高强低松驰平行钢丝斜拉索在单索面斜拉桥中的安装技术应用

高强低松驰平行钢丝斜拉索在单索面斜拉桥中的安装技术应用

李剑

中国铁建港航局集团有限公司第四工程分公司

摘要：宜宾过境高速岷江特大桥主桥采用墩塔梁固结、双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，拉索采用高强度平行钢丝单索面体系等特点。其中斜拉索的安装及张拉成为本工程施工的控制重点，由于斜拉索自重比较大，在安装时难度比较大。本文结合工程实践，简要介绍斜拉桥高强平行钢丝斜拉索工艺特点及要点，希望能够提升斜拉桥拉索工艺水平，保证施工质量，为相关行业提供一定的参考。

关键词：斜拉桥；高强平行钢丝；安装技术；斜拉索张拉

1、前言

斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，目前预应力砼斜拉桥斜拉索索体均为钢索，它基本上是由高强度钢丝、钢筋、钢胶线按一定的规律编成钢束。钢束排列整齐、规则，每根钢丝或钢绞线受力均匀，断面紧密，每根斜拉索由索体及锚具两部分构成。国内采用较多的斜拉索索体为平行钢丝或平行钢绞线2种，平行钢绞线多采用现场循环交替穿束形式，但平行钢丝基本采用工厂集中加工模式，质量更易控制，因此平行钢绞线和平行钢丝在斜拉索施工工艺存在较大差别。由于施工环境及结构形式不尽相同，需要结合工程项目自身特点等实际情况制定相适应的施工艺，采取合理有效措施保证斜拉索施工中的安全质量。

2、工程概述

宜宾过境高速公路岷江特大桥主桥采用墩塔梁固结，为双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，主跨为288米，边跨为116米，边跨侧各设一辅助墩。本桥斜拉索采用PES（FD）7-139~PES（FD）7-211 规格的双层HDPE防护底应力平行热镀锌钢丝成品拉索，斜拉索应力具有不小于2.5倍的安全系数。梁上纵向索距，中跨索距6米，边跨悬浇段索距6米，支架现浇段3米；横向索距2.2米；塔上竖向标准索距为1.6米，横向0.9米，钢丝直径7毫米，钢丝标准强度为1670MPa，设计最大索力5010kN。为保护索体不受损伤，每索下端离梁面2.5米高范围外包不锈钢，斜拉索共计88对176根，最长索约155米，最大拉索重约11吨，全桥总重约890吨。

图1 拉索结构示意图

图2 新型低应力防腐拉索断面示意图

3、单索面斜拉桥平行钢丝拉索施工方案选定

斜拉索为主要受力杆件之一，其施工质量决定了全桥结构受力状态的合理性和良好的使用寿命，斜拉索的安装要求施工细致及有较高的安全度，在安装过程中不能损坏拉索外包HDPE防护层，又要保证临时平台、设备机具正常使用，要求操作简单、视野清楚，各临时平台受力合理，特别注意施工人员的安全。

斜拉索施工关键流程：（1）斜拉索运至桥面；（2）斜拉索桥面上展索；（3）拉索塔端挂设锚固；（4）拉索梁端牵引锚固；（5）梁、塔端分别安装千斤顶进行张拉；（6）按照监控指令分次张拉调索。

本桥斜拉索施工与其它桥型对比，主要有以下特点：

①本桥为单索面斜拉桥，拉索直径较大（最大为211mm）,单位重量大、成盘直径大，起吊运输较为困难。由于单索面体系塔端两根索距与主梁端索距不一致，拉索构成为三维体系，索体不在一个面上，要求定位精度高，锚点的偏差将引起梁体横向倾斜和塔顶横向偏位。

②本桥斜拉索单位自重大，挂索力最大为150t,斜拉索的设计张力最大501t,所有配套张拉、临时平台等设备安全风险较大。

③桥面宽度30米，两侧翼缘板平均厚度25cm,无法在桥面边缘单独安装起吊设备，只能依靠塔吊将拉索整体提升至0#块附近，并在桥面进行展索施工。

④本桥为不对称结构，而且主塔长细比较大且柔性大，索力误差对塔柱偏位影响大。

⑤主梁为三箱室倒梯形断面，塔柱为长方形箱体断面，因分次张拉要求，第一次张拉和第二次张拉在挂篮弧形首处张拉，待混凝土龄期和强度达到要求后，在塔内进行第三次张拉。

⑥因主梁工期紧张，在塔柱施工至第6处拉索锚固处，主梁开始挂索施工1#块，因主塔与主梁交叉同步施工，安全风险较高。

综合上述特点，经过多种方案比选，力争做到方案经济合理、安全可靠。在设备选型初期，配备相适应塔吊直接将索提升到桥面，在桥面配备25t汽车吊展索，塔顶安装临时施工平台进行索体张拉施工。所有拉索都是先挂设塔端，而后进行梁端挂设，索体张拉采用650t千斤顶对同一主塔两侧拉索对称同步张拉，通过千斤顶油表读数初步控制张拉力，利用监控单位频谱法和传感器精确进行索力调整，并且通过梁体标高和塔顶偏位复核索力。

