三塔多跨悬索桥新千年大桥的主缆安装

韩国的新千年大桥是一座三塔多跨悬索桥,主缆共有21股2667根钢丝组成,主缆安装采用了平行钢丝股PPWS法,安装工作于2017年6月~8月进行。本文主要介绍了猫道和鞍座的设计和安装以及主缆的架设。


1简介


21世纪桥梁技术的特点可归纳为两个关键词:超大跨径和超大规模。这些建造技术使得修建横渡海峡的悬索桥成为可能。这些大跨度桥梁需要某些特殊的施工技术确保通航空间符合航运的物流要求。

然而利用梁桥体系很难经济有效地克服有些约束,例如足够的通航空间、水深过大、不良的地质条件等。作为该问题的实用解决方案,多跨悬索桥作为下一代悬索桥技术正变得越来越有吸引力。

新千年大桥位于韩国全罗司南郡,是一座多跨悬索桥,由三座主塔和四跨主梁组成,韩国首次尝试该种桥梁体系。

2010年韩国开启连接Aphae岛和Amtae岛的连岛工程,新千年大桥为该项连岛工程的第二建造标段。

该桥为跨越海峡的第一座三塔悬索桥,主梁采用钢箱梁,设两个车道及两个人行道,总跨度为1750m,三座桥塔的高度分别为150.4m,163.2m和150.4m。这座桥为一座地锚式悬索桥。

直径为0.3m的主缆锚固于锚碇中,锚碇采用了反循环钻孔桩+钢开口沉井基础。中跨处,采用直径为75mm的吊索和满充式(CFRC)结构钢丝绳连接钢箱梁。


图1 新千年大桥桥跨布置图

图2 桥塔施工完后的新千年大桥(2017年2月)


2基本信息


该项目于2010年11月启动,基础工程和锚碇、桥塔的混凝土浇筑工程持续到2017年3月。

从2017年3月起,开始进行主缆的安装前的准备工作,包括临时结构,鞍座,猫道系统和牵引系统的安装,整个主缆准备工程共持续了3个月。最后PPWS法主缆安装工作从2017年6月至8月进行,整个安装过程大致持续了40天。主梁钢结构的架设工程于2017年12月开始,整座大桥将于2018年8月完工。

随着索承重桥梁跨径越来越长,每个结构构件的尺寸的增加是不可避免的,随之也带来了各种结构挑战。

在主梁采用箱梁的情况下,主梁横截面结构需要进一步加强,以确保其在水平面内保持足够的刚度并且能够抵抗扭转运动。对于缆索而言,考虑到张力与桥梁跨度的平方成正比,跨度的增加意味着主缆横截面的增加,一方面增加了结构自重,另一方面会导致主塔高度的增加。

作为克服这些问题的可替代方案,多跨悬索桥具有三个优点:

(1)可以减小中跨;

(2)改善了抗风稳定性;

(3)减小锚碇尺寸。

新千年大桥的设计采用了三塔悬索桥的结构,希望从以上三点改善结构。该桥基本信息如下。

主缆直径300毫米,由21根索股组成,每股包含127根钢丝,主缆由共计2,667根钢丝组成,所采用的5.3mm直径的钢绞线抗拉强度为1960MPa,详细信息见表1.

这座三塔悬索桥主缆安装采用平行钢丝股PPWS法,主缆总重为1847吨,一股钢绞线由127根钢丝组成。



图3 PPWS截面


鞍座底部基座为混凝土结构,上部为钢结构,这种鞍座首次应用于挪威的阿什桥(Askøy Bridge),在实用性和经济性方面都有很大的优势。


图4 鞍座设计


多塔悬索桥中需要关心的问题是:如何控制由中间塔顺桥向位移引起的主跨竖向挠度过大问题。新千年大桥桥塔采用H型桥塔以增加主塔的刚度,相对于两侧桥塔,中间桥塔的尺寸大,从而控制主桥竖向位移。

主梁截面的选择主要考虑风载稳定性和减轻自重。根据KUBO的最近的研究,如图5所示的五角形的加劲梁断面,当倾斜角度为13度,β值为30度时更能确保风荷载的稳定性。


图5 KUBO最近研究成果


图6 新千年大桥主梁截面


与短跨(指未设置副索鞍)悬索桥相比,锚碇使桥跨长度可以减小,因此可以相对减小传递到锚碇的水平分力。由于锚碇安装位置处沉积层深度较深,因此选择锚碇基础形式的时候需要考虑地基稳定性和易于施工性。最终锚碇基础选取RCD(反循环钻机)和钢沉井基础。


