馬碧波， 肖 剛, 廖劉算

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 杭州 310006)

溫州甌江北口大橋?yàn)槭澜缡鬃?塔4跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，采用雙層橋面設(shè)計(jì)，上層為寬33.0 m的高速公路；下層為寬32.5 m的一級(jí)公路。其纜跨布置為230 m+800 m+800 m+348 m=2 178 m，如圖1所示，加勁梁采用雙層板桁組合鋼桁梁，半飄浮體系[1-2]。項(xiàng)目所在水域年平均潮差3.94 m，最大潮差5.35 m；平潮期航道水深約8 m～10 m；設(shè)計(jì)最高通航水位4.61 m，設(shè)計(jì)最低通航水位-3.35 m；本項(xiàng)目地處浙江東南沿海，氣象條件惡劣，受臺(tái)風(fēng)影響大，橋位處基本風(fēng)速43.2 m/s。

單位：m

1 主纜設(shè)計(jì)與施工

1.1 纜索系統(tǒng)總體布置

纜索系統(tǒng)的布置需確定主纜IP點(diǎn)的高程、轉(zhuǎn)索以及散索角度，橋位處塔頂有永強(qiáng)機(jī)場(chǎng)航空限高限制，要求不超過+154 m，梁底有通航凈空53.5 m限制。經(jīng)比選1/10～1/11.5的矢跨比后發(fā)現(xiàn)：主纜采用1/10矢跨比時(shí)，中塔處主纜抗滑移和主梁剛度指標(biāo)最好，同時(shí)塔頂高程和最短吊索長(zhǎng)度均滿足要求，可最大程度減小主纜拉力和錨碇負(fù)載。塔頂IP點(diǎn)高程最終確定為+151 m，吊索下吊點(diǎn)布置在鋼桁梁下層橫梁懸挑處，但主跨跨中約300 m纜梁相交區(qū)由于受空間限制而無法采用常規(guī)纜載吊機(jī)進(jìn)行吊裝，需采用大型浮吊或分體式纜載吊機(jī)進(jìn)行吊裝施工。

塔頂IP點(diǎn)高程和矢跨比確定后，由于兩中跨對(duì)稱，即中塔兩側(cè)的轉(zhuǎn)索角已定，因此只需確定邊塔處轉(zhuǎn)索角度和散索鞍處散索角度。邊塔處轉(zhuǎn)索角度主要是控制邊塔兩側(cè)轉(zhuǎn)索角度的差值，若角度差太大，會(huì)造成背索布置過多而無法錨固。由于樂清側(cè)錨碇?jǐn)U大基礎(chǔ)受地形開挖限制，經(jīng)比選后其散索鞍處IP點(diǎn)高程定為+48 m，樂清側(cè)邊塔主索鞍轉(zhuǎn)索角度差值最大，達(dá)到7.6°，經(jīng)計(jì)算需設(shè)置3對(duì)背索。散索鞍處散索角度也是控制散索鞍處兩側(cè)轉(zhuǎn)索角度的差值，若角度差太小，會(huì)造成錨跨側(cè)頂層索股與鞍槽接觸長(zhǎng)度過短，從而導(dǎo)致頂層索股無法壓緊出現(xiàn)脫空。瑞安側(cè)錨碇受沉井基礎(chǔ)頂標(biāo)高限制，IP點(diǎn)高程定為+38 m，其散索鞍處轉(zhuǎn)索角度差值最小，達(dá)到18.7°，剛好滿足要求。

考慮貓道布置寬度以及纜載吊機(jī)工作空間后，主纜橫橋向間距確定為41.8 m，主纜與鋼桁梁之間的凈距不小于1.8 m，如圖2所示。本橋荷載48.7 t/m，其中一期恒載約35.5 t/m，為控制鋼桁梁吊裝重量，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距按縱橋向10 m布置，鋼桁梁最大吊裝重量約813 t。

1.2 主纜抗滑移設(shè)計(jì)

國內(nèi)懸索橋主纜鋼絲強(qiáng)度級(jí)別一般采用1 770 MPa、1 860 MPa[3-5]，近年來有個(gè)別大跨度橋梁擬采用更高強(qiáng)度2 000 MPa以上的鋼絲[6]。甌江北口大橋主纜高強(qiáng)鋼絲自重占總恒載的比例約為14%，如果將主纜鋼絲級(jí)別由1 860 MPa提高到1 960 MPa，主纜鋼絲用量減少5.4%，總恒載減少0.81%?？紤]采用強(qiáng)度更高的1 960 MPa高強(qiáng)鋼絲后，盤條的來源較為單一、受控因素多，因此主纜最終采用169股抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)。每根索股由127根Φ5.4的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲組成。主纜緊纜成形后其索夾內(nèi)直徑為889 mm(北邊跨)、874 mm(中跨和南邊跨)，索夾外直徑為900 mm(北邊跨)、885 mm(中跨和南邊跨)。通長(zhǎng)索股每盤重約54 t，背索索股重約8 t，如圖3所示。

