维普资讯 http://www.cqvip.com 三塔悬索桥主缆系施工应用技术问题分析和探讨 叶觉明 ６９ 文章编号：１００３—４７２２（２００８）Ｏ１—００６９—０４ 三塔悬索桥主缆系施工应用技术问题分析和探讨 叶觉明 （中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉４３００３４） 摘 要：三塔悬索桥是一种新型的悬索桥结构，主缆系施工是保证其架设质量的关键步骤。 分析三塔悬索桥主缆系结构特点，探讨三塔悬索桥主缆、吊索、索鞍和索夹的加工制造和安装过程 中的应用技术问题。 关键词：悬索桥；三塔；缆索；索鞍；索夹 中图分类号：Ｕ４４８．２５；Ｕ４４３．３８ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｓｓｕｅｓ ｏｎ Ｍａｉｎ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ—Ｔｏｗｅｒ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｂｒｉｄｇｅ ＹＥ Ｊｕｅ—ｒｕｉｎｇ （Ｂｒｉｄｇｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｔｄ．，Ｃｈｉｎａ Ｚｈｏｎｇｔｉｅ Ｍａｊｏｒ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｗｕｈａｎ ４３００３４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｔｏｗｅｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｃｈ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｅｐ ｔＯ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｅｒｅｃｔｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ。ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｔｏｗｅｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔＯ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅｓ，ｈａｎｇｅｒｓ，ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅｓ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｃｌａｍｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｓ ｗｅｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ；ｔｈｒｅｅ ｔｏｗｅｒｓ；ｍａｉｎ ｃａｂｌｅ；ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ；ｃａｂｌｅ ｃｌａｍｐ １ 引 言 洪大堤的影响，其综合造价低于一跨过江的单跨悬 悬索桥是以主缆为主要承重结构的大跨度桥梁 索桥。主跨１ ０００ ｍ级的三塔悬索桥在国外有过多 结构，近年，为尽量减少建桥对繁忙航道的影响，为 年的设计论证，被认为技术上切实可行，但因种种原 桥下水域提供长远的发展空间，国内开始创新设计 因至今未实际开展。我国正在建设的泰州长江公路 和准备实施一种新型的三塔悬索桥。该桥型既能适 大桥三塔悬索桥方案为主跨２×１ ０８０ ｍ，两边边跨 应所在架桥位置处特殊的水文形势的复杂变化，还 各３９０ ｍ的三塔钢箱梁悬索桥＿１］。