预应力混凝土自锚式悬索桥体系转换施工技术及应用
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摘要：体系转换施工是预应力混凝土自锚式悬索桥主体施工的最后一道工序，工序复杂、施工控制要求很高。本文通过对体系转换施工技术原理、技术准备、施工机具、施工方法等的论述，介绍和总结了该施工技术的要点。
关键词：自锚式悬索桥 体系转换 施工技术 要点 应用
1、体系转换的原理
1.1体系转换施工原理
体系转换是预应力砼自锚式悬索桥施工的一大关键工作，主要是指在上部结构主缆、索夹、吊索及梁体施工完成后，通过张拉吊索和主索鞍顶推实现的。通过张拉吊索、主索鞍顶推，使梁体自身结构荷载从梁体支架通过吊索转移至主缆。体系转换最终是通过主缆，将梁体结构竖向荷载传递至主塔，将主缆水平荷载传递至锚块并通过梁体自身来承担，从而使整个结构体系达到内力的自平衡状态。体系转换过程中结构内力和变形不断发生变化，从而桥面系将不断抬高以达到脱模的效果。所以体系转换是荷载由外至内不断传递的转换过程，是设计、监控、施工等各方密切配合的重要阶段。
吊杆张拉一般分两个循环进行，第一循环的目的是进行体系转换，保证所有吊杆锚头能够安装上锚环，即可以拆下张拉接长杆。第二循环在落架后进行，目的是将吊杆力调整至理论值，在二期铺装施工完成后吊杆力自动增长至成桥吊杆力。随后进行桥面铺装等二期恒载施工，理论上此阶段不需要进行吊杆张拉，但根据实际经验，由于二期恒载并非理论计算中采用的完全均布荷载，因此存在部分吊杆调整张拉力的可能。
具体张拉吊杆顺序根据监控单位及设计单位计算确认的施工顺序进行，主索鞍顶推在吊索张拉过程中也是根据监控指令进行顶推与锁定。
2、体系转换施工技术准备及施工机具配备
2.1施工技术准备
2.1.1测量放样，按照设计图纸要求安装好索夹、吊索。对已安装索夹的螺杆轴力再次进行复查，并使用螺杆拉伸器再次复拧。对吊杆与索夹的连接进行检查，以保证体系转换时索夹及销轴连接安全性。
2.1.2在吊挂实施前，需向监控单位组提供塔柱位置、箱梁线性，主缆线性，索夹位置等初始数据，监控单位采集塔根部、吊杆预埋钢套管处等元件的应力数据，修正张拉顺序以及张拉力。在张拉过程中，监控根据在每个锚杯处安装的压力环检测实际张拉力来实时修正张拉力及顺序，并要求监控单位提供塔偏允许值，在体系转换过程中以便观测、控制塔偏，保证结构安全性。
2.1.3施工通道和平台准备
搭设梁底施工通道和平台可利用梁底承重支架，施工通道须保证张拉机具和操作人员可以沿顺桥方向顺利移动，以保证施工效率，同时施工平台应该保证张拉机具在吊索张拉处安全起降及人员安全。
2.2主要施工机具
2.2.1 张拉千斤顶
根据体系转换施工工况需求，配备满足最大量批次张拉吊杆的千斤顶（例如某一阶段张拉吊杆数量为20根，则需配备满足吊杆张拉力的千斤顶20台）；施工前，张拉千斤顶须做标定，相关压力表须校检合格，并根据张拉力计算得出油压表读。
2.2.2 张拉接长杆
张拉接长杆根据空缆线性及吊索长度来确定，材质一般选用40Cr，外径与吊杆锚头内径匹配。施工前按要求加工足够的接长杆和张拉组件，使用前应进行试连接，包括接长杆与吊索锚头的连接、工具锚圈和接长杆的连接等，以检查各连接件之间的牙型匹配情况。
2.2.3 张拉反力座
张拉反力座数量根据张拉千斤顶配备加工，一般根据张拉点张拉力大小及锚头直径大小设计。
3、施工方法概述
3.1施工方法
体系转换施工主要是在吊索锚垫板下根据监控指令用千斤顶同步、对称顺序进行张拉吊杆，以主缆变形量、吊索力、伸长量和索塔偏移量等作为控制参数，通过施加外力使混凝土梁逐渐脱离模架，同时不断调整，达到预期效果。
