悬索桥施工关键技术

悬索桥施工关键技术

夏龙华 张志伟  郭建光

中交二公局第六工程有限公司   陕西西安 710032

[摘要]本文详细介绍了悬索桥施工全过程技术控制。通过主塔、锚碇、猫道、主缆牵引、加劲梁架设、主缆缠丝、防腐涂装等方面施工，逐一进行了阐述。

[关键词] 悬索桥；主缆牵引；缠丝；锚碇；猫道

1: 概况

悬索桥，又名吊桥(suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系，其主要构成如下图所示。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力由施工方法决定。成桥后结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。

图1、悬索桥示意图

2：悬索桥特点

2.1地锚式

   把锚固梁（或锚固支架）放于悬索桥结构外山体或庞大的桥台中。 绝大部分的悬索桥，特别是大跨度的悬索桥，都是地锚式悬索桥。

   特点：地锚式悬索桥的形式的主缆的拉力由桥梁端部的重力式锚固体(锚碇)或岩洞式锚固体(岩锚）传递给地基，因此在锚固体处一般要求地基具有较大的承载力，最好是有良好的岩层作持力层地基。

2.2自锚式

（1）自锚式悬索桥的主缆拉力是直接传递给它的加劲梁来承受。垂直分力(一般较小)通过连杆支座传给桥台。加劲梁负担大，因此自锚式悬索桥的跨度不宜过大。否则，为了抵抗巨大的主缆水平分力，加劲梁的截面将非常庞大而很不合理与经济。

（2）自锚式悬索桥的另一缺点是施工比较困难，一般必须先架设加劲梁，然后再架设主缆。

（3）自锚式悬索桥的优点是适宜用于两岸地基承载力较差，特别是软土的桥位。另外对城市闹区跨河桥梁可以避免影响景观或无法布置的庞大的主缆锚碇建筑物。

2.3主缆是结构体系中的主要承重构件；通过塔顶索鞍悬挂在主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构件。主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件；支承主缆的重要构件。索鞍是供悬索或拉索通过塔顶的支撑结构加劲梁是悬索桥承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，提供桥面和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，主要承受弯曲内力。吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带。锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。

                图2  济南凤凰黄河自锚式悬索桥主跨2×428米

3：悬索桥形式

3.1单跨悬索桥

（1）它适合于边跨地面较高，两个桥塔已位于岸边，主缆边跨陆地无需主缆悬吊，采用桥墩来支承边跨的梁体结构比较经济，或者曲线偏移无法利用边跨主缆悬吊时采用。

（2）在结构的受力特性方面，单跨悬索桥由于边跨主缆的垂度较小(基本上是主缆在边跨内的自重垂度)，对荷载引起的变形稍微有利。

（3）但在架设时主塔顶部鞍座的预偏量(偏向边跨侧)要增大一些。

吊索采用销接式，吊索上端通过叉形耳板与索夹连接，下端通过锚头螺母、球铰与加劲梁上的锚垫板连接。

3.2 两跨悬索桥

当只有一岸的边跨地面较高或线路有平面曲线进入时，可以采用两跨悬索桥的形式(即一个边跨与主跨的加劲梁是悬吊的，另一边跨的梁体是由桥墩支承的形式。)实例：大跨度悬索桥中采用这种形式的最大跨度为香港青马大桥的1377m

3.2 三跨悬索桥

三跨悬索桥是主跨和两个边跨均设有吊索的悬索桥。

3.3多跨悬索桥

相对于3跨悬索桥来说，通常将4跨以上(包括4跨)的称为多跨悬索桥或多塔(3塔以上包括3塔)悬索桥。

特点：

多跨(塔)悬索桥常因中间桥塔与两边桥塔的塔高不同的关系导致主缆的垂度偏大，使悬索桥的整体刚度减小，因此对中间桥塔必须加大其刚度而采用在桥梁纵向呈A型的4柱立体桥塔。多跨悬索桥在结构上存在以下两个缺点：