从施工应用角 能将建桥投资规模控制在经济适当的范围内，同时 度，这种桥型方案需要重点考虑的问题有：①主缆 还有利于综合考虑附近区域码头、道路以及城市规 在中塔顶鞍座中的滑移；②中塔需要有足够的刚度 划等因素，为解决江河上建桥与利用航道矛盾提供 及中塔的防撞。由于中塔需要规模较大防撞设施的 了新的思路，是悬索桥结构的一种创新和发展。 深水基础，增加了三塔悬索桥设计和施工的难度，在 三塔悬索桥是在两塔悬索桥主跨的中部增加１ 软基和强台风地区实施比较困难。为了主缆纵 个主塔、减小主跨跨度的新型桥梁形式，与同跨度二 向移动，建议设置双主缆，通过多缆结构增加悬索桥 塔悬索桥相比，跨度可以减小１／２，相应就减小了主 的主缆系刚度［２］。三塔悬索桥需要重点研究主塔结 缆缆力及锚碇规模，还可以降低锚碇基础施工对防 构刚度、加劲梁的弯曲和扭转刚度、垂跨比和恒载的 收稿日期：２００７～０５—２８ 作者简介：叶觉明（１９５７一），男，高级工程师，１９８２年毕业于华中工学院电力系，工学学士。 维普资讯 http://www.cqvip.com ７０ 特性等结构特征。研究认为悬索桥加劲梁在活载作 用下的较低刚度是因为主跨主缆的弹性刚度系数比 边跨小造成的。同时认为用加强中塔弯曲系数的方 法来提高刚度是经济有效的，主缆的三维垂度几何 外形对于加劲梁的扭转变形是有效的，这对于 中塔受扭引起的三塔悬索桥加劲梁的扭转变形是特 别重要的 ｊ。 ２ 中索鞍和主缆索股抗滑移应用技术分析 泰州长江公路大桥中塔纵桥向为整体刚度较大 的人字形，横向为门式框架结构，借此提高三塔悬索 桥的整体刚度。中塔和中鞍座的设计是三塔悬索桥 结构设计的重点，主缆与中鞍座间抗滑移稳定成为 该桥型的关键问题之一。根据经典力学理论，柔性 体在弧面两端的力的关系是Ｔ 一Ｔ ·ｅ ，索鞍设 计由此推出了索鞍鞍槽内主缆抗滑安全系数的验算 公式ｋ—ｕａ／ｌｎ（Ｔ ／Ｔ ）≥２。设计规范在取 一 ０．１５的条件下，利用这一公式复核索鞍抗滑移安全 系数，实际应用比较保守可靠，安全系数较大。这一 验算公式提出了复核主缆索鞍抗滑移的方法，但不 能直观反映主缆索股在索鞍索槽的滑动力和结构参 数的关系，以及改进和提高抗滑移性能的方法。从 工程应用角度，可以简化主缆和索鞍结构分析，见图 １。图中，Ｒ为索鞍半径；Ｔ 为主缆张力（紧端拉 力）；Ｔ 为主缆张力（松端拉力）；Ｐ为主缆及压紧结 构对索鞍的正压力分布函数（ｋＮ／ｍｍ）；ａ为主缆在 鞍槽上的包角（弧度）。若忽略主缆半径和其他因素 影响，则索鞍与主缆的摩阻力为Ｉ￣ＰａＲ，主缆在索鞍 索槽中滑动的主要条件是：ＡＴ＞Ｉ￣ＰａＲ。式中，△Ｔ 为主缆两侧张力差； 为主缆与索鞍间的摩阻系数。 很明显可以制约主缆在索鞍中滑动的方法是提高摩 阻系数 ，增加分布正压力Ｐ或者改变索鞍结构尺 寸ａＲ。 ＼ Ｗ Ｖ 图１主缆跨索鞍受力结构简化示意 实际应用中三塔悬索桥主缆索股和中塔鞍的抗 滑移措施包括：①通过索鞍材料选择、加工表面防 桥梁建设 ２００８年第１期 滑处理措施提高摩阻系数 ；②主缆束股与鞍槽间 填注粘接剂或冷铸锚固；③使尽量多的束股与鞍槽 面直接接触，鞍槽内设高摩性能的阻隔片和填实；④ 提高中塔高度，减小最不利工况下主缆索股分担的 水平力；⑤在鞍座鞍槽上方对槽内索股施加分布正 压力等压实措施；⑥将部分主缆索股直接锚固于鞍 座或主塔顶，减小主缆索力；⑦调整索鞍结构尺寸， 减小最不利工况下主缆索股水平力差值。 ３ 三塔悬索桥主缆系施工应用分析和探讨 主缆系是悬索桥的重要结构体系，是上部结构 的重点，主缆系制造加工和施工出现问题都会影响 悬索桥的结构安全。 ３．１主缆制造和架设 主缆施工目前有２种方法，分别是空中编缆法 （简称ＡＳ法）和预制平行钢丝索股法（简称ＰＰＷＳ 法）。我国已建或在建的几座大跨度悬索桥主缆都 采用ＰＰＷＳ法施工，这种施工方法能较可靠地保证 钢丝平行、无扭转、无交叉、排列紧密，还可提高主缆 密实度，国内目前已形成了多条ＰＰＷＳ生产线。 ＰＰＷＳ法不受施工现场场地，工厂化生产管理 便于控制，有利于调整垂度和提高架设质量，但需要 较大的起重运输设备和牵引系统。在特大悬索桥主 缆索股制造技术和设备、成盘和成圈工艺、架设技术 方面不断改进提高，三塔悬索桥主缆制造架设技术 可以直接引入相应的技术工艺。