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不同架设方法为悬索桥带来的成本优化

 随着现代桥梁结构越来越注重功能和艺术的趋势,世界范围内悬索桥的形式也在随之不断的迭代,细节工艺的改进层出不穷,工程成本趋向更加经济。韩国在过去十年建造了几乎所有形式的悬索桥,在理论、材料和装备方面也相应地取得了长足发展。每座桥都有其自身特点,相应地采用了合适的架设方法,比如AS法的大跨度悬索桥、AS法的单跨悬索桥、AS法的独塔空间索面悬索桥、PPWS的三塔多跨悬索桥等。其缆索和主梁架设的方案形成优化的施工方法,有效地缩减了成本,对更多跨海工程的建设有一定可借鉴性。

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“小”而优的无牵引PPWS

小鹿岛桥

小鹿岛桥于2008年完成,为一座自锚式单主缆悬索桥,主跨250m,边跨100m。大桥的加劲梁被分成五个大节段,节段最大重量为800t。除了合龙段之外的四个节段采用两台起重能力600t的浮吊抬吊至临时墩,如图2所示。合龙段重420t,采用一台浮吊吊装。

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主缆包括14根索股,采用无牵引系统的PPWS法架设。常规的PPWS法,牵引绳上的拽拉器在两岸锚碇之间运送索股。因主缆数量较小,且索股张力也不大,新设计的小型拽拉器(运行在两条索道上)替代了较重的牵引系统,如图3所示。

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吊杆的安装采用了带液压千斤顶的小型装置,而没有将加劲梁整体顶起,如图4所示。为使设备最小化,提前对安装顺序进行了全面的研究。

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新千年大桥

新千年大桥是一座多跨悬索桥,2010年开工,计划2018年完工。该桥的主缆预计2016年6月开始架设。

大桥设计的两个主跨和中间索塔会使得工期和成本成倍增加。为此,先导索采用如下方式架设就能充分利用中间索塔,最大程度减少额外工作。首先将先导索从各跨的边塔位置往中塔牵引,然后在中塔处由塔吊或卷扬机提升至塔顶。

另外一个特点就是辅助墩,它将主缆在该处“分割”为两部分。辅助墩和锚碇之间的主缆线形不能按照类似直线进行放样,因此需考虑采用测量线的方法进行控制。首先在工厂对测量线进行精确测量,其安装线形便可与主缆设计线形一致。之后在现场单独架设测量线,实际架设索股的线形保持与测量线同步。

AS 架设:“收”“放”同步 便于操控

李舜臣大桥

李舜臣大桥于2013年完工,主跨1545m,为世界排名第四的悬索桥。主缆架设采用张力控制的AS法,所有装备在韩国实现了国产化,如图5所示。

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该桥跨越通往Gwangyang港的通道,其500m的主航道一般要保持开放。为了船舶的通航净空,要通过猫道绳索的监控数据,对猫道的线形进行全过程控制,牵引绳需采用收绳和放绳同步的方法。在收绳端设定张力的上限,当实测牵引绳的张力超过张力上限时,卷扬机即停止工作。在放绳端,设定张力的下限,当牵引绳的张力低于张力下限时,卷扬机即停止工作,可以防止滚筒的空转和索股进入通航净空。

在AS法中,死丝和活丝要落在索股成型器和索鞍中指定的位置。但是,即使调整纺丝轮的倾斜角度,也难免出现钢丝跑出槽道的情况,出轨的一个原因是较大的纺丝张力,锚碇处张力为283kgf,索塔处为324kgf。为此,我们采取的解决办法是将纺丝轮的主体部分(包括倾斜轴和轮子)与其两个支腿部分开,并增加铰接连接。由此,倾斜轴与钢丝就能完全平行,如图6所示。