(a)当任意跨上有活载作用时，在主缆拉力的水平分力于塔顶处重新达到平衡之前，塔顶将向水平分力大的一侧产生较大的变位，随之在加劲梁上产生较大的挠曲变形(挠度)和弯矩。

（b)和3跨悬索桥相比，多跨(塔)悬索桥的结构柔性太大，因而固有振动频率较低。

3.4自锚式悬索桥

自锚式悬索桥是一种不设重力式地锚，而以加劲梁梁端锚固主缆，承受主缆端部的水平与竖向分力的悬索桥体系。它与常规地锚式悬索桥的区别在于不设地锚、加劲梁承受主缆水平分力而造成主梁存在较大的轴向压力。自锚式悬索桥同时具备常规地锚式悬索桥的各项优点，也是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件，由悬索、索塔、索鞍、锚碇(梁端锚体，而非地锚)、吊杆、桥面系等部分组成。主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材(钢丝、钢绞线、钢缆等)制作。

                              江汉六桥

四、施工技术

1、主塔施工

    主塔是支承主缆的重要构件，有砼塔和钢塔等形式。 主塔施工过程中，应控制好倾斜度、塔顶标高等指标，待主塔完工后，需精确测定不同温度条件下裸塔塔顶中心线里程和标高（应考虑地球曲率及日照的影响、主塔的压缩量。主塔倾斜度符合设计规定，设计未规定时按塔高的1/3000，且不大于30mm。索鞍底板面高程:＋10mm，－0.悬索桥的索塔高度在100m以上，桥面宽度30m左右，宜设置2台塔吊，2台电梯。桥面宽度20m左右可设置1台塔吊，1台施工电梯。悬索桥的混凝土塔柱施工多采用爬模施工。施工时，每20m-20m设一道水平支撑，并根据计算用千斤顶施60~100t左右的顶推力。悬索桥应考虑横梁预应力张拉后的压缩对塔柱预偏量的影响。

悬索桥横梁施工一般采取柱梁异步施工，以有利工程进度和塔柱外观。大跨度的悬索桥横梁的体量较大，如江阴桥的三道横梁高均为11m，下横梁底宽11m，长32m。横梁施工方法可采用一次浇筑，一次张拉；也可二次浇筑，一次张拉；还可多次浇筑，多次张拉。

2、重力式锚碇施工

主要控制大体积混凝土施工，防止出现裂缝；控制预应力锚固或锚杆定位准确。

悬索桥锚碇的防裂施工措施：

(1)构造设计上采取防裂措施

①设计合理结构，减少工程数量，降低水化热总量。采用深埋式结构，挖空非关键直接受力部分砼，利用回填土方压重；在主缆锚固体部分采用C40砼，其他基础及配重联结部分用C20等砼，减少水泥用量。②延长锚碇砼的评定验收龄期。利用主缆架设施工期的受力不及最终受力的30%，允许采用标准养护条件下的60d龄期的抗压强度作为验收评定的依据。③增设金属扩张网，改善锚碇大体积砼表面受力状况。

  (2)合理选材,优化锚碇大体积砼的配合比

①C20低标号的砼采用低热矿渣硅酸盐水泥。②掺粉煤灰，I级灰。③掺缓凝型高效减水剂，初凝时间控制在22~28h。

(3)大体积砼施工温度控制

①砼分块、分层1m~3m②控制砼的浇筑温度砼经运输、平仓、振捣等过程之后的温度为浇筑温度。③控制各层浇筑间歇期每层一般不超8d④通冷却水冷 却水管水平间距为0.9m。⑤降温速率不超过1.5°C/d。

3、施工控制关键

预应力管道精确定位分层浇筑、分节支撑、分段接管、实时监控大体积混凝土温控锚塞体和散索鞍支墩都是大体积混凝土，混凝土施工前   进行专题温控设计，采取有效的控制措施，确保混凝土不产生有害裂缝。