若采用A型混凝土剛性中塔[7-8]，其成橋狀態(tài)抗推剛度將達(dá)到260 MN/m，中塔主纜與索鞍之間的抗滑移安全問題尤為突出。為解決該難題，大橋創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了高摩擦性能索鞍[9]。通過設(shè)置豎向摩擦板，如圖4所示，增加主纜與索鞍間的摩擦面以提高其名義摩擦系數(shù)。豎向摩擦板沿高度方向?yàn)檎w結(jié)構(gòu)，沿順橋向分為對(duì)稱的2塊，底部與鞍槽采用開坡口全熔透焊接。共設(shè)置14道厚12 mm～16 mm整體式豎向摩擦板，其橫向凈距與索股寬度保持一致，為61 mm。為驗(yàn)證方案的可行性，在主纜與鞍槽滑移機(jī)理、側(cè)向力理論與計(jì)算、高摩擦性能索鞍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作工藝上開展了一系列研究與技術(shù)攻關(guān)[10-12]。采用豎向摩擦板設(shè)計(jì)的索鞍經(jīng)過抗滑移性能評(píng)估計(jì)算后，其名義摩擦系數(shù)取值從0.15提高到0.3以上，使得中塔主纜的抗滑移安全系數(shù)達(dá)到2.0以上，計(jì)算結(jié)果見表1。

單位：mm

單位：mm

1.3 主纜防護(hù)設(shè)計(jì)

主纜作為懸索橋主要承力結(jié)構(gòu)，后期幾乎不可更換[13]。甌江北口大橋所處的大氣環(huán)境屬于C5-M高腐蝕環(huán)境，主纜防腐體系要求高，采用S形鋼絲+磷化底漆/環(huán)氧底漆+硫化型橡膠密封劑+柔性氟碳面漆+主纜除濕系統(tǒng)的配套體系。同時(shí)因存在纜梁相交區(qū)，為防止火災(zāi)對(duì)主纜造成不可逆的損傷，對(duì)中跨跨中220 m范圍內(nèi)的主纜進(jìn)行阻燃隔熱防火設(shè)計(jì)。

圖4 中塔豎向摩擦板索鞍構(gòu)造效果圖

目前，防火型式主要有防火涂料和防火纏包帶2種[14-15]。防火涂料粘結(jié)力一般約為3 MPa，但在橋梁運(yùn)營過程中易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；防火纏包帶主要有陶瓷化復(fù)合隔熱阻燃包帶、復(fù)合纖維耐火隔熱阻燃包帶、氣凝膠隔熱阻燃包帶3種。經(jīng)調(diào)研比選，氣凝膠隔熱阻燃包帶與主纜防腐體系具有良好的兼容性和延展性，且能適應(yīng)主纜變形，不對(duì)主纜密封產(chǎn)生影響，與此同時(shí)，二者采用纏包方式結(jié)合，在主纜的振動(dòng)、風(fēng)荷載作用下具有良好的粘結(jié)性。為此，本項(xiàng)目在主纜防腐體系的硫化型橡膠密封劑與柔性氟碳面漆之間增設(shè)一層5 mm厚的氣凝膠隔熱阻燃層，以滿足防火設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

表1 中塔主纜抗滑移主要荷載工況計(jì)算結(jié)果

(a) 立面

(b) 剖面

1.4 主纜索股入鞍技術(shù)

傳統(tǒng)索鞍由上下分塊的多片隔片形成索槽，隔片本身不參與受力，每塊隔片高度約200 mm～250 mm，根據(jù)索股入鞍進(jìn)度分層疊加。因此，對(duì)于傳統(tǒng)索鞍而言，進(jìn)行索股入鞍操作時(shí)索股單次入索槽的深度較小，人工可進(jìn)去操作，隔片不會(huì)影響索股入鞍。甌江北口大橋采用高摩擦性能索鞍索股入鞍，與傳統(tǒng)索鞍相比，在施工上有如下特點(diǎn)和難點(diǎn)：1) 采用傳統(tǒng)方法入鞍時(shí)，索股下方無支撐，進(jìn)入鞍槽的索股處于無約束狀態(tài)，易造成跳絲、散絲等問題，入鞍過程難以精確控制；2) 高摩擦性能索鞍采用的整體式豎向摩擦板為主要受力構(gòu)件，一次焊接成形，索槽狹長(zhǎng)而深度大，索槽底部人工無法直接到達(dá)進(jìn)行相應(yīng)操作；3) 鞍槽最深處約907.5 mm，入鞍時(shí)需借助外力頂推索股入鞍，無法保證索股鋼絲在鞍槽內(nèi)的排列及成型質(zhì)量，造成鋼絲受力不均，且施工過程易導(dǎo)致摩擦板變形量大，影響索股入鞍。

