跨繁忙铁路转体矮塔斜拉桥拉索施工技术

郑伯强

(中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710024)

1 引言

斜拉桥具有受力合理、设计构思多样、跨越能力较大等特点，在大跨桥梁中较多采用[1-3]，特别是在跨越既有铁路线方面。跨既有铁路斜拉桥多采用转体施工[4-5]，在转体过程中施工的不确定性因素较多，结构转体空间姿态[6]和安全控制[7]至关重要；同时拉索预应力体系复杂，拉索张拉控制直接影响桥梁内力和线形；施工过程需进行数据监测，不断获取斜拉桥的应力变化、索力变化，以及转体时转速变化、塔顶标高变化、塔顶偏位变化和风速等数据[8]，及时对各个施工进程进行调整。本文结合永修万宝路上跨京九、昌九铁路矮塔斜拉桥项目，对跨繁忙铁路转体矮塔斜拉桥拉索施工技术进行了研究，以供类似工程参考。

2 工程概况与拉索施工重难点分析

2.1 工程概况

永修万宝路上跨京九、昌九铁路矮塔斜拉桥，与京九铁路交角约81.7°，与昌九客专交角约84.9°；主桥是双塔单索面双排索斜拉桥，跨径布置为(95＋160＋95)m，宽34.5 m(含4 m索区)；塔高22 m，采用等截面设计，顺桥向宽度4.5 m，横桥向宽度2.8 m，为实心截面，混凝土材料标号为C55。塔上斜拉索采用分丝管锚固结构，塔上竖直方向的索距大约为1 m，主梁上水平方向的索距大约为4 m，全桥共设计斜拉索44对、共88根。该双塔单索面转体矮塔斜拉桥如图1所示。

图1 双塔单索面转体矮塔斜拉桥现场

桥梁斜拉索采用单层PE防护单丝涂覆环氧涂层钢绞线斜拉索体系，单根钢绞线直径15.2 mm，抗拉强度1 860 MPa，弹性模量1.95×105MPa。斜拉索规格分别为 43-ϕs15.2、55-ϕs15.2、61-ϕs15.2，采用钢绞线拉索群锚体系。每套斜拉索包含拉索及两端锚头、螺母、减震器、抗滑键配套系统、保护罩和防水罩的成套制品，如图2所示。外层防护采用双层双螺旋线HDPE护套。斜拉索在塔上的锚固方式采用钢绞线在塔上通过集束钢管贯通(分丝管索鞍)锚固方式。斜拉索及索鞍相关构造要求在工厂制造，以成品形式运抵安装。

图2 斜拉索构件

2.2 拉索施工重难点分析

(1)安全风险高

该转体桥跨越京九、昌九铁路，平均4 min就有一趟列车通过，拉索安装吊装时距离既有线较近，要做好安全防护，防止拉索滑落掉入营业线内，同时要注意吊装安全。

(2)分丝管索鞍安装难度大

因分丝管索鞍每根角度、高程都不相同，施工中一点小小的偏差都会影响斜拉索受力和成桥后的线形，而分丝管索鞍安装在索塔上定位精度要求高，施工难度大。

(3)预应力体系复杂，拉索张拉控制难度大

本桥梁体采用三向预应力体系，分多次张拉，预应力张拉控制难度大，现场采用智能张拉设备，保证张拉值满足设计要求。斜拉索张拉采用单根等值张拉法施工。

3 斜拉索施工关键技术

3.1 临近既有线斜拉索施工风险与控制技术

3.1.1 斜拉索挂索施工安全风险

(1)吊装斜拉索上桥时，吊车机械可能邻近铁路或侵入铁路线安全红线内，危害行车安全。

(2)斜拉索展开时一端可能会从桥面掉落，触碰接触网线或者掉落在钢轨上危及行车安全。

(3)斜拉索安装时，利用汽车吊或卷扬机吊装HDPE保护管时，可能会发生物件掉落危害行车安全。

3.1.2 斜拉索施工防护措施

斜拉索穿索前先安装斜拉索外护套管，斜拉索外护套管采用汽车吊配合卷扬机进行吊装，梁顶面设置一台20 t汽车吊，先固定塔端，再固定梁端。为了施工安全，还需采取以下施工方案与安全措施:

