斜拉桥施工讲义4―拉索

1斜拉桥施工技术—斜拉索斜拉索系一种柔性拉杆，是斜拉桥的重要组成部分。斜拉桥梁体重量和桥面荷载主要由拉索传至塔、墩，再传至地基基础。当今国内外各类斜拉桥所用的斜拉索主要采用经多种防腐处理制作的高强平行钢丝和平行钢绞线两种拉索。2平行钢丝拉索概述平行钢丝拉索是经涂脂处理后按正六边形或缺角六边形平行并拢定形捆扎并轻度扭绞成束后，加缠高强度聚脂包带和热挤高密度聚乙烯塑料(简称HDPE)护套或染色PE护套，再于两端安装钢套管和锚具。1968年5月在美国新港悬索桥上第一次应用平行钢丝索，从此大跨径桥梁建设所需的高强材料实现了一大飞跃。1986年我国在广东九江大桥2×160m跨的独塔斜拉桥上，采用了由当时的湖南路桥总公司与重庆交通科研所在工地共同研制出的我国第一根热挤PE防护扭绞型平行钢丝拉索(又简称PWS索)，这为我国在这一领域的开拓和发展奠定了可贵的基础。历经近20年的发展，我国拉索的设计和生产进入了国际先进行列。已建南京长江二桥拉索最长为337m，重27000kg由241φ7mm高强钢丝组成；在建的江苏苏通长江大桥，主跨1088m，最长索约582m，索径170mm，索重达65000kg。3平行钢丝拉索结构平行钢丝拉索的结构体系可分为三个主要部分。①锚固部分：又分为张拉端锚固与固定端锚固两种形式，其中张拉端锚固由锚筒、锚圈、锚垫板、防护罩等组件组成；固定端锚固由锚饼、锚垫板、防护罩组成。②过渡部分：由钢导管、锚筒过渡延伸钢管、减振器、防水罩等组成；③中间部分：由高强钢丝、玻璃丝带、PE防护、缠包带等组成。近年来拉索制作技术已发展到内层与外层两层PE防护套一次热挤成型，无须再用外层缠包带。单根圆钢丝直径常用5mm、7mm两种，钢丝抗拉标准强度Rb不少于1570MPa；锚具一般采用冷铸镦头锚，以1~2mm的淬硬钢球、环氧树脂铁砂、矿粉、固化剂、增韧剂等材料冷铸而成。拉索制作好后，卷盘运至建桥工地，放索、牵引、安装、张拉，通过索力调整完成拉索的张挂受力。拉索制作有工厂制作与施工现场制作两种形式。目前一般采用工厂制作形式，因为工厂制作，拉索质量容易得到控制。放索有水面放索、桥面放索、桥侧放索三种施工方法。拉索的挂设方法有吊点法、硬牵引法、软牵引法、承重导索法四种。拉索的张拉有一端张拉一端锚固与两端张拉两种。4平行钢丝拉索结构平行钢丝拉索成品索断面图平行钢丝拉索冷铸镦头锚构造图5钢绞线拉索概述钢绞线拉索是现代斜拉桥拉索中日渐常用的一种。1978年法国建造的勃洛东纳桥，主跨为(143.5+320+143.5)m，首次采用60φj15.2mm钢绞线拉索，应用至今已有26年。在近20年中，钢绞线拉索在欧美、日本等国家得到了广泛的应用。我国1980年在广西红水河修建的主跨96m的铁路桥，首次采用了10φ5.2mm钢绞线作拉索，锚具采用的是销式组合锚具。采用自锚体系夹片式群锚作为钢绞线锚具的新型拉索，在我国应用还不到10年，最早是在湖南的浏阳河大桥上使用，因其材料强度高(抗拉强度大于1860MPa)、牵挂索容易、张拉机具吨位小而有一定优越性。钢绞线拉索的锚具，早期采用的是销式组合锚、弗氏锚、楔型锚等。随着锚具的不断开发、研制、创新，国外有Fressgent和VSL公司先后研制了自锚夹片式群锚体系；国内有HVM、OVM、VSL等厂家生产的自锚夹片式群锚，均广泛地应用于钢绞线拉索的锚固上。这种锚具退锚方便、锚固效果好、操作简便。但钢绞线斜拉索的锚具、夹片、钢绞线三者的工作性能以及拉索在低应力状态或高应力幅与振动疲劳作用下易出现夹片松动导致滑丝现象，值得引起计者与施工者密切注意。一般而言钢绞线拉索的制作方法是在工厂先进行单股钢绞线下料、热挤PE护套，再卷盘运至工地组装，最后进行整索防护。也有在工厂内将单股钢绞线束外涂防锈油脂或镀锌或喷铝后，运至建桥工地，现场下料、穿束、形成钢绞线拉索，再现场进行拉索的防护。因单股钢绞线重量轻，束径小，柔软性好，安装、放索均方便，故常采用桥面进索施工方法。