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在多数悬索桥,索夹和吊杆是由运行轨索上的天车分开运输和安装。因为最耗时的工序是将构件运输至安装位置,为了缩短施工时间,研发了一种在主缆上运行的装置能同时安装索夹和吊杆,如图7所示。猫道下边的门架可进行角度调整,由此保持与主缆平行。因为挂在索道上的索夹位于猫道上方,采用该装置可以避免猫道面层的大开口。索夹与吊杆相比较轻,索道的工作也可较为顺畅。

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积金大桥

积金大桥为单跨悬索桥,主跨850m。主缆架设的大部分程序与常规悬索桥相同,主要有以下两处不同:采用简化的悬挂体系进行猫道绳索的架设;钢丝张力的分布式调整。

猫道绳索的架设方法可以分为两种:自由悬挂架设和多点悬挂架设。为了减少多点悬挂架设方法的缺点,采用了简化方法。其优点主要是:与自由悬挂相比,猫道绳索的张力减小了30%;索股与海平面之间的空间得到保证;索股线形与最终线形相似。

悬挂索上布置了五个支索器,猫道索股采用临时牵引系统进行牵引。在支索器安装完成之后,猫道索股由临时牵引系统从卷扬机中牵出。在各支索器之间,索股呈自由悬挂状态。

索股松散的主要原因是猫道的变形,因此,减小猫道变形所致的松散是减小索股松散的主要手段。在本工程,采用了调整钢丝张力的方法,以最小的代价减小猫道变形所致的松散。该方法的关键因素是变形猫道上已纺钢丝的张力会显著增加,从而后纺钢丝与第一批钢丝具有相同的长度。

当所有钢丝张力保持恒定时,第一根索股中第N根钢丝与第一根钢丝在中跨的垂度差。另一方面,如果当纺制128根钢丝后,垂度差就降到红色的点线以下,即图中的实线。其结果为实际的松散要低于理论计算值。

Dandeung大桥

Dandeung大桥计划于2015年底完工,为一座独塔悬索桥,主跨400m。该桥主缆直径为0.38m,采用AS法施工,如图8所示。

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架设期间钢丝张力为192kgf,为自由悬挂张力的80%。每个主缆各自独立布置两条牵引系统,每条牵引系统布置两个钢丝轮,钢丝直径为5.35mm,极限强度为1960MPa。每个纺丝轮可纺4根钢丝,每个轮回可纺制8根钢丝。因主缆一端锚固于塔顶,故呈空间外形。主缆架设开始于2013年12月,于2014年2月结束。

由于主缆呈空间形态,常规的浮吊或跨缆吊机不能用于加劲梁的吊装。为此研制了新型跨缆吊机,如图9所示。与常规跨缆吊机不同,该装备不包括横梁,各吊装单元都能独立运行,因为其重心位于主缆中心。由于没有横梁,跨缆吊机行走时可不考虑主缆线形的影响。

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加劲梁分为26块,最大节段重140t。第6号-22号节段采用跨缆吊机直接吊装。靠近索塔和锚碇的节段,需结合跨缆吊机、支架和轨道进行安装。

索塔附近的浅水区水深较小,驳船不能靠近,因此采用在22号节段位置垂直起吊,然后荡移至支架。

在锚碇附近采用了另外一种架设方法。因为与索塔附近梁段同样的原因,节段需在4号节段位置起吊,然后放置于轨道,运输至其安装位置。此外,由于主缆和节段之间的空间较小,不能容纳跨缆吊机的滑轮组,因此还采用了液压千斤顶系统进行纵向滑移。

在这些工程中,可以看出悬索桥架设所遇问题不仅通过对方法、材料等的针对性选择来解决,且在施工过程中达到了节省成本的效果,带来了悬索桥施工技术的显著进步。

虽然可施工性差的桥梁设计会受到工程人员的诟病,但仅仅追求可施工性又会阻碍技术的进步。韩国在一个较短的时期建造了各种形式的悬索桥,其中包括传统桥型、空间索面和多跨悬索桥。不仅拓展了悬索桥方面的工程经验,还提高了工程的经济性。这些经验不仅有益于今后桥梁工程的发展,更对各种大型跨海悬索桥的建设具有借鉴作用。

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