吊索张拉示意图
上图是正常情况下吊杆张拉时的示意图，安装张拉组件时应先装接长杆与吊索锚杯连接，然后依次安装工作锚圈、工具锚圈和张拉千斤顶，最后锁定张拉螺母。
张拉组件安装好后，将千斤顶与油泵油路连接，在监控指导下，千斤顶同时启动，分级加载，至指定张拉力相应的油压之后停止，监测人员测定吊索拉力符合要求后，人工旋紧工作锚圈到位，使锚圈密贴锚垫板，最后再卸压锚固。
由于脱模状态吊索的长度大于成桥状态，因此在脱模状态下，大部分吊杆不能正常锚固，而需要通过接长杆将吊杆接长锚固。张拉时，首先将吊索与接长杆连接，穿入锚管，然后通过千斤顶分次张拉至设计张拉力并锚固。
3.2体系转换施工顺序
吊索的张拉，是在监控的指导下严格遵循监控单位提供的数据进行，包括张拉顺序和张拉力。
3.3主索鞍顶推
在体系转换过程中，由于吊索张拉是从中跨开始，而且中跨恒载比边跨重，随着外力的不断增加，主跨主缆的张力也不断增大，这将给索塔带来很大的水平推力。为了平衡索塔两侧的水平力，防止索塔出现较大的偏移量，导致塔根应力过大，需要改变索鞍的位置，使索鞍向主跨方向推移。体系转换的过程也是索鞍不断向中心移动的过程，需要同步进行索鞍顶推工作。索鞍的顶推次数、顶推量按照监控提供数据严格执行。
顶推前，应检查索鞍压盖螺栓的紧固情况，排除影响顶推工作的障碍，去除索鞍的临时限位，检查索鞍与底板的接触面，清除滑动面上的杂碎物，彻底清除鞍座滑移面上的脏物，保持清洁至顶推完成。顶移时，要控制进油速度，达到或超过计算的顶推力时，座体的移动可能跳跃不平衡。为防止冲击大螺母，要装缓冲橡胶。为防止主缆在鞍座槽内滑动，顶推前采取的措施是在主缆顶部填装楔形方木顶紧。
3.4二次调整吊杆
体系转换完成后进行桥面铺装，主缆线形及索力等均会发生变化，因此需要整体调整索力。索力调整与体系转换中吊索的张拉方法一样，第二次调整吊杆的施工顺序将由第二次调吊杆后的实测值和桥梁二期恒载施工后的测试结果，根据实际偏差情况进行修正施工，其最终的结果既是施工图文件中的吊杆力值和主梁、主缆线形值。
4、施工控制要点
4.1体系抓换前必须对索鞍和压盖进行检查，确保转换时主缆丝股不能在鞍槽内产生滑移。
4.2体系转换前须对索夹螺栓的紧固情况进行复检，以免在施工中出出现索夹滑移现象。
4.3体系转换前应该排除一切任何影响施工的障碍，以保证线形、索力的准确性，为设计、施工、监控等各方工作提供科学的分析依据。因此，桥面上不能堆放重物，施工机械应挪移出桥面。
4.5正确安装张拉组件，保证牙间悬合足够，不能悬空，导致安全系数降低甚至发生事故；安装撑脚和张拉千斤顶时应保证与预埋管对中；张拉千斤顶应与锚垫板垂直。
4.5张拉时应按程序或指令进行，多台千斤顶同步对称张拉，同步卸压；张拉时严格按照设计规定同步进行，任何情况下索力相差不得大于设计规定值。
4.6张拉调索的过程中，以力为主，兼顾线形，在吊索安装前，应对其无应力长度做好标记，张拉过程中，如线形线形与索力相差较远，应立即停止，查清原因后再进行下道工序。体系转换过程中应进行索力、主缆线形、索塔偏移等的同步监测。
4.7张拉调索的过程中，应严格控制索塔塔顶偏位，主索鞍顶推也要分次同步进行，不得跳跃式顶推，并要保证偏位量不得大于设计允许值。
4.8由于体系转换过程中吊索需同步张拉，张拉步骤较多，为保证安全，在多根吊索同时张拉的情况下，应在每级张拉完成时，对张拉接长杆进行锚固后，再进行下一级张拉。
5、体系转换施工监测要点
5.1吊杆安装和第一次张拉阶段的施工监测