(1)梁顶汽车吊布置在远离既有线一侧。

(2)斜拉索均设置在索盘上，索盘从远离铁路线的一侧，通过吊机提至桥面，桥面上设置运输小车，及时将索盘运至指定位置。

(3)斜拉索展开时，靠近铁路线一侧沿铁路线在桥面上设置隔离装置，防止斜拉索在展开过程中超过隔离线。

(4)斜拉索外护套管吊装前检查吊点情况，并设置安全绳，限制斜拉索保护管吊装过程中的活动范围，防止掉落触碰营业线接触网线或者掉落在轨道内。

(5)斜拉索吊装外护套管时统一信号指挥，汽车吊与卷扬机同步，待塔端固定后，检查固定情况，无误后拆除主吊点及牵引吊点。

(6)挂索前桥面清理到位，无杂物等。

(7)单根穿索完成后及时张拉，保证保护套管不滑落。

3.2 分丝管索鞍安装控制技术

因分丝管索鞍每根角度、高程都不相同，施工中一点小小的偏差都会影响斜拉索受力和成桥后的线形，而分丝管索鞍安装在索塔中施工难度大，定位精度要求高。施工采用了劲性骨架定位，确保分丝管索鞍的精确安装。

安装时应首先确定分丝管索鞍锚垫板底面中心与劲性骨架之间的水平接触点的设计标高。采用悬吊钢尺找平法，从主梁高程基准点测量水平接触点标高，将支撑导管的型钢焊接在索塔劲性骨架相应标高上；使用全站仪采用两测回的极坐标放样法，在调整高度后的型钢上放样两个水平接触点的设计平面位置，并放样导管的设计坡度，确定导管的空间位置(x、y、z)。用全站仪复核，验证导管外顶面的三维设计坐标，确保误差小于±5 mm，并逐步调整到位。分丝管索鞍测量定位安装如图3。

为保证塔柱斜拉索套筒的安装精度，采用两次定位。首先，安装定位架，临时定位钢套筒，然后安装调整套筒的微调装置，用全站仪通过微调装置进行调整，直到钢套筒上下开口的三维坐标满足要求，进行最终锁定。

3.3 单根挂索

3.3.1 挂索流程

钢绞线准备→牵引绳从两端锚具穿出预埋管口→前端钢绞线穿过后端HDPE套管→前端钢绞线穿过塔端分丝管→前端钢绞线穿过前端HDPE管→前端钢绞线与前端穿出的牵引绳连接→前端钢绞线穿过前端锚具直至满足工作长度需要→后端钢绞线与后端牵引绳连接→后端钢绞线穿过后端锚具直至满足工作长度需要→重复以上步骤，直到全部挂索完成。

3.3.2 控制措施

(1)为保证钢绞线在穿挂过程中外PE层不被损坏，在桥面穿索区内设置保护措施，如架设木板、铺设彩条布等，同时要派专人进行观察。

(2)为防止钢绞线打绞和两端锚具有错孔情况，穿索前应对每个锚孔进行编号，穿索时按从上到下(上排孔到下排孔)的顺序进行，同时要注意检查穿索时是否有错孔和打绞情况发生。

3.4 单根张拉

单根张拉(见图4)原理是等值张拉，通过等值张拉实现挂索索力的均匀性控制。

(1)安装整体反力架，注意反力架顶板孔位要与锚具孔位一致。

(2)传感器安装。根据设计要求在拉索体系中布置磁通量传感器对索力进行长效监测，单根穿索时分别将磁通量传感器穿入钢绞线，如图5所示。

图5 单根传感器安装

(3)安装单孔工具锚、YDCS160-150千斤顶、工具夹片。在钢绞线适当部位做好测量基点。

(4)张拉。先张拉预紧不带抗滑键一侧，保证抗滑键与分丝管锚垫板紧密接触再同时张拉、分级加载，至5 MPa开始测量初始伸长值，最后一级张拉力用压力表控制，敲紧工具夹片，记录传感器读数。

(5)以后每根钢绞线在张拉至比前一根的油压少1 MP时，读取传感器的变化值，计算出该根钢绞线控制力，按计算控制力进行张拉。完成张拉后测量最终伸长值。装工作夹片，卸压至3 MPa时锚固，并测回缩值。

(6)完成最后一根钢绞线张拉后，对安装传感器的钢绞线进行补拉。

3.5 全桥单根循环调索

本桥转体合龙，调索工作要在二期恒载上完且体系转换完成之后进行。采取单根调索措施，调索索力根据索力测试结果和指令进行，调索工艺与单根张拉相同。为避免抗滑键紧贴分丝管锚垫板而造成索力偏差较大，调索时先张拉带抗滑键的一端。全桥循环调索，直至桥梁线形及索力符合设计要求，如图6所示。

