壹、懸索橋簡介
懸索橋是指以受拉纜索為主要承重構件的橋梁,由主纜、橋塔、錨具、吊桿(吊桿)、橋面結構等部分組成。主纜通過索鞍懸掛在橋塔上,錨固在兩側(或橋梁兩端)作為主要承重構件,壹般由多根鋼絲擠壓而成,每根鋼絲由多根鋼絲組成;主纜的幾何形狀由力的平衡條件決定,壹般接近拋物線。橋塔主要承受主纜的壓力,壹般采用混凝土,部分橋梁采用鋼塔;索塔頂部設置索鞍支撐主纜。
錨具是主纜錨具的總稱,由混凝土錨塊(含鋼筋)、支架、錨桿和鞍座(松索鞍座)組成。主纜通過轉向、展開、錨固等部件進入錨具。吊索是壹種從主纜上垂下的纜索,用於懸掛橋面。吊索通過索夾與主纜連接,將橋面結構的重力傳遞給主纜;加勁梁通常布置在橋面和吊索之間,與纜索形成組合體系,以減小活載引起的撓度和變形。懸索橋按纜索系統可分為單跨、雙跨、三跨和多跨。根據主纜的錨固方式,可分為地錨式和自錨式。
二、懸索橋施工技術簡介
1.錨地建設。錨具主要由錨塊、錨桿和鞍座組成。錨塊的主要作用是容納錨碇的錨固系統,將較大的索張力傳遞給巖體,分為重力式和隧道式;如果錨地表面附近有堅固的巖石層,建造隧道錨可能比較經濟;然而,隧道錨桿的缺點是傳力機理不清楚。適用於隧道錨施工的錨場地質條件應具有以下特點。(1)錨固區地質條件應為區域穩定。錨地不應有滑坡、崩塌、傾倒體、層間滑動等區域性地質災害,不應有深大斷裂帶通過。(2)錨固區的巖體應具有較強的整體性。錨址區巖體中不應再有裂隙、層理等地質構造,降低了巖體的完整性,對控制隧道錨的位移極為不利。(3)錨固區的巖體應具有較高的強度。由於隧道錨桿的承載力與巖體的強度密切相關,因此要求錨固區的巖體應具有較高的強度,以滿足隧道錨桿的承載要求。
如果錨塊采用重力錨,在情況1中,如果錨址區地面附近有堅實的基巖,錨塊應嵌入基巖中,使錨塊前方的基巖通過承壓來抵抗主纜的拉力。比如廣東汕頭海灣大橋,就是利用兩邊的巖層來抵抗主纜的拉力。如果錨固區堅實的基巖位於橋面以下,深度僅30 ~ 50m,可修建直接位於基巖上的錨墩;如果堅實基礎埋得較深,設計意圖是將荷載完全轉移到持力層,就需要設置開口沈箱、沈箱、大直徑樁(包括斜樁)等勘探基礎,這類錨桿造價相對較貴。錨桿的主要作用是作為開挖的初期支護,加強錨體與巖體的聯系,提高錨孔周圍開挖擾動區的強度,同時利用錨孔完成對錨體圍巖的註漿。其設置應根據錨孔圍巖整體結構連續性和錨孔圍巖普遍存在的松弛環厚度範圍,結合力學分析結果綜合確定。鞍座直接承受主纜施加在松鞍座上的壓力,並傳遞給基巖。
2.索塔建設。索塔體壹般采用翻模法分段澆築,要註意主塔連接板處的預留鋼筋和模板支撐預埋件。索塔施工控制主要是垂直度監控。每段混凝土施工完成後,在第二天早上8:00 ~ 9:00溫度相對穩定時,利用全站儀監測塔身垂直度,調整塔身混凝土施工。要避免在氣溫變化劇烈的時期進行試驗,同時要隨時觀察混凝土質量,及時調整混凝土配合比。索塔體澆築完成後,檢查頂面標高,符合設計要求後,清理表面,準備安裝索鞍;索鞍可以整體吊裝,也可以分段吊裝後組裝;索鞍安裝應嚴格控制索鞍橫向軸線偏差和標高偏差。還要求鞍體底面與底座緊密貼合,四周縫隙用黃油填滿。