吊杆第一次张拉时需进行索力测设，索力测试一般应用索力动测仪，按弦振动法进行测试。为了使测试数据更为准确，同长度、同类型吊杆选取一根进行标定，标定的方法是在张拉千斤顶与工具锚间安装测力环（锚索计），在张拉过程中读数与频率法结果进行比对修正。
全部吊杆第一次张拉完成后，还应选取温度稳定的夜间对温度、主缆线形、主梁线形、主塔变位、全部吊杆的吊杆力进行测试。同时进行控制反馈分析并对后续工序的监控调整（包括索鞍预偏量调整）做好准备。
5.2拆除箱梁支架（落架）阶段的施工监测
落架应平衡对称有序施工，落架施工期间，分阶段选取温度稳定的夜间对温度、主缆线形、主梁线形、主塔变位及全部吊杆的吊杆力进行测试，并与理论计算值进行反复对比，确保安全。落架施工完成后，选取温度稳定的夜间对温度、主缆线形、主梁线形、主塔变位及全部吊杆的吊杆力进行测试，为吊杆第二次张拉做好准备，并通过计算确定吊杆第二次张力的大小。
5.3吊杆第二次张拉的施工监测
吊杆第二次张拉过程及张拉完成后的测试内容与吊杆第一次张拉相同。
6、工程应用
6.1工程概况
红旗大桥位于湖北省恩施市市区北侧清江上游红庙坝，斜跨清江，斜交角度约8.50，大桥东接恩施市红庙经济开发区，西接旗峰坝村旗峰大道，是连接恩施城北新区与老城区的主要通道。红旗大桥全长340.6m，主桥为25+65+152+65+25m五跨连续双塔双索面预应力混凝土自锚式悬索桥，主跨一跨过江，两岸均无引桥。桥跨布置及吊索编号如下图示：
6.2第一次吊杆张拉
6.2.1吊杆张拉顺序
吊索张拉参数表
张拉阶段 吊杆编号 张拉力（kN） 张拉阶段 吊杆编号 张拉力（kN）
1 21 240 12 13 3500
22 240 14 3350
2 1 208 29 3390
42 218 30 3500
3 20 300 37 3500
23 310 38 3500
4 2 265 13 6 3570
41 270 7 3500
5 主索鞍部分顶推 12 3500
6 19 415 13 3340
24 425 30 3360
7 18 520 31 3500
25 525 36 3500
8 主索鞍顶推到位 37 3560
9 17 650 14 7 3450
26 650 8 2500
10 3 1490 11 2500
16 1450 12 3275
27 1450 31 3295
40 1500 32 2500
11 4 3000 35 2500
5 2000 36 3415
14 2000 15 8 2642
15 2880 9 2868
28 2890 10 2610
29 2000 11 2510
38 2000 32 2510
39 3000 33 2610
12 5 3550 34 2734
6 3500 35 2638
说明：
1、吊杆编号见附图；指双根吊杆张拉力。
2、体系转换各控制点及吊索编号见上图。
6.2.2施工机具选用
⑴ 张拉千斤顶
根据本桥体系转换施工工况需求，共计需要张拉千斤顶16台，其中400t的12台，500t的4台（千斤顶型号配置根据张拉力、张拉接长杆的结构尺寸及现有设备量综合考虑）。
张拉千斤顶型号见下表：
吨位 外径(mm) 高度(mm) 穿心内径(mm) 行程(mm) 自重(Kg) 油压(MPa)
YDC400 440 410 175 200 298 53
YDC500 500 456 196 200 380 52
⑵ 张拉接长杆
张拉接长杆根据空缆线性及吊索长度来确定，材质选用40Cr，外径与吊杆锚头内径匹配。具体长度、数量、规格见下表。
张拉接长杆工具配置表