3猫道系统的安装


3.1 猫道设计



图7 猫道设计


悬索桥的猫道系统是连接两侧锚碇的一种临时结构,它使工人能够进入所有与主缆施工有关的工序,包括安装、紧缆、缠丝等。

这座桥的猫道系统由六根钢丝绳支撑,每根钢丝绳直径为31.5毫米,形成一个横截面4.2米宽、6.75米高的工作区,总长度为2,065米。这些猫道绳在中塔(PY2)隔开。猫道上布置的支撑牵引系统的框架,框架间隔42.5米,主缆成型机(紧缆机)的间距也是42.5米。猫道位于主缆下方,主缆和猫道之间有1.3米的间隙。

为了保证猫道系统的气动稳定性,每个跨度范围内安装了16个横向通道(天桥)。在设计阶段进行了三维框架和主缆模型抗风模拟,保证猫道在风载作用下的稳定性。


3.2 绳索和面层的安装


在海峡两岸架设好先导绳之后,开始进行猫道系统的安装。先导绳由拖船从锚碇1和锚碇2同时拖拽安装。随后在先导绳上进行牵引系统的安装,牵引系统用于猫道绳索、索道支撑绳索、扶手绳索的安装。该临时牵引系统一般由容量为5吨的绞车驱动。当在海面上架设绳索时,通常绳子的张拉力应控制在绞车最大驱动力之下。但是在本项目中,为了确保通航,防止绳子浸入至海水中,其自由悬挂状态的张力超过5吨。

在猫道绳索安装后,进行猫道面层的装配工作。一般猫道面层板是由钢丝制成的金属网和一些用作台阶的木材组成,这些材料在运到现场之前应该在工厂预先加工组装成型。在这个项目中,面层板组件包括金属网、U型框架、木质台阶等。施工时将它们连接到锚碇上的临时结构上,通过桥塔顶部的绞车将其拉至塔顶。在塔顶处,这些构件靠重力滑向主跨跨中。

在猫道的每个跨度上均应安装横向天桥,利用已经安装至牵引绳上的钢丝绳牵引机进行安装。横向天桥的重量应控制在2吨以下,这样可以通过两个桥塔顶部的绞车(牵引力合计5吨)进行牵引安装。


4鞍座的安装


通常,在悬索桥施工中,将缆索鞍座安装在塔顶部的过程是最危险和最重要的阶段之一,因为桥塔鞍座通常是最大和最重的结构元件。为了减少此程序的潜在危险,新千年大桥设计了一种由混凝土基座和钢制上部结构组成的鞍座。通过这种设计,由塔式起重机提升的构件重量仅为3t,可以使用桥塔施工而架设的起重机来提升。因此鞍座安装时不再需要其他的临时设备,在施工计划和成本方面具有优势。混凝土具有出色的抗压性能,使这种组合鞍座受力方面具有优势。


图8 鞍座的吊装


5PPWS法主缆架设


5.1 缠丝工程


主缆总重1847t,主缆钢丝由韩国的Kiswire制造商生产,钢丝直径为5.3mm、抗拉强度为1960Mpa。成卷的钢丝到另一个工厂制作成PPWS索股,每根主缆的长度等于桥跨的总长,并在主缆末端安装锚头。施工中,这些索股成圈后通过驳船运到施工现场。

在安装一个主缆单元时,在施工现场线圈再次缠绕在放索器的卷筒上,放索器被安放在锚碇的临时结构上。


图9 主缆成圈



图10 成股的钢绞线缠绕在线圈上


5.2 安装工作


主缆的安装工作采用PPWS法,安装工作于2017年7月~8月完成。PPWS安装系统包括锚碇后方的放索器和通用绞车。每根大缆均安装有牵引系统,将拉索从一侧锚碇牵引至另一侧锚碇。

每股钢绞线由127根钢丝组成,一根主缆共有21股钢索组成。因此全程共需要21次行程,预计安装时间为40天。


图11 主缆的安装


5.3 垂度调整


在猫道上对已经安装的缆索进行垂度观测和调整工作。在垂度测量中,1#、9#和19#索股的垂度绝对值由安装在每个塔顶的光电测距仪进行测量,其他索股的垂度根据相对测量值进行调整。垂度的调整工作在晚上10点到凌晨2点进行,以尽可能减少温度对索股外形的影响。为了修正索股的长度,选取索股的两侧和顶部测量温度来建立平均温度。


6结论


新千年大桥这座三塔悬索桥是韩国的首次尝试,与2010年9月开始建设施工。主缆工程是从其准备工作开始的,包括临时结构和绳索的安装,与2017年3月开始施工。主缆安装采用PPWS方法,建设时间为2017年7月~8月。主缆建设中证明了PPWS法建设多跨悬索桥的可能性。



转自:说桥微信公众号​​​​

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