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摘要：介紹了目前位居“中國第一、世界第三’’的潤揚大橋懸索橋上部結構施工中無抗風纜貓道設計與施工、主纜索股牽引新系統(tǒng)的形成、鋼箱梁吊裝專用設備研制等關鍵技術研究的方法、過程及結論。...

特大跨徑懸索橋上部結構施工關鍵技術研究

吳勝東　馮兆祥　蔣波

江蘇省長江公路大橋建設指揮部江蘇南京210004

　　潤揚大橋南汊懸索橋跨徑達l490 m，其上部結構安裝是整個項目的主要技術難點，施工工序繁多、設備配置多樣、轉換工藝復雜，與國內(nèi)同類型橋梁相比具有鮮明的代表性，在設計、施工中存在很多值得進一步分析、研究的難點。貓道架設國內(nèi)千米級懸索橋均采用設抗風纜結構，潤揚大橋采用的無抗風纜貓道具有節(jié)約工期、節(jié)省材料、通航安全等優(yōu)點，但在實施中仍缺乏可借鑒的技術，特別是抗風穩(wěn)定性和減振性能需進一步研究。主纜架設中每根主纜由l84根索股組成，單根索股平均長度達2580m以上、重約58t，主纜架設牽引距離長、重量大，如何確保架設質量、提高牽引效率，克服常見質量通病，需要對牽引系統(tǒng)進行深入研究。鋼箱梁吊裝梁段長、自重大，其標準梁段長32.2m、重492t、梁段最大吊裝重達506t，這就對吊裝設備提出了很高的要求，國內(nèi)外  現(xiàn)有的設備尚不能滿足，需要投入大量的資金租用并改造，自主研發(fā)適應性強、安全高效的跨纜吊機顯得非常必要。

　　通過對國內(nèi)外已建成特大跨徑懸索橋進行對比、分析，結合潤揚大橋的實際情況，對懸索橋上部結構施工中的關鍵問題，即無抗風纜貓道設計與施工、主纜索股牽引新系統(tǒng)的形成、鋼箱梁吊裝專用設備的研制開展研究，不僅可以保證潤揚大橋的建設質量，還可以推動大跨徑懸索橋上部結構設計、施工技術的發(fā)展，對今后類似工程建設具有十分重要的借鑒意義。

1、無抗風纜貓道抗風減振技術研究

    潤揚大橋貓道采用了無抗風纜設計，為上下游對應于主纜中心線下方各設一幅貓道，每幅長度為2555m，寬度4．0m。貓道線形與主纜空纜平行，矢高為l35．362 m。每幅貓道由l0+54根承重纜、扶手繩(+20和616兩種)、絲網(wǎng)、門架等組成，彈性模量為l.3x105MPa，靜力失穩(wěn)檢驗風速為58m/s。

　　1.1正交風作用下貓道靜力穩(wěn)定性研究

    進行貓道靜力三分力系數(shù)的測定試驗。試驗在西南交通大學單回流串聯(lián)雙試驗段工業(yè)風洞(XNJD.1)第二試驗段中進行，貓道節(jié)段模型采用1：6的幾何縮尺比，在均勻流條件下測量了貓道節(jié)段模型靜力三分力系數(shù)：試驗風速為：V=10m/s、20m/s、30m/s；試驗攻角為：α=一20°+20°，Δα=2°。利用貓道節(jié)段靜力三分力試驗結果，采用有限元分析軟件BSSAP對貓道進行非線性抗風靜力穩(wěn)定性分析。

    經(jīng)計算可得貓道各截面處在不同風速下的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉角則以中跨跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角為最大。靜力發(fā)散風速為71m/s，高于靜力失穩(wěn)檢驗風速58m/s。可得出其在橫橋向風作用下抗風靜力穩(wěn)定性安全。