图6 单根调索

3.6 索力监测创新与索力控制效果

拉索索力的大小直接决定整个结构的受力状态，无论在施工阶段或是运营阶段斜拉索都发挥着关键的作用。众多的学者研究，大多数的斜拉桥事故都是因为施工阶段、成桥阶段索力的优化单一以及对各阶段的索力控制精度不足、误差较大等方面造成。通过对现场索力监测，控制斜拉桥各施工过程中索力大小及其偏差符合要求，确保施工安全。由于主桥为对称结构，故分析1号塔斜拉索索力误差情况(主要为两次张拉调索后索力的实测值与理论值对比分析)，来检验索力控制效果。

3.6.1 现场索力监测创新

综合考虑经济性、准确性，现场索力监测创新采用锚索计法和频谱法相结合的监测方法。锚索计法，可以进行长期在线索力监测，精度高但价格昂贵。因此现场索力测试，在短索S1～S3的S1、中长索S4～S8的S4、长索S9～S11的S9中分别布置一个锚索测力计，定期采集索力数据。频谱法测索力是目前测量斜拉桥索力应用最广泛的一种方法，具有操作简单、费用低并且设备轻便，特别适用于索力的复测，但是忽略垂度和抗弯刚度的影响，用简单的弦振理论计算索力，会带来不可接受的误差。考虑到锚索计法精度更高但设备有限，后续还需要多次频谱法复测，本文基于锚索计法测得索力值对频谱法结果进行误差修正，取多次测试的误差均值算出修正系数，最后通过修正后的索力来反映现场实际索力，达到节约成本、经济性好的效果。

现场实测数据分析得知:由于实际拉索垂度和抗弯刚度影响，频谱法测得索力结果存在一定误差，其中短索索力测试结果误差较大，中长索其次，长索最小；锚索计法测得的索力值能精确反映实际索力，需用锚索计法测得索力修正频谱法测得索力值，短索S1～S3、中长索S4～S8以及长索S9～S11修正系数分别为4%、3%、1%。频谱法索力修正见表1。

表1 锚索计法修正频谱法索力

3.6.2 第一次张拉后索力控制效果

(1)第一次张拉后索力误差分析

在明确合理成桥索力的基础上(计算的合理成桥索力与设计图纸提供的成桥索力最大偏差＜5%)，对成桥模型进行倒拆分析，得出索力理论值与第一次张拉后索力修正值对比分析见表2。

表2 斜拉索第一次张拉索力误差

第一次张拉后索力与其对应理论索力进行对比，偏差均在5%以内，满足要求。

(2)斜拉索一张后主梁应力分析

主梁施工至斜拉索第一次张拉时，此时主梁最大压应力为11.73 MPa＜0.70fck＝22.37 MPa，最大拉应力为 0.54 MPa＜1.15ftk＝2.84 MPa，满足要求。受力情况如图7所示。

图7 斜拉索第一次张拉主梁上、下缘应力

3.6.3 第二次张拉后索力控制效果

(1)第二次张拉后索力误差分析

第二次张拉后索力修正值与理论成桥索力进行对比(见表3)，偏差均在5%以内，满足要求。

表3 斜拉索二次张拉索力与理论成桥索力误差分析

(2)斜拉索二张后主梁应力分析

受力情况如图8所示，主梁施工至斜拉索第二次张拉时，此时主梁最大压应力为10.67 MPa＜0.70fck＝22.37 MPa，最大拉应力为 0.01 MPa＜1.15ftk＝2.84 MPa，满足要求。

图8 斜拉索第二次张拉主梁上、下缘应力

4 结论

采用以上技术，目前该桥已安全转体合龙，斜拉索已完成张拉，应力、线形等符合设计要求，并得以下结论:

(1)采用梁顶面汽车吊布置在远离既有线一侧等措施，确保了临近既有线斜拉索施工安全。

(2)分丝管索鞍安装难度大，采用劲性骨架定位，确保分丝管索鞍的精确安装。

(3)采用两次张拉调索技术，通过第一次张拉后索力及第二次张拉后索力修正值与其对应理论索力的对比分析，偏差均在5%以内，满足规范要求，斜拉索的受力分布情况较为均匀，受力状态合理，确保了桥梁的线形、内力达到设计要求。

(4)索力监测创新采用锚索计法和频谱法相结合的监测方法，利用锚索计法修正频谱法索力监测误差，为桥梁运营期索力精确监控提供依据。