池州秋浦河矮塔斜拉桥斜拉索体构造及施工

林立军，陈金水

(1.湖南路桥建设集团公司，湖南 长沙 410004，2.池州市公路局，安徽 池州 247100 )

1 概述

秋浦河特大桥位于池州市境内杏花村农贸市场和梅里开发区之间，全长1 068 m，桥宽34.0 m，是济祁高速池州长江大桥连接线跨越秋浦河的控制性工程，总体布置(图1)为:(8 ×30 m)+(80 m+140 m+80 m)+(55 m+90 m+55 m)+(10 ×30 m+22 m)，跨江80 m+140 m+80 m 为矮塔斜拉主桥;跨堤55 m+90 m+55 m 为变截面连续箱梁桥;引桥为30 m 先简支后连续组合箱梁。

图1 池州秋浦河特大桥整体桥型布置图

秋浦河大桥主桥为双塔双索面预应力混凝土部分斜拉桥，跨径布置为80 m+140 m+80 m=300 m。

主塔桥面以上高23.5 m，为钢筋混凝土结构。斜拉索为双索面，每个塔均设有9 对斜拉索，梁上锚固点顺桥向间距为5 m，横桥向间距为1.3 m。采用环氧钢绞线斜拉索体系，斜拉索由环氧钢绞线单层无粘接筋、HDPE 外套管、拉索锚具、防腐油脂等组成。塔上设置规格为43 丝和55 丝的分丝管式转向鞍座，拉索锚具采用可换索式OVM250AT—43/55 群锚体系，单根钢绞线规格直径为15.2 mm，钢绞线标准强度为1 860 MPa。

2 新型斜拉索体系

2.1 体系组成

本桥采用可换索式OVM250AT —43/55 群锚锚具+多层防护的环氧树脂斜拉索体系。

该体系由锚固段+过渡段+自由段+抗滑锚固段+塔柱内索鞍段+抗滑锚固段+自由段+过渡段+锚固段构成。见图2，表1。

2.2 体系特点

1)采用环氧钢绞线斜拉索体提高斜拉索耐久性。

普通镀锌钢绞线其表面采用电镀锌层来保护钢绞线，其原理是通过牺牲锌层来保护基材，锌层是一种消耗性涂层，会在腐蚀环境中逐渐消耗掉，其对钢绞线的保护能力会随着时间的延续而降低。同时，目前国内采用的镀锌工艺会降低钢绞线的极限强度、疲劳强度，增加钢绞线的氢脆性。

本套体系中采用表面涂抹环氧树脂被膜的环氧树脂钢绞线(图3)替代以往普通的镀锌钢绞线，通过钢绞线芯线和侧线的外表面均单独形成隔离涂膜，大大提高钢绞线在桥梁恶劣室外条件下耐腐蚀能力。其表面涂膜基本不因时间的延续而发生损失、老化，从而大幅度提高了钢绞线的耐久能力。同时，其表面隔离涂膜与钢绞线亲和性好，不损伤钢绞线基层，对材料的力学性能无任何影响。且因芯线和侧线的外表面均单独形成被膜，各钢丝之间不受约束，因而弯曲半径在钢绞线直径的5 倍以上时不发生龟裂、膨胀、剥落等现象，其弯曲性能相对于普通钢绞线大大提高，有利于安装施工。

图2 桥斜拉索构造示意图

表1 斜拉索分段组成表

图3 斜拉索钢绞线构造示意图

2)采用可换索式OVM250AT—43/55 群锚体系提高斜拉索可维修性。

通常，斜拉索在其使用过程中，由于桥梁所处的室外复杂的风、霜、雪、雨、高、低温的影响。即使在各种防腐措施的保护下，也易于发生腐蚀。在此情况下，需对桥梁的斜拉索进行更换。通常，腐蚀的斜拉索是整束进行更换的，更换方法一般为先拆除后安装的方式进行。