即先安装HDPE套管与两端锚具，然后逐股单根牵挂、单根张拉，最后整索张拉调整索力。6钢绞线拉索结构钢绞线拉索的结构体系由两端的锚固段，隐埋在塔、梁内部的过渡段和外露部分的中间段三部分组成。锚固段分张拉端与固定端，由锚环、锚圈、锚垫板、防水装置，保护装置等组件组成；过渡段组成与平行钢丝拉索相同；中间段由钢绞线、内防护、外防护组成。钢绞线由7根直径5mm或7mm的圆形钢丝绞制成单股钢束，各单股钢束平行排列，形成钢绞线索。单根钢丝标准抗拉强度Rb1860MPa。国外的钢绞线，如美国、日本，目前已发展到Rb2000MPa。钢绞线拉索的防护有两种形式：一种是有粘结刚性防护，即将整根拉索穿人一根外套管中，外套管与钢绞线之间压注水泥浆液，因其防护效果欠佳，且换索不便，目前已很少使用，另一种是无粘结柔性防护，又有3层、4层防护之分，是将每一根钢绞线束外涂防锈油脂或镀锌或喷铝后挤裹PE护套，再将若干根带有护套的钢绞线束组装成一根拉索，在拉索外再套一层HDPE(热挤高密度聚乙烯塑料)套管形成无粘结柔性拉索。这种防护形式的拉索目前应用较普遍。7钢绞线拉索结构8钢绞线拉索结构9钢绞线拉索结构10平行钢丝拉索与钢绞线拉索的比较平行钢丝拉索与平行钢绞线拉索，在加工制作、运输、安装、受力性能、防护性能、维护更换等方面各有优缺点，现比较如下。1．拉索的制作平行钢丝拉索全部在工厂制作完成，目前国内已有专业化的制索工厂，具有成熟的生产工艺，质量控制易得到保证；其受力均匀、轴向刚度较大、材料利用率较高。钢绞线拉索的各个零部件均在工厂制作完成，而大部分的组装、防护工程须在建桥工地完成，受力均匀性较差，要求材料强度相对较高。国际上用群锚与夹片锚固拉索的新型钢绞线拉索在桥梁上使用的年限较短，因而使用经验尚不够成熟。2．拉索的运输、安装平行钢丝拉索：运输需要大直径卷索盘，受公路净空、净宽的限制，需大型起吊设备进行装、卸作业，安装和张拉需要重型千斤顶，张拉端结构内需较大空间，牵挂索时牵引力大，需特殊设计牵引装置。钢绞线拉索：运输时其索盘直径相对较小，装卸作业起吊、运输及安装较容易，挂索时牵引力小，张拉空间相对要求较小，因此钢绞线拉索的大型设备投入少。3．拉索的防护性能平行钢丝拉索索体部分与两端锚固部分均在工厂整体进行加工，施工时间短，整体防护性好，其防护性能明显优于钢绞线拉索。钢绞线拉索的防护层数较多，且钢绞线拉索的防护施工时间长，防护施工的环境条件较差，防护的整体性也较差。钢绞线拉索的锚头与锚下过渡段结合部位是防护薄弱环节。钢套管内压注浆液在拉索的振动与变幅荷载作用下易碎裂、渗水，引起拉索锈蚀，也应引起重视并妥善解决。4．拉索的张挂钢绞线索能化整为零，吊装重量较钢线索轻，但施工工艺复杂，许多工厂化作业需在现场完成，质量不易控制，而且工期要长。11平行钢丝拉索与钢绞线拉索的比较5．拉索的受力性能平行钢丝拉索的材料强度较低，Rb≥1570MPa，但受力均匀性较好；钢绞线拉索的材料强度较高，Rb≥1860MPa，当为镀锌钢丝时，Rb≥1760MPa，但受力均匀性稍差。在应力上限为0.45Rb，疲劳次数为2×106次的相同条件下，两类拉索的疲劳应力幅均可达到200MPa。平行钢丝拉索抗挠曲性能稍弱于钢绞线拉索。在相同设计荷载条件下，平行钢丝拉索的外径较小，直径比钢绞线拉索小30％~40％，受力面积显著减少。6．拉索的更换两种形式的拉索在拆卸过程中方法是一致的，只在安装时有所不同。平行钢丝拉索的更换为整索卸载、退锚、更换，是安装过程的逆过程，施工安全可靠，与钢绞线拉索相比，相对要简便得多。钢绞线拉索安装过程为单根束牵引张拉，由若干根单股钢绞线束组装形成。在组装成索后用水泥浆将若干根单股束浇灌形成整体，或在锚头处用环氧砂浆将单股束粘结成整体。换索时，若按安装时的逆过程施工，对于压注了水泥浆的整索首先要将其分解为互相独立的若干根单股束，在高空斜向空间索上施工，无疑是很困难的；当然，无粘结柔性钢绞线拉索不存在这个困难。