浅谈悬索桥主缆空中纺丝工法技术

侯锐

摘要：悬索桥主缆架设是施工的关键节点，我国均采用预制平行索股（PPWS）架设法，而国外普遍采用改进后的恒张力空中纺丝法（AS）架设，其施工效率、主缆安装工程质量均大为提高，值得我国借鉴学习。阳宝山大桥拟采用该施工方法实现国内AS工法的零突破，文章以该项目为背景介绍了AS法的施工工法，为AS法在我国的顺利开展奠定基础。

关键词：悬索桥；主缆施工；空中纺丝法（AS）

引言

悬索桥主缆空中纺丝工法（AS）架设法是国外悬索桥主缆架设广泛采用的方法，例如美国的布鲁克林桥、金门大桥、华盛顿大桥、日本的下津井濑户大桥、韩国的光阳大桥[1]、挪威哈罗格兰得大桥[2]等，主缆均采用了AS架设法。国内的悬索桥均采用预制平行索股（PPWS）架设法[3]，虽然PPWS工法产业链完整，设计和施工技术成熟，但相比AS法存在锚固面积大，预制成本高，施工工效低等劣势，尤其对山区峡谷处的悬索桥施工，AS法运输、架设牵引设备的能力要求低，可满足山区运输条件差、超大跨径的悬索桥建设。因此我国的主缆架设应扩展思路，学习和运用AS法对主缆进行架设方法和步骤。

1.空中纺丝法架设工艺

空中纺丝法是将直径5~7mm的钢丝挂到纺丝轮上，往返于桥梁两侧的锚碇之间，以钢丝为单元架设主缆的工艺。随着纺丝轮的循环往返，钢丝从已缠好的丝盘中引出，纺丝轮下端的钢丝在引出后直至架设完成，始终处于同一位置不会移动，被称之为“死丝”；纺丝轮上端的钢丝从钢丝丝盘以纺丝轮行进２倍速度持续供应，被称之为“活丝”。架设过程中死丝落入索鞍鞍槽和主缆成形器内，活丝落在主缆成形器外侧支撑滑轮上，纺丝轮回程时，将纺丝轮旋转一定角度，将去程活丝提起并落入索鞍鞍槽和主缆成形器内。架设于空中的钢丝通过多次往返将数百根钢丝逐步累加合成一个索股，各索股形成环状形态分别固定在锚碇部位锚靴上，过程示意见图１。

图１空中纺线法示意图

改进的空中纺丝法在纺线过程中对主缆钢丝进行恒张力的控制，在张力状态下放丝，理论上不存在钢丝之间的无应力长度偏差，垂度调整以数百根钢丝组成的索股为单位进行，工期较短，受大风天气条件影响小，与PPWS法相比，减少了工厂制索环节及费用；架设载荷小，猫道自重轻，索股数量少（约为PPWS法的1/3），可最大限度地减小锚体或锚塞体尺寸，具有一定的经济性[4]。

2.设备及布置

空中纺丝法架设装备主要由钢丝卷绕设备、钢丝送丝设备、带纺线轮的牵引绳驱动设备等组成，各设备的安装位置见图2所示。

图2张力控制空中纺线设备示意图

2.1钢丝卷绕设备

将工厂制成的盘状钢丝用收线机经过张紧装置在一定张力条件下卷绕至丝盘上，卷绕作业完成后，将丝盘转移至放丝机，使钢丝在架设过程中通过放丝机维持一定张力高速稳定地释放，如图3所示。

图3钢丝卷绕设备现场图

受钢丝盘条制造限制，镀锌钢丝每卷质量约为2000kg左右，成卷供应。组成AS法索股的钢丝为闭环，每根索股钢丝质量达200t左右，钢丝需要在架设中不断接长，通常通过专用绕丝机将小卷钢丝接长绕在专用放丝卷筒上，通过纺丝机进行放丝，一个卷筒钢丝放完后更换卷筒。近年来，AS法施工，卷筒钢丝一般容量在6~8t左右，上盘时钢丝保持一定张力，并进行分批着色，便于编丝时识别钢丝排列顺序。

钢丝接丝采用挤压接头的专用连接套管，在成卷钢丝绕丝上盘时的接长采用液压压套机挤压连接。要求索鞍和靴跟附近不能有接头，因此纺丝过程中，如果有此情况出现，则需剪断钢丝，将接头位置移出该区域，或者纺丝过程中有断丝出现，均采用便携式压套机挤压连接。

2.2送丝设备

送丝设备使缠绕在丝盘上的钢丝以纺丝轮２倍的速度供丝，放丝机以及用于钢丝张力控制的张力控制塔，如图4所示。

图4钢丝送丝设备

放丝机释放的钢丝穿过吊挂在塔中央带有平衡重的滑轮组，在架设过程中始终维持恒定张力，放丝机的驱动速度根据平衡重的高度自动得到控制。

2.3空中牵引架设设备

带纺丝轮的牵引绳、布设在猫道上的主缆成型器、门形吊架及导轮组以及能够牵引纺丝轮的驱动装置组成，如图5所示。

图5空中牵引架设设备

施工过程中，为了加快作业速度和效率，可在１个纺丝轮上同时布置２根或４根钢丝。驱动装置中采用可双向高速旋转的驱动卷扬机，为了使牵引钢丝绳进出部位的张力差传递至纺丝轮，采用拥有两个摩擦轮的摩擦式卷扬机。