采用这种方式进行更换，在旧的斜拉索拆除后，新斜拉索安装前，桥梁的承载力大幅度降低。

目前，国内桥梁界一般的应对方法是:在桥梁更换斜拉索期间要求桥梁封闭交通;同时要求桥梁设计时，大幅度提高桥梁上构的极限承载力，以适应桥梁在换索期间不至因为本身自重发生桥梁破坏。

这种斜拉索整束更换方式不仅使桥梁的建设成本大幅度提高，而且也大幅度提高了桥梁的维护营运成本，给车辆的交通、人员出行带来一定的不利。

秋浦河特大桥矮塔斜拉主桥创新地采用可换索式OVM250AT—43/55 群锚体系实现了斜拉索的单根换索。见图4。

图4 OVM250AT－43/55 群锚体系构造示意图

①平行钢绞线索体。

秋浦河特大桥矮塔斜拉主桥斜拉索为平行钢绞线索体，钢绞线为环氧钢绞线单层无粘接筋，各钢绞线间相互无约束、粘结。这为斜拉索钢绞线的单根换索提供了前提条件。

②无粘结索鞍分丝管(图5)。

同时，可换索式OVM250AT －43/55 群锚体系的精巧设计，实现了可单根换索。

分丝管分别由43/55 根φ 22 ×3 mm 的钢管焊接成整体，埋设于混凝土塔内。斜拉索钢绞线通过分丝管中的单根钢管分别穿过塔身，钢绞线相互之间、钢绞线与塔柱混凝土间均不直接接触，同时，钢绞线在无其它约束的条件下，可在分丝管的单根钢管中自由滑移。

图5 无粘结索鞍分丝管构造

③对称交错布置的抗滑键。

由于塔柱主、边跨斜拉索的钢绞线在塔柱是联通的，且在索塔分丝管内能左右自由滑移，在矮塔斜拉桥主、边跨施工、营运期间，由于汽车等移动荷载及其它荷载的不对称布置，使联通斜拉索不均匀受荷，致使斜拉索钢绞线在塔柱索鞍分丝管内发生滑移，导致其受力状态不明确，主梁竖向位移、应力增大。为避免这种情况的发生，在索塔索鞍分丝管两侧锚垫板外侧的斜拉索钢绞线上预先设置抗滑移键(图6)。

斜拉索钢绞线通过对称交错式布置的抗滑键锚固在塔身两侧:斜拉索钢绞线通过预先设置在其上的抗滑键锚固在塔柱中预埋的索鞍分丝管两侧的锚垫板上，同时，为便于斜拉索的安装施工，抗滑键在斜拉索钢绞线上为交错对称布置，即一根斜拉索钢绞线的抗滑键锚固于塔柱的一侧，其周边相邻的钢绞线就锚固于塔柱的另一侧，单根钢绞线上仅设置一个抗滑键。

通过抗滑键的设置，有效地确保斜拉索钢绞线在其桥梁施工、营运期间，主、边跨斜拉索不发生相对位移。在斜拉索钢绞线单根换索期间，在斜拉索钢绞线塔柱无抗滑键侧将钢绞线切断，将钢绞线从另一端退出即可。

图6 斜拉索钢绞线抗滑键

3 斜拉索安装施工

3.1 主要的施工方法

根据池州秋浦河特大桥斜拉主桥斜拉索单根钢绞线间相互无粘结的特性，安装时，采用单根挂索、单根张拉的施工方法。即通过斜拉索组成的钢绞线的单根挂索实现整束斜拉索的挂索完成;通过斜拉索组成的钢绞线单根张拉实现整束斜拉索的张拉到位。

