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2000米级悬索桥的若干施工技术问题与建议

2022-01-29长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室张永涛杨建平彭成明张耀

中国公路 2021年23期
关键词:主跨主缆吊机

文|长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室 张永涛 杨建平 彭成明 张耀

近年来,国内外在建和规划的多座悬索桥均实现了2000米的跨度,这对更高索塔、超长主缆、长大节段主梁等提出了更高要求。2000米级悬索桥建设的关键问题是主缆和主梁的架设效率、质量和安全。其中,猫道设计,需重点解决承重索、猫道宽度和结构、作业空间、人员施工舒适性等问题;主缆架设,主要通过机构优化、智能化措施,提升索股牵引和线形调整效率及质量;主梁吊装设备,需主要解决提升能力、行走速度、同步性控制等问题。总体而言,自动化和智能化是提高工效、提升质量、保障安全的主要解决途径,大跨猫道结构、主梁施工期风致振动及安全评估是核心问题,未来,新材料、新工艺、新设备的应用有望推动悬索桥跨度进一步发展。

国内外悬索桥的建设现状

在悬索桥的四次大规模建设热潮推动下,其对应的施工技术也在不断创新。

主缆施工方面,以空中纺丝法(AS)和预制平行钢丝索股法(PPWS)两种工法为主。其中在国外,美国和欧洲等国家广泛应用AS法,代表性工程有首座真正意义上的悬索桥威廉姆斯堡桥、金门大桥和丹麦大贝尔特东桥(The Great Belt)。日本多采用PPWS法,代表性工程有日本本四联络桥上的多座悬索桥和明石海峡大桥。在国内,我国借鉴日本以“双(单)线往复式-门架系统”的PPWS法为主,实现了五峰山长江大桥直径1.3米的主缆索股架设纪录,而AS法在我国香港青马大桥和贵州阳宝山大桥也有应用。

主梁施工技术方面,国外以缆载吊机架设法为主,少数项目采用了浮吊架设法和桥面吊机架设法,仅法国沙瓦农桥(Chavanon)采用了荡移顶推法。国内方面除沿用国外已有架设方法外,又创新了多种工法,如湖南矮寨大桥采用了轨索移梁技术、华丽金沙江大桥采用了1400米级缆索吊装技术、湖北巴东水布垭清江特大桥采用了缆载吊机带梁行走架设法、重庆鹅公岩轨道专用桥采用了“先斜拉后悬索”主梁架设工艺等。

目前,土耳其在建恰纳卡莱1915大桥(1915 Canakkale)主跨突破2000米(2023米),是首座2000米级的悬索桥,预计2023年建成通车。与此同时,我国近期规划的多座悬索桥(张皋过江通道2300米、狮子洋过江通道2180米)也实现了2000米级的突破。

对于2000米级悬索桥上部结构需重点研究的技术问题共三点:首先,超长猫道的设计与施工,猫道跨度大,对猫道设计提出了高要求;猫道材料多,对猫道架设速度提出了高要求。其次,超长主缆的架设,索股数量多、长度长,对牵引速度和施工质量都提出了新要求。最后,加劲梁数量、重量大大增多,对吊装设备性能提出了更高要求。

现代悬索桥大规模建设的四次热潮

第一次热潮,美国从1903年主跨488米威廉姆斯堡桥(Williamsburg),到1937年主跨1280米的金门大桥(Golden Gate),平均每年跨度增长23.3米。

第二次热潮,欧洲从1959年主跨608米的法国坦卡维尔桥(Tancarville),到1981年主跨1410米的英国亨伯尔桥(Humber),平均每年跨度增长36.5米。

第三次热潮,日本从1962年主跨367米的福冈若户桥(Wakato Ohashi),到1998年主跨1991米的明石海峡大桥(Akashi Kaikyo),平均每年跨度增长45.1米。

近年来,我国正处于第四次悬索桥建设热潮中,从1994年主跨452米的汕头海湾大桥,到2019年通车,主跨1700米的杨泗港长江大桥,平均每年跨度增长高达49.9米。