由于三塔悬索桥双 跨千米使主缆长度增加，架设时要多经过１次高塔， 实际可考虑以下选择： （１）主缆采用９１丝索股制造架设。由于单股 钢丝规格小、数量少，有较成熟的制索、成盘和架设 经验，不存在制造成盘风险，也便于运输和架设，比 较保守可靠，但单索索股数量增加，会增加锚固数量 和锚固结构。 （２）主缆采用１２７丝索股制造架设，国内有制 造长大规格索股的成功经验和架设方法（润扬长江 大桥Ｉ４ｊ、西堠门长江大桥）可以借鉴，但需要考虑成 盘和运输问题。 （３）主缆工地现场制索架设。工地现场制索可 以回避大规格索的成盘、成圈运输难题，特别适用于 大规格和较长的主缆索股架设。工地现场制索架设 方法曾在虎门大桥应用，由于当时是国内第１次制 造１２７丝索股，技术工艺和设备工装本身不太成熟， 实际中反映出一些问题，使现场制索技术没有进一 步发展。主缆索股制造主要是依赖原材料和生产装 维普资讯 http://www.cqvip.com
三塔悬索桥主缆系施工应用技术问题分析和探讨 叶觉明 备保证，悬索桥主缆索股生产线设备占用量不大，主 要是放丝盘占用场地较大，只要设备工装可靠，可以 在工棚条件下现场制索。 ３．２索鞍制造安装 传统双塔悬索桥索鞍结构（图２）一般由鞍体和 底座组成，采用铸焊结合的混合结构，鞍体用铸钢铸 造，底座由钢板焊成，鞍体下设不锈钢板一聚四氟乙 烯板滑动副（便于索股架设施工时预偏调整主缆线 形）。鞍槽内设竖向隔板，在索股全部就位并调股 后，顶部用锌块填平，再将鞍体侧壁用螺栓夹紧。为 了优化设计以改善主缆功能，近年又专门设计了能 锚固背索的索鞍，可以将背索的一端直接锚固在索 鞍上。特大跨悬索桥索鞍体积大、重量大，为减轻吊 装运输重量，方便安装，通常将鞍体分成两半制造， 就位后用高强螺栓拼接。 承缆槽拉杆 横肋外壳 横肋 （ａ）一般结构 翁 图２累鞍结构示意 根据三塔悬索桥的特点，中索鞍与常规索鞍会 有些结构差别。理论上需要使两侧主缆切线角相等 或相近，中塔索鞍结构需要以索鞍中心等分，形成对 称等圆弧槽型；中塔不需要考虑施工时的预偏和相 应顶推结构；可以在索鞍结构上设置锚固点锚固少 量改善结构受力的主缆索股，这些结构索股也可通 过其他锚固结构，直接锚固在中塔上。 索鞍制造的主要控制环节在于铸造、组焊、机加 工三大环节：①索鞍体铸造。保证结构尺寸精确和 铸件的内在质量；②索鞍体和底座组焊。将铸件索 鞍体和钢板底座焊接成一体，严格控制钢板间、钢板 和铸件间的焊接质量以及焊接变形；③机加工。机 加工分粗加工和精加工，对分体控制的索鞍加工要 严格控制加工基本面和结构、槽型尺寸，有条件应分 体组合后进行最后的结构槽型尺寸精加工。加工条 ７１ 件和设备是索鞍制造质量的基本保证，索鞍铸件和组 焊需要特大热处理炉进行相应的热处理和保障组焊 条件；索鞍加工过程和转运都需要相应吨位的大吊机 （吊装设备）辅助；机加工特别是精加工需要精度较高 的大型数控设备，索槽曲线加工需要多轴联动。 ３．３吊索和索夹制造安装 悬索桥的吊索是连接主缆和加劲梁传递荷载的 重要构件，索夹是将吊索荷载传递至主缆的构件。 吊索和索夹有不同的结构形式，主要是吊索与索夹 结构要适配，还要与加劲梁构造的锚固方式相适应。 大跨度悬索桥吊索与主缆常用的连接方式有骑跨式 和销接式２种（图３）。应用骑跨式连接结构时，宜 采用钢丝绳索体材料，钢丝绳跨越索夹上预留的索 槽骑跨在主缆上。骑跨式索夹一般分为左右两半， 索夹壁外侧设有２条承索凹槽，凹槽呈喇叭状，满足 钢丝绳吊索的微小摆动。采用骑跨式方式时，索夹 的受力状况比较好，但由于吊索绕过索夹时的弯曲 应力折减使得索体选材时要考虑更多的余量。应用 销接式连接结构时，可采用钢丝绳和平行钢丝２种 索体材料，由于没有弯曲段影响，可以选取较小的安 全系数。在这种连接方式下，需要配用销接式索夹， 吊索利用锚具一端的又形耳板与索夹下部的耳板销 接，这种索夹一般分成上下两半，下半索夹设下垂的 耳板，耳板与吊杆上锚头的又形耳板销接。悬索桥 吊索与加劲梁的连接方式可以有承压式和销接式 等，由加劲梁的锚固形式决定。 （ａ）销接式吊索索夹 （ｂ）骑跨式索夹 图３吊索索夹结构示意 目前吊索制造和架设工艺基本成熟，主要问题 是腐蚀防护问题。