3.2 工艺流程

施工准备HDPE→圆管安装→单根挂索→单根张拉→索箍、减振装置安装→锚具防护。

3.2.1 技术要点

1)HDPE 套管安装(图7)。

HDPE 分段运输至工地后，根据其安装长度，采用专用设备进行加热焊接，焊接温度为170 ℃ ±10 ℃，采用加压焊接。

HDPE 套管焊接完成后，塔吊、卷扬机、手拉葫芦将其两端分别安装固定与塔柱相应索鞍分丝管锚垫板附近及梁端相应索导管梁面入口附近。

在HDPE 套管内安装第一根钢绞线，预张拉，减小HDPE 套管在空中垂度，便于后续索钢绞线的安装。

2)斜拉索钢绞线的安装。

斜拉索钢绞线的安装采用单根穿索的方式进行。

图7 HDPE 套管安装示意图

在其安装前，按设计要求，在钢绞线的穿索路线上安装好锚杯、护套等其它附属构件，以便钢绞线的一次性穿索完成。

预先在工厂内按设计长度+工作长度完成钢绞线的下料，下料时，应注意钢绞线上抗滑键的位置是否与设计位置相符合。然后将钢绞线的一端由塔柱一侧的梁面HDPE 套管底口穿入，顺着HDPE 套管向上穿索，通过塔柱内预埋分丝管钢管至塔柱的另一面，穿入塔柱另一侧的HDPE 套管直至塔柱另一侧梁面的索导管口。再利用该侧索导管内预留的牵引绳，将钢绞线端头牵引入索导管并伸出索道管的锚点板、锚杯并留有足够工作长度。

穿索开始侧同样利用索导管内预留的牵引绳，将钢绞线端头牵引入索导管并伸出索道管的锚点板、锚杯并留有足够工作长度。

在斜拉索钢绞线的穿索过程中，应注意钢绞线抗滑键的布设。穿索完成后，应确保钢绞线的抗滑键是顶紧在索鞍分丝管锚垫板上的。

由于斜拉索相邻钢绞线的抗滑键是交错对称布置的，在一根钢绞线安装完成后，应从该根钢绞线开始安装侧的另一侧开始相邻钢绞线的安装。

按以上方法，完成一束斜拉索所有钢绞线的安装。

在斜拉索的安装过程中，应对斜拉索进行一定程度的预紧，防止其垂度过大。同时亦应防止其打绞。

3)斜拉索钢绞线的张拉。

斜拉索的张拉采用钢绞线单根张拉的方法完成整束张拉。

①钢绞线张拉方法。

由于斜拉索多根钢绞线分先后依次进行单根张拉，每一根张拉的钢绞线会使梁端上抬，致使前面张拉的钢绞线缩短，产生应力损失，导致钢绞线应力不满足设计要求且受力不均匀。

施工时采用等张拉法可有效地解决这一问题。

等张拉力法原理:当前绞线控制张拉力=前一绞线张拉力－前两根绞线放张后传感器读数的差值。

②钢绞线张拉过程。

a)依次安装单根张拉支座和YLSDl60 —150 千斤顶。

b)按单根初始张拉力依次张拉1#、2#钢绞线，并在3#绞线上安装传感器，3#钢绞线放张锚固后传感器显示读数N3。

c)按计算的单根初始张拉力张拉4#绞线，4#绞线放张锚固后传感器显示读数N4。

d)5#绞线的张拉力=4#绞线张拉力－(N3 －N4)，即:当前绞线张拉力=前一绞线张拉力－前两根绞线放张后传感器读数的差值。

e)依此类推，一直张拉完43#绞线，再返回头按相同方法依次张拉1#、2#、3#钢绞线，张拉3#绞线前先将安装在其上的传感器取出，再按相同方法计算好的张拉力来张拉3#绞线，到此，一对斜拉索张拉结束。