4、主索鞍、散索鞍施工

主索鞍采用特别设计的塔顶吊机吊装，该吊机应能保证鞍座分次吊装上主塔顶并移动安装就位。塔顶吊机的结构部分，在主缆架设时可改装为主缆牵引系统及索股调整的设施。主、散索鞍安装时应根据设计提供的预偏量就位并临时锁定。

吊装鞍座四件（包括鞍体、底座、主索鞍附件、格栅及反力架）

吊装塔顶格栅及反力架，精确定位后，浇筑格栅混凝土。按照鞍座底板、前后鞍体顺序依次吊装。底板面按设计涂减摩剂，确保能顶推。鞍体分段起吊，在塔顶用高强度螺栓连成整体；主索鞍安装就位时，将主索鞍安装在预偏位置上临时固定，其后随主缆加载过程按设计和监控要求逐步顶推调整和固定。主索鞍安装就位并在上部结构安装完成后，割除反力架及格栅悬出部分，补浇索塔缺口混凝土，安装鞍罩。

散索鞍（括鞍体、底座、散索鞍附件、检修道斜梯等）拼焊底板格栅支架，安装底板隔栅，精确定位后浇筑底板格栅混凝土。安装散索鞍底座，与底板上预埋螺杆栓接就位。

4、先导索施工

主缆安装是由小到大编织而成，一般在两锚之间架设导索和牵引索，上、下游主缆各架设1根导索和牵引系统。导索是悬索桥第一根索，它的粗细由拽拉安装第二根牵起索的支承重量确定，按高低支承的悬索计算。

导索安装方法：浮筒支承、拖船拖拉、直升飞机吊拉、火箭射击拖拉、飞艇吊拉。导索拖船拖拉安装方法：阳逻大桥导索采用Ф22钢丝绳，用拖轮拽拉过江。封航4小时；采用平衡重调节导索张力，导索不落入水里。由北塔拽拉到南塔，并与自南塔顶放下的引绳对接，提升架空。直升飞机吊拉，西候门大桥航道繁忙导索采用质轻高强度细纤维绳。多导几次绳索，才能拽拉牵引索火箭射击拖拉。四渡河大桥、澧水特大桥、山区大峡谷采用小钢丝绳后接锦纶绳，过江后倒换粗绳，再倒换细钢丝绳，一直换到36mm直径的钢丝绳。

                            图    火箭牵引先导索

5、猫道施工

猫道构造包括承重索、猫道索锚固系统、扶手索、门架支承索、防风索、猫道面层、栏杆、防振系统及横向天桥、照明系统等。 分离式猫道需在绳端设置长度调整装置；连续式猫道除在绳端设调节装置外，还需在塔顶设转索鞍及变位刚架、下拉装置等结构。

根据荷载和边界条件计算出猫道承重索的有应力长度和伸长量，得到索的无应力长度，根据在相同温度条件下索的无应力长度不变的原理，计算出空缆及施工状态下索的线形及受力情况，各工况下猫道承重索的安全系数应不小于3.0。猫道必须有足够的强度和抗风稳定性，架设前必须做抗风试验。

猫道设计应遵循构造简洁、施工方便、安全可靠、经济合理的原则。猫道面的线形应平行于主缆空载线形，并保持一定的间距；尽量减轻自重、减少受风面积；具有操作安全可靠，并能满足索股牵引、主缆挤紧等机械作业所需的工作面和净空以及强度和刚度的要求；猫道的架设还应考虑通航要求。同时要求安装和拆卸方便快捷，选材经济且有利于防火。

准备工作→架设导索→架设支承索及拽拉牵引索→架设猫道承重索及线形调整→安装猫道面层及横向通道→安装门架支承索、扶手索→安装栏杆网、猫道门架及抗风缆→安装照明系统，形成猫道。