4、单索面斜拉桥平行钢丝拉索施工工艺

4.1 总体安排

在塔柱施工至第6处斜拉索锚固处后，主梁1#块施工时，斜拉索开始安装，对于短索，其自重较轻、索长较短、索与梁夹角较大、垂度影响小，可直接采用塔吊牵引斜拉索，拉索张拉端锚头由塔吊牵引至对应套管附近，由塔内卷扬机带提吊头将锚头牵引到位并拧紧螺帽后即可进行张拉施工。

长索采取塔端软牵引挂设。由于斜拉索长度和重量的增加，其安装过程中的悬垂张力增大，需增设软牵引将斜拉索适当增长以减少悬垂时的张力。（施工时一般用P板、压套、钢绞线、锚具及夹片做斜拉索张拉端软牵引）当梁端锚头锚固好以后，用千斤顶利用软牵引将塔端锚头牵引出塔内锚板端面并将螺母旋满后，拆除软牵引，安装张拉设备进入张拉阶段。当一座塔同索号4根索均牵引到位后，4根拉索同步进行张拉到监控指定的拉力值，拉索安装的一次循环完成，待全桥合拢后最终进行一次索力调整，斜拉索安装工艺流程：

图3 斜拉索安装工艺流程图

4.2施工准备

4.2.1拉索进场、检验及相应防护工作

高强低松驰平行钢丝成品索采用工厂集中制作完成后，成盘包装，以汽车运至施工现场，用塔吊吊至主塔附近0#梁上，起吊及运输时注意对HDPE护管的保护，搭设离地40cm的平台，平台上铺设多层垫布，卸完用油布盖好，做好防水防火工作，拉索由塔柱附近移至桥面放索位置采用桥面上汽车吊机。

斜拉索出厂前按设计要求，对斜拉索有关性能进行检验。斜拉索到达现场后，查验并索取每根成品索的质量保证书（质量保证书含本批交货的数量、质量及各种检验结果）；如果进行了非常规试验，需提供检验报告。

4.2.2索导管处理及主塔各施工临时平台安装

斜拉索锚头外径与索套管的内径相差很小，挂索时极易产生位置偏差，从而造成锚头外螺牙和斜拉索HDPE保护套的损伤，因此斜拉索挂设前应对塔、梁端的索套管进行全面的检查，对索套管内的焊渣、毛刺等进行打平磨光。

塔顶临时施工平台支架主要是给塔外平台、塔顶桁车吊提供高空吊点及支撑，该支架主要由预埋件和型钢构成，预埋件在塔顶封顶前根据钢支架的外形尺寸定位预埋，待塔顶封顶后，钢支架整体用塔式吊机整提升到塔顶与预埋件焊接固结。钢支架系统分为共2套，每个塔顶部各安装1套。塔顶钢支架作为塔外平台、塔内平台、锚梁、拉索吊装时的主要受力构件，是由型钢横梁、立柱以及斜撑组成的框架式结构。塔顶平台的所有构件均应进行防锈、防腐处理，防止后期因为工期过长、构件锈蚀而影响平台的安全使用。

图4 塔顶临时施工平台钢支架示意图

塔内施工平台采用吊架结构形式，由布置于塔顶临时平台支架提供吊点，通过钢丝绳和桥面的10t卷扬机牵引，吊架左右各设一道用钢丝绳做成的竖向镀锌φ8钢丝绳作为安全绳

4.3斜拉索的运输、起吊上桥面

根据斜拉索安装计划，斜拉索制造厂将验收后待交付的斜拉索运至相应的摆放位置。斜拉索采用塔吊或汽吊提升上桥面置于塔柱附近上。由于轻索不带钢盘直接捆绑成盘，整体提升上桥面时须用吊带直接绑在斜拉索HDPE上，为避免起吊过程中斜拉索HDPE损伤，起吊时采用大直径纤维绳或者柔性吊带。

4.4斜拉索在桥面进行放索展索

小于6t的短索，可以直接利用塔吊从桥面上放索，安装时不需要软牵引，直接将索头吊至索导管口，用卷扬机下放带有提吊头的钢丝绳与锚头连接，牵引锚头将大螺母拧上3丝以上，然后用塔吊将另一端锚头放出，通过卷扬机走滑车组拖锚头至梁端，用汽车吊吊装就位、锚固，按监控要求对称进行斜拉索张拉。