2.4锚固设备

将钢丝一头抽出，暂时固定在锚旋前锚面的梨形蹄铁或称索股套靴上，另一头钢丝由牵引索带动纺丝轮将钢丝牵拉至对岸，同样套于设在对岸锚锭前锚面处的对应的梨形蹄铁上，如图6所示。

图6钢丝锚固设备

在一束索股牵引完成后，将钢丝“活头”剪断，并与先前临时固定的“死头”用特制的钢丝连接器相互连接，分别锚固在两个靴跟上。

3施工步骤及方法

空中纺线作业包括钢丝的放丝；空中编丝；猫道线性调整和垂度调整等步骤。

3.1钢丝放丝

先将已上盘的钢丝卷筒放置在具有放丝机上经各部位的导向滑轮，将死丝端在散索鞍前临时锚固，然后绕过靴跟人工牵引至张力塔，进行空中纺丝。一根索股包含丝根数为纺丝轮牵引丝股根数的整数倍，丹麦大贝尔特东桥一根索股含504丝（纺丝轮为４轮），韩国光阳大桥一根索股含400丝（纺丝轮为４轮），鞍槽处钢丝排列为矩形，靴跟处槽型为梯形，一根索股入一个鞍槽，分别锚固在两个靴跟上。

3.2空中编丝

AS法多采用的小循环式牵引系统，即对上下游两根主缆分别采用一套牵引系统进行架设。每套牵引系统运行时只在一根主缆的长度间循环往复作业，上下游主缆架设相互独立、互不干扰。AS法小循环式牵引系统的运行示意见图7所示。

图7小循环牵引系统示意图

每套牵引系统中一般配备一组纺丝轮，在系统正转运行的时候，纺丝轮从放丝一侧牵引钢丝，同时放丝轮与纺轮同步运转放丝，到达对岸调整死丝在纺丝轮绳槽上的缠绕方式，牵引系统反方向运转，纺丝轮停止放丝，纺丝轮牵拉回原来的出发岸，随后再进行新一轮的牵引架设。猫道上的所有主缆成形器由作业者调整，使钢丝处于成缆器内部和钢丝托辊的指定位置，还需要整理所有索鞍和锚靴的钢丝索股，使之按设计位置排列，例如阳宝山大桥锚靴索股布置如图9所示。

图9阳宝山大桥锚靴索股布置图

3.3猫道垂度调整

新AS法的基本原理是采用低张力控制法进行主缆架设。在该方法中，将架设过程的钢丝张力限定为自由悬挂时所需张力的80%~85%，剩余部分重量通过主缆成形器由猫道支承。主缆架设中，将钢丝按预先规定好的线形铺放，而此线形也就是调整好的猫道线形。当猫道因铺设在其上的钢丝重量的增大而逐渐下挠时，需要对猫道线型进行调整，即在主缆成形器下端安装两根垂度控制索，通过逐步张拉控制索，让猫道不断地恢复到初始线形，这样，一根索股中的各钢丝就可以在可接受的范围内，在相同拉力下保持相同长度。

图10垂度调整绳的安装及控制调整

随着主缆纺丝编制成的索股数量增加，下层已完成的索股，将承担一部分上层正在纺丝完成的钢丝自重，猫道继续下挠的程度逐步减小，在可以接受的范围内，猫道线形将不需要再进行调整。

3.4索股线形调整

以自由悬挂状态80%张力架设的钢丝，架设时比目标形状具有更长的无应力长度，因此每根索股测量后需调整各跨度的长度从而调整垂度。事前在各索鞍和锚靴利用液压千斤顶和夹具使索股从索鞍滑落，在各跨中间架设索股时，架设得比目标形状高50~100mm，使索股的断面定型、测量、调整作业变得更加容易，锚靴处的千斤顶布置如图11所示。

图11索股线型调整装置图

索股使用定型器具定型为柱形，长度方向每间隔3m用纤维胶带紧紧固定，调整形状时主跨和边跨在测量垂度后调整相应各跨的长度。如果锚跨跨径短，则可以在鞍靴设置150t容量的液压千斤顶和位移计，直接测量张力和变位关系，更易于实现目标形状。锚跨的张力调整作业将索股内钢丝的应力误差定为±4MPa。

小结

本文结合阳宝山大桥介绍了悬索桥主缆AS法的施工方法，设备布置以及施工步骤和方法，可以看出AS工法减少索股制造环节，其具有的成本优势，改进的恒张力AS法较传统的AS法施工更迅速，且索股的垂度调节也更方便，研究和应用AS法主缆施工技术对于国内企业在悬索桥施工技术的选择上具有参考价值。

参考文献：

[1]赵国辉.悬索桥主缆施工牵引技术研究[D].长安大学.硕士学位论文.2004

[2]杨宗根.挪威哈罗格兰德大桥AS法架设主缆施工方法探讨[J]公路交通技术.2015（5）：75~79

[3]叶觉明.超大跨度悬索桥主缆预制索股制造工艺技术[J]金属制品.2014（4）：4~8

[4]葛国库，石虎强.悬索桥主缆空中纺线工法技术经济性分析[J]公路.2017（3）：296~300