钢丝绳做承重索时，须进行预张拉以消除非弹性变形。预张拉荷载不小于各索破断荷载的50%，持荷时间不小于60min，预张拉2次。架设时原则上应对称施工，边跨与中跨、上下游平衡作业，减少对塔的变位影响，控制裸塔塔顶变位及扭转在设计容许范围内。

5、主缆施工

5.1牵引系统有循环式和往复式两种

循环式牵引系统：将牵引索的两端插接起来，形成环状无极索，通过一台驱动装置、张紧设备、调整装置和必要的支承滚筒循环运动。小循环：上、下游主缆设置分开，各自独立的循环牵索系统，；大循环：只设一套供上、下游主缆架设使用。往复式牵引系统：该牵索系统的牵引索两端分别卷入主副卷扬机，一端用于卷绳进行牵引，另一端用于放绳，两台驱动装置联动，使牵引索作往复运动，由于索都长达千米以上，两端需要大容量盘绳器配合使用。有主缆单侧牵引，也有两侧牵引方式，双牵方式猫道平衡，不易歪的好处。

5.2牵引系统主要由驱动装置、牵引索（拽拉索）、拽拉器、锚碇门架滑轮组、塔顶门架滑轮组、猫道门架滑轮组、猫道滚筒及塔顶滚筒等组成。

5.3预制主缆索股与安装于牵引索上的拽拉器相连，通过驱动装置收放使牵引索带动拽拉器穿过猫道门架导轮组、塔顶门架导轮组、锚碇门架导轮组作往复运动，将索股逐根沿猫道滚筒拉铺到猫道上。

5.4安装上下游主缆时通常以第一根索股为基准索股。应在测量计算跨径、垂度、温度变化等影响的基础上进行调整。垂度的调整须在夜间风速较小、温度相对稳定时进行。正确放置后，停留一段时间，连续观察测量不少于3昼夜，如全部结果都未超过允许偏差的范围，第一根索股的垂度即调整完成。为了保证索股的架设质量，可增设2～3条基准索股。基准索股的位置应设在不被一般索股压到的主缆边缘处。基准索股中跨的设计垂度允许偏差应符合图纸的规定。一般索股对于基准索股垂度的相对差应在0、+5mm以内；上下游主缆的基准索股，其垂度的相对差应在10mm以内。

5.5在基准索股安装后再继续安装的所有索股的调整，都应根据与基准索股对比的相对高度差来进行。每根新索股的垂度在调整前应比图纸规定的垂度予以预抬高，中跨跨中预抬高300～400mm，边跨跨中预抬高100～200mm，以免垂压、缠交其下面的索股。操作时，应先测量新索股与基准索股之间的高度差，然后在夜间风速较小、无雨、雾、温度相对稳定的时间内将其垂度调整到允许偏差0，+5mm以内。

5.6束股入鞍后，鞍内、跨中各控制点对准对中；束束平行，似挨非挨，若即若离，上束不压下束，用手轻推可动。在悬挂状态下，束断面为六角形，丝丝平行，不扭转不鼓丝。

按顺序调整中跨、边跨垂度后，最后千斤顶顶推锚头增减垫片调整锚跨。调整时，中、边跨以垂度为准，锚跨以张拉力为准。

5.7主缆整形

预挤紧完成后，即用挤紧机进行挤紧挤圆工作，每根主缆一台机，从一端到另一端，相距约1m挤紧一次，挤紧时应及时打上两道镀锌钢带、两道捆紧间距10cm，其位置应尽可能靠近施紧处，使其保持挤紧后的形状和尺寸。

5.8 索夹安装

安装索夹时，应检查索夹的位置编号是否与主索上的位置次序编号相符，避免安装位置编号不符，出现索夹与主缆斜度不符而夹不紧或螺栓、钢销穿不上。索夹顶轴线与主缆天顶线一致，并应使索夹两半合缝间隙均匀。由于主缆承载后有伸长，直径也有变化，因此螺栓的观测、螺栓轴力张拉次数不应少于4次。第一次索夹高强螺栓轴力张拉为索夹安装时，第二次为钢箱梁吊装一半时，第三次为钢箱梁吊装完毕，第四次为桥面铺装及永久设施施工完毕。