　　1.2非正交風作用下貓道靜力穩(wěn)定性研究

    首先進行靜力六分力系數(shù)測定。為此，專門研制了六分力系數(shù)測量裝置，貓道模型采用1：12的幾何縮尺比，測力模型長度為1.0m，兩端各放置長度為0.5m的假模型，以消除端部效應的干擾。轉動支架可在水平面內(nèi)360°轉動，以改變模型的β角；轉動支架還可在豎平面內(nèi)轉動，以改變模型的γ角；模型可繞自身軸線轉動，以改變模型的攻角α模型上篩網(wǎng)的透風率與實型上的透風率保持一致。

    風荷載計算時利用六分力試驗結果，分析軟件仍采用有限元分析軟件BSSAP，計算時考慮貓道結構的非線性影響。

分析計算分別針對風偏角β=0°、5°、10°、l5°、20°、30°、45°、60°等八種情況。

    經(jīng)計算可得貓道各截面處在不同風速時的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉角則以中跨跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角為最大。

    計算表明，當β=10°時貓道的靜力失穩(wěn)風速最低，為62m/s。該風速仍高于靜力失穩(wěn)檢驗風速，因而，在非正交風作用的條件下，抗風靜力穩(wěn)定性仍能滿足抗風設計要求。

　　1.3紊流風作用下貓道的抖振響應分析

    為了簡化計算，模擬時假定紊流風場沿跨度方向變化，而沿矢高方向不變。取貓道1/3矢高處三個風速26.4m/s，13.2m/s，6.6m/s，對應橋面處風速為4.4m/s，12.2m/s，6.1m/s進行計算，計算模型與前面靜風穩(wěn)定性所用的計算模型相同。

    計算結果可得，即使在26.4m/s的風速情況下，貓道結構的抖振位移仍較小。可以得出，紊流風對貓道抗風穩(wěn)定性影響較小，在貓道抗風設計中可不考慮其影響。

　　1.4結構布置的比較研究

    貓道抗風穩(wěn)定性研究顯示，貓道結構的失穩(wěn)是以兩橫通道之間的小跨跨中扭轉角隨風速急劇增大為特征，這表明兩橫通道之間的跨距是影響貓道抗風穩(wěn)定性的主要因素。為了深入考察上述因素的影響，為今后大跨懸索橋貓道抗風設計提供依據(jù)，采用非線性分析方法對五種貓道架設方案進行分析研究，得到如下結論：

橫通道之間小跨跨距明顯影響其跨中扭轉角的大小；門架及上承重繩可有效減小橫通道之間小跨跨中扭轉角，從而提高抗風穩(wěn)定性，對于潤揚大橋，設置門架及上承重繩可使貓道抗風能力提高50％以上。

　　1.5貓道減振措施研究

    采用l：20貓道模型研究減振繩及阻尼器的布置方式及工作參數(shù)。試驗進行了三種減振繩方案及阻尼器方案減振效果的測試。采用激振器對貓道施加諧波激勵，諧波激勵的頻率按不同工況分別與貓道小跨內(nèi)豎彎、橫彎、扭轉頻率相對應，可分別比較出各減振方案的減振效果。

    減振繩方案1和方案3采用交叉減振繩，其對豎彎、橫彎及扭轉均有減振效果；減振繩方案2采用平行減振繩，其對橫彎有減振效果，對扭轉的減振效果較差，對豎彎幾乎無效果；而阻尼器方案只對橫彎有減振效果，對豎彎和扭轉均無效果，對橫彎的減振效果也較減振繩方案差。綜合比較上述四種方案，減振繩方案3的減振效果最佳。

2、主纜索股牽引新系統(tǒng)研究

    潤揚大橋由兩根總重約21000t的主纜作為吊掛鋼箱梁的受力結構，主纜索股架設采用PPWS施工方法。每根主纜由184束平行鋼絲束股構成，每束索股又由l27絲中5．3mm的鍍鋅高強鋼絲編制組成，單根索股單位長度重為22．06 k9/m、重約58t，長約26000m，重量和長度均居國內(nèi)第一。