对比四次建设热潮可以看出,单从建造速度方面,我国悬索桥是处于领先地位,但从四个阶段的发展趋势来看,悬索桥跨径的增长比例却在减缓(57%、23%、10%)。若我国能在2026年完成主跨2300米的张皋过江通道建设,将打破这一趋势,届时,我国悬索桥平均每年跨度增长将达到57.8米,跨度增长比例可达28%。

2000 米级悬索桥猫道主缆施工关键技术

部分已建悬索桥猫道断面宽度

猫道设计与架设技术

猫道关键参数选择

2000米级悬索桥的猫道,在满足安全的前提下,技术层面更应关注使用性和舒适性。

猫道承重索应选择高强高弹模材料。在猫道承重索类型选择方面,我国已建悬索桥猫道承重索多采用多股钢丝绳,此类钢丝绳弹性模量(1.1至1.2×105兆帕)相对较小,在荷载作用下猫道竖向变形位移较大,且跨径越大这种现象越明显。2000米级悬索桥猫道若采用此种钢丝绳,在主缆牵引阶段,猫道跨中竖向位移可达2米以上,将影响正常施工。而国外大跨径悬索桥在猫道承重索的选择上更多样,如丹麦大贝尔特东桥和韩国光阳大桥(Gwangyang)猫道承重索采用钢绞线、日本明石海峡大桥猫道承重索采用强度为2000兆帕的镀锌钢丝、在建的恰纳卡莱1915大桥也采用了特殊的绳索,但性能未知。因此,未来在我国2000米级悬索桥建设中,猫道承重索除常规材料外,还应研究应用高强、高弹模材料。

猫道宽度宜大于5米。在猫道宽度选择上,目前我国悬索桥多取4米左右,而舟山西堠门大桥由于设计基准风速达到了每秒41米,猫道宽度取为4.6米,明石海峡大桥猫道更是达到了5.5米的宽度。为什么这两座大桥的猫道设计这么宽?一方面,满足工人作业空间、牵引系统通过性,以及在横风作业下主缆与猫道的相对位移要求;另一方面,更宽的猫道宽跨比增加,更能提升悬索桥的抗风性能。2000米级悬索桥猫道对风荷载作用更敏感,主缆直径也更大,因此猫道宽度宜大于5米。

猫道面层与主缆中心距离宜大于1.7米。随着主缆直径的增大,主缆中心距猫道面层的高度不断增大。2000米级悬索桥主缆直径在1.2米左右,若按经验仍取猫道中心到猫道面层为1.5米,将使现有紧缆机和缠丝机设备通过性受限,影响紧缆和缠丝工效。为此,2000米级悬索桥猫道面层与主缆中心距应取更大值。这也将带来施工人员调索需要“踩凳子”的问题,对此,可通过加强跨中处猫道防护来降低测量风险。

已建悬索桥主缆中心距猫道面层的垂直距离

土耳其恰纳卡莱大桥猫道承重索

表1 部分已建悬索桥主跨横向通道平均间距

猫道全断面下滑架设法示意

猫道更应关注人员施工的舒适性。现有研究表明,横向通道数量的增多并不能大幅度提升猫道抗风稳定性。通过调研已建悬索桥主跨横向通道间距发现,横向通道间距多在150米至180米之间,也侧向证明了横向通道间距在150米左右,猫道抗风稳定性可基本得到满足。对于2000米级悬索桥超长猫道,中跨施工人员需花费1.5小时至2小时才能走完,加上猫道在脉动风作用下的长期振动,人员很容易产生疲劳感和不适感,进而降低人员施工效率、增加安全风险。故2000米级悬索桥在猫道抗风性能满足的前提下,更应研究更合理的抑振措施,提高人员施工的舒适性。

猫道快速架设技术

2000米级悬索桥猫道长度的增加,虽然直观上施工难度并无明显加强,但会影响猫道架设总工期。按照目前国内猫道施工速度,2000米级悬索桥猫道施工工期预计在3个月左右,工期相对较长。因此,未来应研究2000米级悬索桥猫道快速施工技术。

