、日照对张拉和梁体标高的影响，斜拉索的第二次张拉定在晚上9：30以后日出之前进行。采取分级张拉，以每5t为一级缓慢进行，并作好张拉记录。 张拉端冷铸锚杯进入斜拉索套筒口前，由于斜拉索因自重下垂，必然使张拉丝杆下缘抵在套筒口上，此时须依靠主吊点滑轮组随时调整高度。使得拉杆始终处于套筒中心，否则拉杆螺纹将被损坏。 在张拉过程中，要不断拧紧斜拉索冷铸锚的锚环，防止千斤顶回油时，斜拉索产生冲击，损坏千斤顶和油泵。同时观察油压表读数以及传感器读数，使两者基本保持一致，如果两者相差较大，应立即停止张拉并分析原因。
四、斜拉索的临时减振 在钢箱梁的悬拼过程中，斜拉索的风振非常明显，直接影响箱梁悬拼时的控制，因此，施工过程中，在斜拉索下端设置临时减振装置。此方法简单有效，见图10。
五、总结 斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，是主梁的直接受力结构物，斜拉索的施工质量直接影响斜拉桥的质量和使用寿命。斜拉索施工技术性强，风险性大，因此，施工人员要求素质高，且组织分工细致，专人专职控制过程中的每个环节才能确保施工质量和施工安全。