f)在单根张拉完每一根绞线后，应严格控制工作夹片的跟进平整度。

g)在单根张拉过程中，两侧应同时均衡进行加载。

h)拉索从锚具的上一排到下一排，从左至右依次挂设张拉。

③钢绞线第一级初张力的确定。

一般在普通预应力钢绞线的张拉施工过程中，采用两级张拉，利用第一级初张拉消除其它非弹性变形。

斜拉索钢绞线相对于普通预应力钢绞线在预应力张拉过程中非弹性变形有很大的不同:斜拉索钢绞线在空中一般成悬链线分布(图8)。在不同的张拉力T 下，其垂度fm不同，导致斜拉索钢绞线在固定的锚点间的自然长度S 亦不同。当张拉力增大时，钢绞线的垂度fm变小，钢绞线在固定的锚点间的自然长度S 亦变小，产生一个因垂度变化而导致的非弹性伸长。致使斜拉索钢绞线张拉时，其伸长量大于按普通预应力束计算的伸长量值。

图8 斜拉索钢绞线空间线型分布图

同时，钢绞线在固定的锚点间的自然长度S 变化幅度与张拉力T 的大小成反比。因此，在施工时必须考虑斜拉索钢绞线在张拉过程中，逐渐增大拉力T 作用下，其因空间垂度变化fm导致固定的锚点间的自然长度S 减小而产生的非弹性伸长值对施工影响。

同时，根据斜拉索钢绞线两级张拉施工特性及其在固定的锚点间的自然长度S 变化幅度与张拉力T 的大小成反比的特性，通过控制第一级初张力的大小，有效控制斜拉索钢绞线因空间垂度变化fm导致固定的锚点间的自然长度S 减小而产生的非弹性伸长值对施工影响。

为便于计算，在施工时，将斜拉索钢绞线的空间线型由悬链线简化为抛物线型，按以抛物线的公式分别计算出斜拉索钢绞线在固定锚点间，在不同的拉力作用下，固定的锚点间的自然长度S。并通过其与设计张拉力作用下，固定的锚点间的自然长度S 值差值(即非弹性伸长值)的对比，得出合适的第一级初张力。

如图9所示，q 为斜拉索自重集度，fm为斜拉索跨中的径向挠度。因索不承担弯矩，根据索处弯矩为0 的条件，得到:

根据抛物线长度的计算公式:

得:

式中:S 为钢绞线在T 张拉力下的空间长度;q 为斜拉索自重集度;l 为斜拉索钢绞线两端锚点间直线距离;T 为斜拉索钢绞线张拉力;α 为斜拉索空间倾角;Sn%T为第一级初张力下的 S 值;S100%T为100%张拉力T 下的S 值。

图9 计算简图

根据以上公式计算出秋浦河特大桥斜拉主桥N1～N9 斜拉索单根钢绞线在5%、10%、20%设计张拉力下的S 值与100%设计张拉力的差值及偏差百分比。

通过计算，在5%设计张拉力T 下，最大偏差为13%;10% 设计张拉力 T 下，最大偏差为3.1%;20%设计张拉力T 下，最大偏差为0.008%。由此可看出20%设计张拉力T 下，最大偏差远小于施工规范规定的6%的偏差限值，几乎可忽略不计。

因此，秋浦河大桥斜拉主桥斜拉索钢绞线施工时，第一级初张力选择为20%的设计张拉力。

4)紧索、梁端减震器、管口索夹、塔端减振器、索箍及连接装置等其它附属构件的安装。

斜拉索钢绞线全部张拉结束后，立即进行紧索、梁端减震器、管口索夹、塔端减振器、索箍及连接装置等其它附属构件等工作。

5)防护。

在斜拉索张拉端锚具的外露部分涂抹10 mm厚度的防腐油脂并安装保护罩;梁端锚具密封筒内灌注防腐油脂进行防护。

4 结束语

矮塔斜拉桥为我国桥梁界日渐推广应用的一种桥型。其中斜拉索为该种桥型的主要组成构件。

可换索式OVM250AT －43/55 群锚锚具+多层防护的环氧树脂斜拉索体系及其施工安装方法在池州秋浦河特大桥斜拉主桥上的成功应用，为矮塔斜拉桥推广应用积累了成功的经验，为同类型桥梁的建设提供了可供借鉴的范例。