笔者提出一种猫道全断面下滑架设新技术,即首先在架设猫道承重索时,将门架承重索架设到位。然后按照一定单元长度,采用传统下滑法在架设猫道面层、木方、横梁和横向通道的基础上,同时将猫道扶手立柱、侧网、托滚安装到位,猫道两侧扶手立柱间,采用绳索临时连接。接着猫道门架也同步挂设到门架承重索上,与猫道横梁连接。最后,整个断面下放,实现猫道全断面下滑快速架设。该方法将传统猫道架设的多道工序整合到一个工序中,一次性架设猫道系统的整个断面,一定程度上提高猫道的架设工效。

此外,在猫道架设期间,由于未形成整体结构,其抗风稳定性差,特别是在猫道承重索架设期间,因为风吹,承重索可能会缠绕在一起,影响施工进度。因此,未来2000米级悬索桥除研究猫道快速施工技术外,还应充分考虑猫道施工期间的防护措施,保证猫道架设期间的安全,如设置临时抗风缆等。

PPWS 法主缆施工技术

索股快速牵引技术研究

2000米级悬索桥主缆长度将达到4000米级别,单根主缆索股数量达到300根左右。索股长度的增加,还增大了牵引力。按目前悬索桥每分钟牵引速度20米至25米分析,2000米级悬索桥的一根索股,从上盘到锚头牵引,再到对岸锚碇,需用时约3.4小时,其中牵引耗时占整个时长的77%。因此,2000米级悬索桥提高主缆牵引速度是保证主缆施工工效的关键。

牵引力方面,以6毫米直径127丝的索股规格计算,2000米级悬索桥牵引力可达35吨,而现在的悬索桥使用的牵引卷扬机多在25吨或30吨,已不能满足牵引施工要求。因此,要实现2000米级悬索桥主缆索股快速牵引,研发大吨位、高速、高性能的卷扬机是首先要解决的技术问题。

某2000米级悬索桥一根索股牵引用时分析

此外,单纯地提升牵引速度还会带来一系列问题:牵引索更易从导轮组上脱空;拽拉器对导轮和门架冲击大;施工人员跟不上牵引速度;索股扭转现象加剧;缠包带破损加剧等。因此,2000米级悬索桥要实现主缆索股的快速牵引,本质上要改造提升整个索股的牵引系统。

索股高差智能化测量技术研究

现实状态下,影响主缆索股调索的因素非常多,如大风、大雾、大雨等恶劣天气,以及因气候造成的索股温差、索塔温度、索塔偏位等实际问题。就2000米级悬索桥而言,经计算,在同样的风速条件下,其索股横向位移远大于常规悬索桥。当索股横向摆动较大时,施工人员无法用“C”形卡尺测量待调索股与基准索股的高差,作业的窗口期比较短,影响调索速度。因此,对于2000米级悬索桥主缆调索,应研究将机器视觉动态识别技术或3D激光扫描技术等,引入到索股相对高差测量中,替代人工“C”形尺测量,实现大风环境下索股高差智能化测量。

紧缆机、缠丝机研发

紧缆、缠丝作业是保证悬索桥主缆施工质量的关键工序。紧缆机是在人工预紧缆后,将主缆挤紧、挤圆的专业施工设备。国内现有最大型紧缆机可紧主缆直径约1.3米。未来随着悬索桥主缆直径的增大,对紧缆机的紧固能力、设备尺寸、通过性等都提出了更高要求。因此,未来应研究更大吨位、更小尺寸、更高性能的紧缆设备,满足2000米级悬索桥的建设需求。

悬索桥单根索股在不同风荷载作用下的横向位移

缠丝是主缆防护工作的关键内容。主缆直径的增大对缠丝材料性能提出了较高的要求。因此,还需研发更高强度的钢丝,满足2000米级悬索桥大直径主缆的缠丝需求。此外,对于某些小净距双主缆的悬索桥若采用组合式索夹,缠丝机还需从常规的下部开合变为侧向开合,以满足索夹位置处的通过性。