為解決深槽索股入鞍帶來的問題，研發(fā)了索股入鞍專用裝備，如圖6所示。索股入鞍專用裝備主要由行走軌道、設(shè)備框架、頂推壓桿、導(dǎo)引小車等部件組成。入鞍順序從鞍槽一端開始，向另一端推進(jìn)，由行走系統(tǒng)在前面牽引，頂推壓桿在索股上面施壓，導(dǎo)引小車在索股下面支撐。行走系統(tǒng)從一端行走到另一端，索股從端頭往端尾逐漸安裝到位。采用索股入鞍專用裝備，有效提高了高摩擦性能索鞍中進(jìn)行索股入鞍施工的質(zhì)量和效率。

圖6 索股入鞍專用裝備

2 吊索設(shè)計(jì)與施工

吊索的選型除受主纜直徑約束外，還要保證與主梁連接的可靠性。甌江北口大橋吊索設(shè)置于下層橋面，考慮到平行鋼絲吊索具有強(qiáng)度高、吊索截面小、防腐性能好、與主梁的牛腿連接構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，擇優(yōu)采用了銷接式平行鋼絲吊索。

吊索縱向標(biāo)準(zhǔn)間距10.0 m，主塔兩側(cè)最近處吊索到主塔中心線距離采用2個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度20 m布置，其目的是降低主塔處主梁支座負(fù)反力，同時(shí)減小主塔附近擾流風(fēng)作用下長(zhǎng)吊索的振動(dòng)。

除梁端兩側(cè)每吊點(diǎn)設(shè)置3根吊索外，其余每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置2根吊索。吊索采用鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 770 MPa預(yù)制平行鋼絲束，單根普通吊索由151Φ5鍍鋅高強(qiáng)鋼絲構(gòu)成，單根特殊吊索由223Φ5鍍鋅高強(qiáng)鋼絲構(gòu)成。

吊索在錨口處設(shè)置一段熱軋無縫鋼管(連接筒)與錨頭相連，鋼管與吊索之間填充密封材料，以改善吊索的彎折疲勞性能；考慮到該橋設(shè)計(jì)風(fēng)速大，為適應(yīng)主纜的橫向位移，防止纜、梁位移不同步造成吊索彎折疲勞破壞，所有吊索錨頭處均設(shè)有適應(yīng)橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)軸承。

施工時(shí)，吊索運(yùn)至安裝點(diǎn)下面，從索夾處放下吊繩，穿過貓道，將吊索向上吊升，直至插入耳板，對(duì)準(zhǔn)銷孔，安裝銷軸及擋板。

3 索夾設(shè)計(jì)與施工

3.1 索夾設(shè)計(jì)措施

1) 為減少主纜傾角不同造成索夾類別過多的問題，將長(zhǎng)度、角度相近的索夾并為一組，同一組索夾耳板銷孔位置略有變化，以適應(yīng)索夾傾角的變化；

2) 為使2個(gè)銷孔保持水平并盡量避免吊索偏心受力，銷孔對(duì)稱于通過索夾中心的垂直線布置，各類索夾上均設(shè)有安裝主纜檢修道立柱的相應(yīng)構(gòu)造；

3) 為防止索夾螺桿處進(jìn)水，同時(shí)增強(qiáng)氣密性，設(shè)置了螺桿和螺母防水罩；

4) 為便于施工監(jiān)測(cè)時(shí)防止索夾滑移，靠近索塔區(qū)的索夾螺桿長(zhǎng)度在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加長(zhǎng)，以預(yù)留安裝穿心式壓力環(huán)監(jiān)測(cè)螺桿應(yīng)力。

3.2 索夾施工流程

1) 施工時(shí)索夾先吊至塔頂，通過專用吊具沿主纜運(yùn)至安裝位置；

2) 精確定位后，穿入螺桿并按首次安裝夾緊力張拉螺桿；

3) 在加勁梁安裝完畢及主纜防護(hù)前，再經(jīng)2次張拉以補(bǔ)足螺桿拉力。

4 結(jié)束語

甌江北口大橋主橋設(shè)計(jì)為3塔4跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，相比于3塔2跨或單跨結(jié)構(gòu)，受力更復(fù)雜，施工難度更大，主要結(jié)論如下：

1) 為滿足通航凈空與航空限高的要求，吊索吊點(diǎn)設(shè)于下層橋面；主纜除采用了防腐設(shè)計(jì)外還增設(shè)了防火功能，較好地解決了纜梁相交區(qū)的主纜安全性問題。

2) 針對(duì)剛性中塔3塔懸索橋主纜的滑移問題，中塔索鞍采用了特殊防滑設(shè)計(jì)，以低成本徹底解決了困擾多塔懸索的“中塔效應(yīng)”問題。

3) 索股入鞍采用了自動(dòng)化、智能化的專用裝備，提供了主纜入深槽索鞍的合理解決方案，解決了高摩擦性能索鞍帶來的安裝難題。

甌江北口大橋已于2022年5月建成通車，其設(shè)計(jì)意圖得以實(shí)現(xiàn)，索股架設(shè)功效較以往懸索橋均有所提高。