由于斜拉索长度和重量的增加，大于6t的长索其安装过程中的悬链张力增大，需通过加长张拉杆牵引适当增加索长，以减少悬垂时的张力。

斜拉索由桥面汽车吊将斜拉索吊起，平板车移至放索区域进行展索操作：

①利用专用放索盘放索，锚头运输车用于斜拉索在桥面移动，由梁面的卷扬机提供动力系统用于牵引锚头前移。斜拉索在展索过程中由于本身柔性体和特有的刚度，为防止斜拉索牵引过程中任意点的前移和摆动自然，方便斜拉索在桥面的移动及展开，避免斜拉索与桥面的直接接触而挂伤斜拉索HDPE套。斜拉索在桥面移动时采用放索小车，小车分为：锚头小车、张拉杆运输小车和托索小车。

图5利用展索小车放索示意图

②塔顶支架或者塔吊提升锚头，放松斜拉索，将塔端锚头提升一定高度后，缓慢落钩将塔端锚头置于锚头小车或者方木上。

③在塔端锚头处安装组合张拉杆及夹具，并与塔顶施工临时平台门架连接为一整体。

④在塔顶滑轮组的作用下将斜拉索提升到索导管口处，同时塔内下放牵钢绳，并将其与张拉端头连接。

⑤用塔吊和塔顶滑轮组调整好斜拉索张拉端与索导管的角度，在塔顶卷扬机的牵引下将锚头牵引至锚垫板处，临时锚固张拉杆，塔吊松钩，拆除连接夹具。

⑥在剩余斜拉索的桥面部分安装夹具，用塔吊提升斜拉索后部，将剩余斜拉索在桥面全部展开。

⑦梁端锚头置于方木上，再用汽车吊吊起顺着桥面卷扬机方向慢慢摆动，并与桥面牵引卷扬机的钢丝绳连接，卷扬机牵引锚头缓缓前行，同时塔吊缓慢下放斜拉索，并将其置于方木上，斜拉索的展索全部完成。

4.5斜拉索牵引和计算

根据斜拉索的长度L，上下两端索孔锚垫板中心几何距离 ，可估算出牵引力为T时，拉索上端离塔柱上相应索孔锚板端面的距离ΔL。

注：ΔL－牵引力为T时拉索上端距离塔柱上相应索孔锚垫板端面的距离；

L－斜拉索长度；L0－上下两端索孔锚板中心的几何距离； －斜拉索单位长度重量；LX－L的水平投影；T－牵引力；A－钢丝截面积；E－弹性模量。

施工前根据设计提供的索力及斜拉索相关技术参数，对每对索张拉端螺母旋平锚杯时的牵引力进行计算，确定张拉杆型号和长度。

4.6斜拉索塔端安装

①安装张拉端软牵引及吊点夹具

在主塔内对应斜拉索的锯齿块处，将塔端锚头螺帽和牵引用的撑脚安装好，将主塔内卷扬机的钢丝绳经主塔内腔，依次穿过撑脚，锚头螺帽，再通过主塔的索导与斜拉索的塔端锚头处的张拉杆连接为一个整体。

②斜拉索空中牵引至相应的索道管并锚固

用塔吊的吊带连接吊点夹具，在主塔钢架滑轮组的牵引下，将斜拉索牵引到相应索道管附近，塔内卷扬机钢丝绳连接斜拉索的张拉接长杆，张拉杆进入索道管，并将张拉杆锚固在哈弗螺母上。在牵引斜拉索时，将牵引夹具夹在锚头附近的斜拉索处并在斜拉索上包上一层土工布，为防止挂设塔端斜拉索时损伤斜拉索的外保护层。

4.7斜拉索梁端安装

斜拉索快放完时，桥面利用汽车吊将索头吊起，放出锚头，并将锚头放至方木上，安装吊点夹具，用桥面卷扬机走滑车牵引斜拉索，当锚头拉近锚固点后，利用吊车吊起锚头并锚固，同时继续牵引锚头到位，拧紧大螺帽。

图6斜拉索梁端牵引

4.8斜拉索张拉

4.8.1 索力均匀性影响因素：

① 环境温度变化张拉力的影响；

由于主桥是个复杂结构，受环境温度影响比较敏感，而且施工需要时间比较长，温差变化以及风等环境因素会导致索塔和主梁发生变化，所以正在安装的拉索即时控制应力与理论计算所得到的控制应力有较大的误差。