未来应注重智能化紧缆机、缠丝机研发,实现“一键式”紧缆和“无人值守”缠丝。

主梁架设关键技术

总体架设工艺与关键技术问题

目前国内外大跨悬索桥,无论是钢箱梁、钢桁梁或组合梁,常用的架设方法主要有跨缆吊机架设法、缆索吊机架设法、桥面吊机架设法。

桥面吊机架设法源于日本明石海峡大桥,主梁采用全回转吊机散件拼装,架设顺序为从索塔至跨中,主梁之间采用大段铰接方式,悬拼过程需采用临时吊索辅助杆件安装,工艺复杂、工效较低、施工控制难度大。该工法仅在国内坝陵河大桥应用过,在2000米级悬索桥的应用优势不明显。

缆索吊机架设法在国内应用广泛,应用最大跨径为1386米的华丽高速金安金沙江大桥,额定吊重220吨。该工法显著特点是工效高、工艺简单、纵向和竖向运输方便,特别适用于山区等交通不便利地区的主梁架设。但对于2000米级悬索桥,缆索吊系统规模庞大、吊装能力受限,不具备工程应用可能。

跨缆吊机架设法在国内外应用广泛,近年来在国内发展迅速,杨泗港长江大桥和五峰山长江大桥采用双机抬吊,额定吊重达900吨;在建温州北口大桥采用单机吊装,额定吊重1000吨,为目前世界最大吊重缆载吊机。跨缆吊机架设法的不足是只能在满足通航条件的区域使用,需研发能带载行走的专用设备,实现全区域吊装。

对于2000米级悬索桥,目前多个规划项目均采用长大节段(20米至30米)主梁设计。

缆载吊机研发

单侧单缆缆载吊机

2000米级悬索桥的吊重和缆载吊机规格都需进一步提高,关键技术问题除了结构构造优化外,还需重点提升设备集成化、智能化程度。

单侧双缆分体式缆载吊机示意图

缆载吊机主横梁的主要优化方向是模块化和适应性。主横梁采用分段设计,段与段之间采用销接,其他连接采用高强螺栓栓接,到现场后拼接而成,实现模块化组装;适用性体现在主缆间距及吊点位置变化时,只需适当改造承重梁或中间桁架即可。此外,滚轮式行走机构,还需适应不同主缆直径,并顺利跨越主缆上的障碍物。

集成化主要体现在行走及定位吊装功能的机构集成,以及功能实现的控制系统集成。一体化液压泵站、控制室及液压提升、行走设备均布置于主缆之间的缆机主梁上;通过分布式计算机网络控制系统,主控台根据各种传感器采集到的位置信号、压力信号,按照一定的控制程序和算法,决定油缸的动作顺序,完成集群千斤顶的协调工作和同步控制。

智能化主要体现在基于传感器实时数据的智能控制,自动模式下缆载吊机一键开启或停止操作。同时,配置具备云功能的硬件单元,设备通过通讯元件自动连接Internet,结合云功能硬件的云平台(设备云)和云服务平台(服务云),实现远程运维、数据信息展示、大数据管理等功能。

单侧双缆缆载吊机

四主缆悬索桥在国外主要有乔治华盛顿大桥(George Washington)、维拉扎诺大桥(Verrazzano)等,这两座桥单侧两根主缆并排布置,中心距约2.74米。近期规划在建的狮子洋过江通道和燕矶长江大桥(主跨1860米)也都采用了单侧双主缆(中心距3米),全桥四主缆的设计方案。并排双主缆悬索桥主缆吊装设备要求,在上述单缆缆载吊机基础上,增加其行走支撑机构,保证其同时骑跨在4根主缆上。另一方面,根据提升系统从主缆内侧、主缆中间、主缆两侧下钩的方式,可研发多种适用于并置双缆悬索桥主梁吊装的缆载吊机。此外,并排双主缆相比于单主缆,缆载吊机提升系统可两点支撑于主缆上,自稳性比较好。因此,应研究取消横梁的分体式缆载吊机,在并排双主缆上的应用。

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