5.9 吊索安装

吊索安装：索夹紧固、抗滑试验、吊装、定位、紧固、防护及减振架等钢丝绳吊索应每根进行预拉，预拉力为设计索力100%，以消除非弹性变形。在索夹上安装吊索，吊索中心与索夹顺桥向立面之间的偏差应与图纸要求相吻合。安装过程，不得损伤吊索。索夹和吊索安装后，为避免吊索发生扭转和吊索锚头相互撞击，应设置吊索间隔的限位装置，同时安装防水帽。

5.10加劲梁架设

地锚式悬索桥加劲梁采用分段预制架设的施工方法，需在主缆架设完成后进行加劲梁安装。自锚式悬索桥加劲梁架设可采取顶推法、支架法现浇及拼装的施工方法，需在主缆架设前预先就位完成加劲梁，待主缆架设后安装索夹及吊索，进行体系转换后，加劲梁转由主缆悬吊。箱梁段安装前，首先应将缆载吊机、塔顶绞车、卷扬机等设备及一切准备工作就绪，按规定进行试吊，方可开始安装箱梁。梁段垂直提升的速度采用卷扬机系统比液压提升要快。起吊过程必须保持梁段处于水平状态。若采用钢绞线四点液压提升，则以电脑控制四点同步；采用卷扬机四点提升的，则一端的起重绳须串连，形成三点起吊，确保一个平面。

用两台缆载吊机吊装箱梁节段可采取如下步骤:

(1) 将装箱梁节段的驳船在指定的准确位置抛锚定位；

(2) 用左右两侧缆载吊机从驳船上同时起吊箱梁节段，起吊过程必须控制四点起吊的同步，保持梁段处于水平状态。两个相邻梁段之间，用主梁顶板临时连接件连接起来，并安装吊索；

(3) 移动缆载吊机至下一起吊位置定位；

(4) 重复上述缆载吊机起吊安装箱梁节段工作直至运装箱梁的驳船无法靠拢定位起吊钢箱梁段为止。

(5) 随着箱梁节段吊装的进行，两相邻节段梁底板间下缘张口逐渐减小至计算值时，即行连接梁段底板临时连接件，进行主梁现场整体焊接工作。

主鞍座向中跨分次顶推

架梁过程中，塔顶出现不平衡水平力，产生倾斜位移，需要逐步顶推纠偏。必需按图纸规定，分阶段逐步向中跨顶推主索鞍至预定位置。顶推主索鞍的时机和顶推量，根据索塔顶变位情况而定。

5.11主缆缠丝及防腐

在完成加劲梁及桥面系的安装、桥面铺装完成后，从主缆上拆除缠带，用丙酮清除主缆表面的油污及残留杂物，在主缆表面均匀涂上腻子，并在腻子固化前用镀锌低碳钢丝包缠主缆，边缠边涂。钢丝包缠的拉力不小于设计要求。涂腻子的环境条件为:相对湿度低于85%;表面温度高于露点3℃以上;空气温度在15~35℃之间。涂腻子时要无空隙地全部涂抹，并在其表面尚未硬化时进行包缠。包缠钢丝时，被挤出钢丝外的腻子必须在其硬化前除去。

6、结束语      

悬索桥越来越多的被广泛应用，在施工控制方面还需要不断的总结实践。对于鼓丝、扭转还在不断地改进，本文对同类型桥梁施工具有现场指导意义。

参考文献：

（1）徐恭义 郑明珠 雷俊卿 ，悬索桥设计（M），北京人民交通出版社，2002(04)

作者简介：张志伟（1981-），男，高级工程师，2004年毕业内蒙古大学土木工程系，（daobo888@126.com）。

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