　　2.1總體方案研究

    在已建成的現(xiàn)代懸索橋中，對采用PPWS工法施工的主纜牽引系統(tǒng)作了深入的研究分析和比較，特別對特大跨徑的日本明石海峽大橋以及我國江陰長江公路大橋、虎門大橋、廈門海滄大橋等的主纜施工牽引系統(tǒng)進行了比較，得出門架式牽引系統(tǒng)具有安全、高效的優(yōu)勢，雙線往復牽引方式因牽引索往返沒有空行程，牽引效率高、能耗較低的結論。經(jīng)綜合比較，最終確定潤揚大橋南汊懸索橋采用門架式牽引系統(tǒng)、雙線往復式牽引方式架設主纜索股。同時，將牽引卷揚機與放索機構分置于兩岸，減小主卷揚機牽引索的運行長度，以降低牽引力。

　　2.2牽引系統(tǒng)關鍵設備機具的研制

　　2.2.1大噸位牽引卷揚機

    牽引卷揚機作為牽引系統(tǒng)的動力來源，是整個系統(tǒng)的關鍵設備。本項目聯(lián)合國內(nèi)專業(yè)廠家開發(fā)了25t專用快速智能卷揚機JKB25，該機具有無級變頻調(diào)速、智能化測速、測長、張力顯示等功能，可對牽引系統(tǒng)的速度、位置、張力進行全程跟蹤顯示和自動控制。

　　2.2.2主纜放索機構

    主纜放索機構主要由放索架(包括主軸和連軸器)、力矩電機(配控制器)、制動器、減速機、齒輪副、電磁制動器以及手制動器等組成。放索速度l0～30m/min；反張力：600～1000kgf；適應索盤：l800～4000mm。

    本次研制開發(fā)的被動式放索機構，通過力矩電機給索盤提供相應反力矩，保證放索速度與牽引速度一致，最大限度地減少了索股產(chǎn)生“呼啦圈”等現(xiàn)象。其工作機理為：主纜索股下盤的動力由牽引系統(tǒng)牽引力提供，放索機構設置力矩電機提供使索股張緊的反向力，此力的大小可根據(jù)使用要求設定。當牽引系統(tǒng)提供的牽引力大于反向張緊力時，索股盤跟隨轉動，將索股從索盤上放出；反之。當牽引力小于或等于反向張力時，索盤在力矩電機提供的反向張緊力作用下自動停止，并始終使索股保持張緊狀態(tài)。索盤的轉動速度追隨牽引速度的變化而變化，從根本上解決了兩系統(tǒng)的速度匹配問題。

4、結語

    本次上部結構安裝關鍵技術研究，以潤揚大橋工程為依托，取得了多項創(chuàng)新：

　　(1)首次建立了基于六分力試驗的考慮非正交風作用下的貓道抗風穩(wěn)定性分析方法及試驗技術，建立了更完善的懸索橋施工貓道抗風穩(wěn)定性評估方法，在國內(nèi)首次將減振系統(tǒng)應用于改善貓道的工作性能。 

　　(2)自主開發(fā)研制了具有能實現(xiàn)均衡放索的大噸位主牽引卷揚機、被動放索機構，以及楔形構造的拽拉器的新型牽引系統(tǒng)。結構合理、使用效果好。

　　(3)采用綜合集成技術，研制了具有結構合理、適應性強、安全高效的大噸位全液壓跨纜吊機，填補了國內(nèi)長大跨徑懸索橋鋼箱梁全液壓吊裝專用設備的空白，提升了我國大跨徑懸索橋施工裝備水平。

    研究成果在潤揚大橋的成功應用，不僅確保了工程建設安全順利，優(yōu)質高效，而且在大型的關鍵設備上填補了國內(nèi)的空白，推動了懸索橋上部結構施工技術的發(fā)展，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有很好的推廣應用價值。

　　本次研究由江蘇省長江公路大橋建設指揮部、路橋集團第二公路工程局、西南交通大學共同完成。在此，對所有項目組成員表示衷心的感謝。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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