3.主纜結構。主纜是懸索橋的主要受力構件,壹般由多股鋼索擠壓而成。為保證主纜受力均勻,每股鋼索必須與參考索平行,架設時必須妥善保護主纜,以免損傷主纜鋼絲。主纜施工時,需要架設循環索作為主纜股的牽引動力,架設貓道作為主纜施工的操作平臺。壹般主要施工程序為:(1)建立牽引系統,架設貓道;(2)主纜股的牽引;(3)制作單端冷鑄錨頭;(4)整形手術;(5)對準調整;(6)主纜定型;(7)安裝電纜夾和吊索。主纜架設方法分為架空送絲法(As法)和預制鋼絞線法(Pws法)。
無論采用哪種架設方式,都需要設置壹根參考線(或參考股)來調整其他導線的垂直度。為主纜的定型、線形調整、定型打好基礎;在我國,汕頭海灣大橋、虎門大橋、西陵大橋和廣東江陰長江大橋都是采用預制索股法架設的。主纜的初步成型應在溫度穩定的夜間進行。整形時,首先確定鋼絲束的排列是否有差異,主跨1/2和3/4與邊跨1/2處的鋼絲是否平行。如果有,及時調整。然後用鋼帶打包綁紮,剛開始綁紮間距較大,再用二分法加密至2.5m~5m ~ 5 m,初步定型後,主纜需要用緊索器拉緊。張拉先從兩座主塔向中跨張拉,再從主塔向兩側分別張拉,張拉間隔為1m。壓實後,將壓實前後的備用鋼帶綁在壹起,間距0.5m左右,主纜擠壓後,主纜截面和空隙率應滿足設計要求。主纜完成大部分恒載後,對主纜進行包裹,主纜進行防腐。
4.加強梁結構。鋼桁架常用於懸索橋的加勁梁,其架設方法也與鋼桁架橋相同。每個梁段拼裝完成後,立即用相應的吊索連接,使其自重從吊索轉移到主纜上。懸索橋加勁梁的架設壹般采用纜索起重機、纜索起重機和大型浮吊。纜索起重機由主梁、端梁以及各種運行和起升機構組成。起重機是在主纜上運行和工作的,所以主梁的跨度就是兩條主纜的中心距,起重機的運行機構必須能夠跨越索夾障礙。吊機在塔架附近架設橫梁時,由於主纜是傾斜的,應設置與索夾相對固定並抱緊的機構,以承受起吊時產生的滑動力;纜索起重機主要由起重小車、承重纜索和牽引纜索組成。
在架設吊車的橫梁之前,需要在兩側的索塔上架設吊車所需的承重索和牽引索。承重索承受起重小車和加勁梁的重力,牽引索承受吊梁時的滑動力,牽引起重機行走。三種架設方式相比,受環境因素、通航條件等條件限制,大型浮吊很少用於架設。纜索起重機在架設前需要架設大量的承重索和牽引索,大大增加了架設成本。纜索吊機由於直接支承在主纜上,被廣泛用於架設懸索橋的加勁梁,不僅節約成本,而且方便架梁。但在架梁時要註意對主纜的保護。
懸索橋以其力學性能好、跨越能力強、重量輕、外形美觀、施工方便等優點成為大跨度橋梁的首選。自20世紀90年代初以來,中國開始發展現代化的長懸索橋,如汕頭海灣大橋、廣東虎門大橋、廈門海滄大橋等。不僅為我國懸索橋施工技術提供了寶貴的技術經驗,也為我國懸索橋施工技術的進壹步發展奠定了基礎。
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