平行钢丝销接式吊索近年使用较 多，已经初步形成结构腐蚀防护系统，且在不断改进 提高。钢丝绳骑跨式吊索一直采用涂装防护，由于 吊索承受动载，钢丝绳存在结构间隙，涂装效果受到 维普资讯 http://www.cqvip.com ７２ 桥梁建设 ２００８年第１期 影响，维护保养工作量较大。建议应用以下防护方 和索夹的结构构造和材料选择。 案：①钢丝绳涂装特殊渗透型防腐油脂（如ＬＩＱ— ＵＩＤ～Ａ等专用防腐润滑油脂）形成保护膜层，还可 ４结 语 渗透至钢丝绳中心，排出湿气，形成的膜层屏蔽作为 由于三塔悬索桥的结构特殊，必然会反映出一 长期保护。②吊索索体外套ＰＥ防护层，索体内填 些新问题，需要业主、设计、施工等相关人员深入试 充防腐材料，锚固端密封，隔绝腐蚀源。③表层涂 验研究、分析探讨，做好施工预案。三塔悬索桥是一 装特殊成膜涂料形成屏蔽保护层。 种全新的悬索桥结构形式，在国内合适的桥位建设 索夹是２个同轴半圆形铸钢机加工构件，两半 三塔悬索桥，有助于拓宽悬索桥的适用范围，推动世 索夹用高强螺栓夹紧在紧缆后的主缆上，接缝处嵌 界桥梁建设的创新和发展，成为我国由桥梁大国向 填橡胶防水条。利用紧密夹持后索夹内壁与主缆间 桥梁强国发展的重要标志。 的摩擦力，来抵抗吊索在主缆切线方向分力引起的 下滑力。在不设吊索的边跨需要设置无吊索索夹， 按功能可分为锥形封闭索夹和普遍封闭索夹。索夹 参 考 文 献： 加工主要是控制铸件和机加工两大工序，保证索夹 ［１］杨进．泰州长江公路大桥主桥三塔悬索桥方案设计 铸件质量和成品结构尺寸。销接式主要考虑摆角问 的技术理念［Ｊ］．桥梁建设，２００７，（３）：３３—３５． 题，铸造时要特别控制好耳板承力结构的质量。骑 ［２］ 向中富，徐君兰．各种缆索形式吊桥的挠度理论分析 ｒＪ］．国外桥梁，１９８４，（４）：１５—１７． 跨式主要考虑索槽角度和尺寸控制，两半索夹合在 ［３］ Ｏｓａｍｕ Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｍｏｔｏｉ Ｏｋｕｄａ，Ｔａｋｅｏ Ｍｏｒｉｙａ．Ｓｔｒｕｃ— 起，原来铸件的索槽角度会出现配合偏差，需要考 ｔｕｒａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｕｒ－Ｓｐａｎ 虑成品索夹的实际索槽夹角。 Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， 跨中的短吊索在活载及横向风荷载作用下，沿 ＡＳＣＥ，２００４，（９—１０）：４５３—４６３． 纵桥向和横桥向的弯折均较大，容易引起疲劳问题。 ［４］张自荣，叶觉明．润杨大桥主缆用１２７丝ＰＰＷＳ制作 需要结合三塔结构的结构特点，综合考虑跨中吊索 工艺的质量控制［Ｊ］．桥梁建设，２００４，（６）：７０～７２． （上接第６８页） ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９９． ６ 结 语 ［２］ 黄晓明，王捷，陈仕周．大跨钢桥桥面铺装结构受力 胜利黄河大桥钢桥面自２００３年采用浇注式沥 分析［Ｊ］．土木工程学报，１９９９，（１）：３７—４２． 青混凝土重新铺装以来，运营良好，达到了预期效 ［３］黄卫，钱振东．高等沥青路面设计原理与方法［Ｍ］． 果。浇注式沥青混合料必须使用专门的运输设备和 北京：科学出版社，２００１． ［４］ 陈静云，王京元，潘宝峰，等．沥青混凝土桥面铺装早 专用摊铺机，这在一定程度上加大了工程费用，但是 期病害原因分析和结构方法综述［Ｊ］．东北公路， 它的厚度薄于常规沥青混凝土，节省了材料，减轻了 ２００３，（２）：９９—１０１． 桥梁自重，从长远来看，其养护、维修的费用大大减 ［５］梁乃兴，韩森，屠书荣．现代路面与材料［Ｍ］．北京： 少，其远期效益明显，有着良好的推广应用前景。 人民交通出版社，２００３． ［６］ＪＴＧ Ｆ４０～２００４，公路沥青路面施工技术规范［ｓ］． 参 考 文 献： ［１１胡长顺，王秉纲．复合式路面设计原理与施工技术