名称 单根长（m） 数量(根) 延米（m） 外径(mm) 内径(mm) 单位重量（吨）
接长杆 2.5 8 20 155 0.14
接长杆 3 8 24 155 0.14
工具锚圈 80mm 32 155
6.2.3吊杆张拉施工步骤
吊杆张拉施工是体系转换施工的关键工序，张拉施工以监控单位提供的张拉顺序为依据，以张拉控制力为控制进行。通过15个阶段的吊杆张拉施工到达设计脱模张拉力，并在张拉的过程中，进行主索鞍顶推。张拉施工步骤如下：
⑴ 拆除锚管部位箱梁底模，并将锚垫板部位清理干净。
⑵ 根据第一阶段吊杆张拉顺序，将4套张拉机具运输至21#、22#吊杆锚管下口，并在桥面上利用移动式脚手架将张拉接长杆与吊杆锚头连接。
⑶ 将张拉接长杆通过锚管下放，并穿过张拉反力架与张拉千斤顶，穿过千斤顶前在反力架内安装好工作锚圈与工具锚圈。
⑷ 通过梁底设置的倒链辅助安装张拉反力架与张拉千斤顶，然后在张拉接长杆尾部安装工具锚圈。
⑸ 人工初步带紧工具锚圈，并检查张拉反力架是否与预埋管对中，张拉千斤顶应与锚垫板垂直。
⑹ 安装张拉油泵，初步带紧吊索，再次调整张拉反力架与预埋管对中，张拉千斤顶与锚垫板垂直。
⑺ 在塔顶设置主塔偏位观测点，张拉过程中全程监控主塔偏位情况及主缆线形变化情况。
⑻ 张拉机具安装无误后，按照监控单位提供张拉力数据，分级张拉吊索。张拉前，由技术人员统一检查，4个张拉点检查无误后，汇报至张拉指挥人员，张拉指挥人员通过对讲机统一指挥多台千斤顶同时进行张拉作业。张拉至千斤顶限制行程后，将反力架内的工具锚圈带紧，并由技术人员记录张拉力、张拉行程。然后千斤顶回油，准备倒顶。
⑼ 由于吊索的张拉下降量较大，而张拉千斤顶行程有限，故需进行多次倒顶才能张拉至设计张拉力。张拉过程中，每次倒顶张拉，必须由张拉指挥人员统一指挥，尽量保证多台千斤顶的张拉力与行程基本同步。
⑽ 张拉过程中实时观测主塔偏位值及主缆线形变化情况，并做详细记录。同时检查张拉吊点部位的索夹、吊索等结构件在张拉过程中有无产生变化，如有变化，则应停止张拉，查明原因。
⑾ 多次倒顶张拉至监控提供设计张拉力，吊索锚头张拉出锚垫板后，安装工作锚圈。如需另行设置垫板，则在锚垫板与工作锚圈之间安装垫板，然后再上紧工作锚圈。如达到张拉力后，锚头无法在锚垫板上锚固，则临时采用张拉接长杆工具锚圈进行锚固，调整好该处张拉力后再置换出张拉接长杆。
⑿ 拆除张拉机具，完成第一阶段的张拉。
⒀ 根据张拉顺序，张拉吊杆至第四阶段完成后，根据监控指令进行主索鞍顶推作业。张拉至第七阶段完成后，主索鞍顶推至设计位置，并进行锁定。每个索鞍采用两台YCW100千斤顶进行顶推，同一索塔的两个索鞍应同时顶推，以保证同一索塔力的平衡。安装千斤顶时，应注意：千斤顶的轴线要与索鞍平行，两台千斤顶要在一个面上，千斤顶顶压端与索鞍接触面之间应该设置过渡垫板（橡胶板）。
⒁ 按照张拉顺序，循环完成15个阶段的张拉，达到梁体脱模的效果。
⒂ 整个张拉过程中，监控单位根据在每个锚杯处安装的压力环检测实际张拉力来实时修正张拉力及顺序。同时要保证张拉过程中，主塔的偏位不能超过塔偏允许最大值。
6.3二次调整吊杆
二期恒载吊杆力调整的顺序和张拉顺序基本与第一次张拉一致，从中跨跨中和边跨向主塔方向对称调整，施工方法同第一次张拉。
调整力的大小及顺序见下表：
调
恩施红旗大桥通过两次吊杆张拉及主索鞍顶推施工，顺利完成了结构体系受力的转换，并通过监控单位的成桥监测，主缆线形、塔偏值、梁体线形、梁体受力等重要参数均符合设计要求，成功检验了该施工技术的可靠性。
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