若采取整束卸载、退锚，则拉索锚具外露钢绞线应有足够的长度，保证拉索卸载时的回缩量。因千斤顶油缸的长度有限，要分多次进行才能完成。其次，拉索营运几十年后，钢绞线、夹片、锚环三者之间易产生金属互融现象，要使几十副夹片均能同步退出、顶进是有困难的。近年来，已对钢绞线拉索的锚具作了改进，在夹片锚环处表面车螺牙，用镦头锚张拉杆与锚环拧合连接。与平行钢丝拉索换索方法相同，但钢套管孔径要大，削弱了结构的受力性能。7．拉索的造价比较对于索长短于300m、索重轻于15000ks的拉索来说，两种型号拉索的总体费用相差不大。对于超过上述长度与重量的拉索来说，受加工场地、运输、吊装的影响，平行钢丝拉索的总体费用要超过钢绞线拉索。综上所述，两种拉索各有优缺点。20世纪七、八十年代，国际上普遍采用平行钢丝拉索。从90年代开始，钢绞线拉索的应用发展迅速，特别是欧美一些国家，受平行钢丝拉索加工制作及进口平行钢丝拉索的限制而大量应用钢绞线拉索。平行钢绞线拉索的防护措施与锚固体系在不断更新，我国在20世纪90年代后期也得到了一定发展。12平行钢丝斜拉索的安装放索及索的移动1．放索为便于运输及运输过程中索的保护，斜拉索起运前通常采用类似电缆盘的钢结构盘将拉索卷盘，然后运输。对于短索，也有采取自身成盘，捆扎后运输的情况。根据拉索的不同卷盘方式，现场放索时，常用的有立式转盘放索、水平转盘放索两种方式。(1)立式转盘放索。钢结构索盘放索时设置一个立式支架，在索盘轴孔内穿上圆轴，徐徐转动索盘将索放出。(2)水平转盘放索。对于自身成盘的索，则设置一水平转盘，将索盘放在转盘上，边转动边将索放出。在放索过程中，由于索盘自身的弹性和牵引产生的偏心力，会使转盘转动时产生加速度，导致散盘，危及施工人员的安全，所以，一般情况下要对转盘设刹车装置，或者以钢丝绳作尾索，用卷扬机控制放索。2．索在桥面上的移动在放索和挂索过程中，要对斜拉索进行拖移，由于索自身弯曲，或者与桥面直接接触，在移动中就可能损坏拉索的防护层或损伤索股。为避免这些情况的发生，一般采取下述方法对索在移动时进行保护。(1)如果索盘是水上由驳船运来，对于短索一般直接将索盘吊到桥面上，利用放索支架放索，对于长索一般直接在船上设置放索支架放索。采用前者时要在梁上放置吊装设备，采用后者则需在梁端设置转向装置以利于索的移动。对于现浇梁，转向装置设在施工挂篮上，若是拼装结构则设在主梁上，要求转向装置的半径不小于索盘半径，与梁体保持一定间隔。(2)滚筒法。在桥面设置一条滚筒带，当索放出后，沿滚筒运动。制作滚筒时，要根据斜拉索的布置及刚柔程度，选择适宜的滚轴半径，以免滚轴弯折，摩阻增加。平滚之间要保持合理的间距，防止拉索与桥面接触。滚筒可与桥面固结，也可与斜拉索套筒固结，具体方法依施工现场情况而定。(3)移动平车法。当斜拉索上桥后，每隔一段距离垫一个平车，由平车载索移动。梁体顶面凹凸不平时会导致平车运动不便，所以平车的轮子不宜太小。与滚筒法一样，平车也要保持合理的间距，避免拉索与桥面接触。(4)导索法。在索塔上部安装一根斜向工作悬索，当斜拉索上桥后，前端连接牵引索，每隔一段距离放置一个吊点，使拉索沿着导索运动，这种方法能省去大型牵索设备，可安装成卷的斜拉索。(5)垫层法。对于一些索径小、自重轻的斜拉索，可在梁面放索线上铺设麻袋、草包、地毯等柔软的垫层，就地拖移。13平行钢丝斜拉索的安装斜拉索的塔部安装一般情况下，可根据斜拉索张拉方式确定拉索的安装顺序，拉索张拉端位于塔部时可先安装梁部拉索锚固端，后安装塔部拉索锚固端；反之，先安装塔部，后安装梁部。塔端拉索锚固端安装的方法一般有吊点法、吊机安装法、脚手架法、钢管法等。塔部拉索张拉段安装的方法一般有分步牵引法、桁架床法等。对于两端皆为张拉端的斜拉索，可选择其中适宜的方法。脚手架法、钢管法和桁架床法都要在悬挂斜拉索的位置搭设支架，安装复杂、速度慢，只适应低塔稀索。现代斜拉桥多为大跨、高塔、密索