② 环境风载作用对张拉力的影响；

③ 临时荷载对张拉力的影响；

④ 人为操作对张拉力的影响。

4 .8.2张拉系统

为了保证单束拉索应力满足设计要求，施工中每根斜拉索索力误差不超过±2﹪，成桥后每根斜拉索不超过±1﹪，张拉时严格按工艺控制进行，而且施工前必须提供以下项目：斜拉索安装控制张拉力，该值由监控单位以监控指令形式提供给安装施工单位；斜拉索安装控制张拉力作用下，斜拉索锚固点计算相对位移量（或变形量），是该索所在竖直平面内下端锚点竖向位移和上锚点水平位移，由监控单位临时给出；主梁相应截面的相关物理参数，该参数一般根据设计而定；斜拉索索体几何和物理参数，由斜拉索产品供方提供。

施工过程中拟采用组合张拉杆系统进行牵引张拉，根据拉索索力大小选择适合的张拉千斤顶。

图7斜拉索张拉系统示意图

4.8.3张拉程序

①斜拉索张拉时，采用中、边跨两侧斜拉索对称、同步张拉。两侧斜拉索的设计索力不同时，按照设计索力分级同步张拉，对应斜拉索各千斤顶同步之差小于油表读数的最小分格，索力中值误差小于±2%。

②同一主梁的中、边跨斜拉索张拉时应同步分级均衡缓慢加载，分级张拉程序为：0→0.2σ→0.8σ→1.0σ；

③施工单位收到张拉指令后，依据千斤顶校顶报告上的线性回归方程，提前计算出每一根索对应索力的油表读数，并由项目部技术主管进行审核，确认无误后，将张拉操作指令以书面交底形式对斜拉索作业单位进行交底并留档。

④斜拉索分三次张拉完成。在挂篮行走到位绑扎底板钢筋之前进行第一次张拉；主梁混凝土浇筑完成一半时进行第二次张拉；主梁体内预应力全部张拉完成后进行第三次张拉。三张完成后，将主梁上的锚头螺帽拧紧，即完成斜拉索索力由挂篮转换到主梁上。每一次的张拉索力和塔柱位移允许值均由设计和第三方监控单位提供，并以斜拉索张拉施工指令的形式给施工单位交底。

⑤拉索张拉过程中，监控单位现场对张拉索力进行测量，确保张拉索力满足设计及规范要求。测量班全程对塔柱位移、主梁高程进行监控，确保塔柱位移和主梁高程在设计允许值范围内。如张拉过程中发现异常情况，应立即停止作业，查找问题所在，并向有关方报告异常情况，待问题解决后再进行张拉施工作业。

⑥斜拉索从一张到三张的数据都应做现场记录。三张结束，在确保无误后，可即拆除张拉设备，进入下一阶段的施工准备。

张拉前后应对桥面高程、塔顶偏位情况进行测量，并做好相关记录，测量结果应与模型情况进行对比，若出现偏位情况要立即查明索力是否正确。

4.9斜拉索测量与控制

斜拉索力是斜拉桥施工监测的重要内容，直接关系结构的成桥内力和线形目标的实现。斜拉索力监控内容主要有斜拉索施工张拉时张拉力的控制，成桥时各斜拉索索力的测量与控制等。斜拉索施工张拉时张拉力的控制主要用张拉斜拉索的千斤顶的油压表的数值进行控制，已有斜拉索力的测量采用频率法进行。

进行二次恒载的加载，此时根据桥面线形和拉索实际索力，对全桥斜拉索应力和主桥线形进行大调整，基本上完成该桥在恒载前提下的使用过程中的实际索力，调整亦按照张拉设备安装高度(斜拉索轴线方向上)来控制。

斜拉索调索时，积极配合现场健康监测、施工监控等实施单位，把索力调至设计索力。调索要求“均匀、对称、分次、循环”施工，一般采用三种控制目标：①索力控制；②挠度控制；③索力与挠度双控。调索后主梁标高恢复到原合龙状态，使桥面线型流畅，索力均匀，梁结构也能处于较佳工作状态，基本消除徐变、非线性影响，使索力、主梁应力、索塔应力都处于安全的工作范围内。

5、单索面斜拉桥平行钢丝斜拉索实施效果

斜拉桥施工需要复杂的施工技术，平行钢绞线施工工艺复杂，安全性、稳定性要求很高，岷江特大桥项目制定科学合理的控制施工技术和施工工艺，使成桥达到设计目标的要求。项目重视斜拉桥建设和施工中的关键工序斜拉索张拉施工，采取有效的措施和科学的施工方法，合理控制斜拉索张拉过程，保证各环节施工安全规范操作，确保钢绞线下料长度和拉索PE护套的剥除长度达到设计要求，确保单根钢绞线索力均匀、准确，确保高质量、高效率施工。

6、结束语

综上所述，本文主要针对斜拉桥平高强低松驰平行钢丝斜拉索安装进行探讨，指出斜拉索的施工要点、施工注意事项以及施工控制的问题，并指出了相关的解决措施和工艺流程建议，希望能提高斜拉桥工程项目建设质量和使用寿命，为斜拉桥施工项目提供一定的参考。

参考文献

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